燃气热水器换热优化设计刘兵

燃气热水器换热优化设计 刘兵

发布时间：2021-08-20T06:47:19.490Z 来源：《防护工程》2021年13期 作者： 刘兵 杨忠芯

[导读] 燃气热水器的热交换器大都采用铜制箱式换热器，燃烧火焰正上方采用翅片管式，为换热的主要部位，主要为对流换热与导热；在

燃烧火焰四周采用内腔盘管模式，为辐射换热与导热。

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摘要：本次试验通过理论分析研究燃气热水器的换热方式、测试热交换器上不同模块温度分布、分析热交换器各模块设计重量占比

等，对燃气热水器热交换器的优化设计提出改进建议。

关键词：燃气热水器；对流换热；辐射换热；导热

一、引言

燃气热水器的热交换器大都采用铜制箱式换热器，燃烧火焰正上方采用翅片管式，为换热的主要部位，主要为对流换热与导热；在燃

烧火焰四周采用内腔盘管模式，为辐射换热与导热。

本次研究，通过试验测试研究不同热负荷下不同换热方式换热量占比、设计重量分布等关系，为热交换器优化设计提供基础数据支

持。

二、换热原理介绍

热交换器是将燃气燃烧的热量传递给管内用水的装置，主要由盘管、内腔、集热片、传热管和各连接管件组成。如图2-1，当热水器工

作时，火焰处于热交换器腔体内，高温烟气在垂直方向进行流动，流经集热片后排出，在此过程中，高温烟气首先经过内腔换热，再进入

集热器换热，最后由烟管排向外界[1]。

图2-1 热交换器工作原理

高温烟气首先经过内腔，在此过程中，高温烟气与内腔壁面发生辐射换热，换热量一部分通过内腔壁和盘管壁以热传导的方式加热管

内用水，另一部分通过内腔壁面散失。经内腔壁面换热后的烟气进入集热器换热面，与集热片发生对流换热，换热量通过热传导的方式加

热传热管中的水。

综上，在热交换器的换热过程中，高温烟气与热交换器的换热主要分为两部分：一是高温烟气与内腔壁面和盘管之间的换热，主要为

辐射换热；二是烟气与集热片和传热管之间的换热，主要为对流换热。

三、理论分析

3.1 辐射换热计算分析

盘管和内腔模块的换热量由辐射换热和对流换热组成，由文献分析，可以认为盘管和内腔模块的换热量均为辐射换热量。在燃气热水

器中，高温烟气与内腔壁面的辐射换热量[2]可由下式计算：

——考虑到CO2、H2O的吸收光带有部分重叠的修正值，其值有相关资料查得[3]；

从上述计算过程可以总结出，在燃气热水器热交换器的换热过程中，内腔壁面与高温烟气的辐射换热主要受烟气温度和内腔壁面温度

影响。并且，烟气温度和壁面温度对换热量的影响呈四次方的关系，其次是CO2、H2O在烟气中的分压与辐射层厚度的乘积的影响。

3.2 对流换热计算分析

集热器和传热管模块的换热量也主要是由对流换热和辐射换热组成，同样经文献分析，可以认为集热器和传热管模块的换热量全为对

流换热量。热水器工作时，水在管内流动，高温烟气在管外肋片间横向掠过水管。在热水器工作稳定时，集热器的传热为稳定传热过程，

对稳定传热按传热理论[2]可得：

水侧对流放热：

l——铜管长度，m；

——铜管的导热系数，KW/m2*℃。

在烟气侧的对流换热中，烟气通过哦对流换热的方式将热量传给肋片，使肋片温度升高。肋片表面的平均温度决定了肋根温度的高

低，又决定了换热量的大小。实际上肋片表面的平均温度难以直接确定，为了假设肋片表面平均温度为肋根温度时烟气的理想换热量，定

义肋片效率为：

、、分别为水侧的放热热阻、肋片的导热热阻和烟气侧的导热热阻。由于水的对流换热系数很大，铜管的导热系数也很大，、相对较

小。因此，换热系数K主要取决于烟气侧热阻的大小。并且，换热量与烟气温度和肋片温度的关系呈一次方关系。

3.3 分析

综上所述，在热交换器换热过程中，盘管和内腔模块的换热方式主要为辐射换热，换热量与烟气温度和壁面温度的影响呈四次方关

系；集热器和传热管模块的换热方式主要为对流换热，换热量与烟气温度和壁面温度的影响呈一次方关系。为此，烟温变化对辐射换热的

影响比对流换热要快很多。

四、试验研究

4.1 试验方法

选取一款13升燃气热水器，对辐射换热模块和对流换热模块的换热量进行测试分析。

如右图4-1所示，温度测点布置在盘管的进出水口和集热器传热管的进出水口处，实验时进水流量稳定在10L/min，在热负荷为100%、

90%、80%、70%和60%时记录各测点温度的变化。

图4-1 温度测点布置

4.2 实验数据

测试四组数据，其中测点1记录盘管进水口温度，测点2记录盘管出水口温度和集热器进水口温度，测点3记录集热器出水口温度。为保

证实验的可靠性，本次实验对该产品进行多次试验测试，测试数据记录如下表4-1所示。

表4-1 实验测试数据

对上述测试数据进行整理分析，如下：

图4-2 不同换热方式与热负荷变化图

从图中数据分析可知：

①该结构产品辐射换热量远小于对流换热量，不同负荷段下，辐射换热量占比均小于8%；

②在进水流量恒定的情况下，当热负荷降低时烟温会降低，辐射换热的换热量占比下降，对流换热的换热量占比上升，与3.3理论分析

结论一致，当负荷降低时，辐射换热降低速度要快。

4.3 产品重量分布

对热交换器各零件进行分解、称重，辐射换热主要由内腔、盘管等组成，对流换热主要由集热片、内腔等组成，计算各模块重量占比

（如右图）。从图表数据分析可知：

①该结构产品辐射换热模块重量占比达到41.85%，对流换热模块重量占比达到48.17%。

②辐射换热模块重量占比略小于对流换热模块，但辐射换热量占比却远小于对流换热量。因此，从优化热交换器结构和降低物料成本

方面考虑，可以优先考虑优化辐射换热模块的设计。

图4-2 热交换器各模块重量分布

五、总结

本次实验从理论上分析了热交换器换热量变化的规律，并通过试验测试数据分析了不同换热方式的换热占比，结合产品设计时重量分

布，对燃气热水器热交换器的设计优化提出以下几点参考建议：

①现有燃气热水器的热交换器，辐射换热量较小，占比不足8%，但辐射模块重量占产品高达41%。

②对热交换器的优化设计，可以考虑采用新材料替代现有铜制盘管内腔模式，并保证腔体壁面温度在标准范围内。

③对热交换器的优化设计，可以采用新型燃烧方式，降低火焰高度，缩短火焰到对流换热面距离，从而取消内腔和盘管，只保留上部

的对流换热模块。

④对于对流换热模块的优化改进，已有很多文献结合CFD模拟仿真和试验数据，对集热片结构进行优化，进行强化化热。

参考文献：

[1]燃气快速热水器/夏昭知编著.-2版：-重庆大学出版社，2012.3.

[2]谭顺明.燃气快速热水器换热器的传热分析.煤气与动力.1997.17（3）：29-32.

[3]传热学/杨世铭，陶文铨编著.-4版.-北京：高等教育出版社，2006.8.

[4]刘美丽.强排式燃气热水器的热工特性研究[D].重庆大学硕士论文，2005.10.

[5]闫栋.强排式燃气热水器的燃烧和传热过程的数字模拟与分析[D].重庆大学硕士论文，2010.5.