冷凝式热水器加热时间的影响因素及减少方法的分析

冷凝式热水器加热时间的影响因素及减少方法的分析

李晓强

佛山市顺德区美的洗涤电器制造有限公司广东佛山528311

摘要：最新国标GB6932－2015《家用燃气热水器》规定冷凝式热水器在进出口温度相同，燃气阀开至最大的情况下，将水体温度加热至高于进水温度（40+1）K所用的时间不大于35s，此时的进水流量与进气流量并不明确，由于智能控制器仅根据相应进水流量和设定点温度，通过热平衡方程式计算出所需热负荷，所得的燃气进气流量可将水体温度加热至设定点温度但不能确保热水器的加热时间保持在35s内。虽然降低进水流量可以减少加热时间，但是用户在热水器的实际使用过程中，不仅追求适宜的出水温度，而且希望能够在较短时间内保持较大的热水产率。

关键词：冷凝式热水器；加热时间；影响因素

1热水温升与加热时间关系数学模型的建立

燃烧室中燃气燃烧释放的热量并不直接传递给流水管路中的水。在热水器系统中，换热盘管与流水管路等其他设备充当中间蓄热和传热的介质，某一时刻燃气燃烧释放的热量部分传递给流水管路中的水供其吸热升温，另一部分热量传递给设备存储，直到下一时刻再将这一部分热量传递给水吸热升温。蓄热能力与设备的热容有关，设冷凝式热水器系统中包括盘管和流水管路等所有设备的热容为Ct，单位为kJ/℃，下文称系统热容。正因为系统热容的存在，热量的传递存在延迟，水体温升随加热时间的变化应该是呈非线性的。经过实际调查发现，出热水器系统中热量的传递过程，等号左边表示燃烧释放进入热水器系统的热量，等号右边第一项表示水吸收的热量，第二项表示由于存在系统热容各设备蓄热传递的热量。总体热量的输入与输出整体呈线性变化的趋势，由于蓄热存在，水的温度随时间的变化仍呈非线性上升的趋势。热量输入稳定，热水器加热时间的影响因素可从数学模型中涉及的变量入手。下面具体从系统热容、进水流量以及进气流量三个方面对热水器的加热时间展开分析，并结合国标规定的试验条件研究减少加热时间的办法。模拟过程中，采用控制变量法逐一研究各因素对加热时间的影响，其中输入热水器的变量范围如表1所示，由于模拟过程中参考国标规定的试验要求，因此始终取ΔT0=0。

表1.基本变量范围：

由于存在蓄热，上图中热水的温升随时间的延长呈非线性上升。热容越大，同一时刻下热水的温升越小，相同温升下热水器的加热时间越长。热容由小到大依次对应的时间常数分别为τ1=25s，τ2=27．4，τ3=30．1s，可知热容越小，时间常数越小，热水器加热时间越少。

2.2进水流量mw对加热时间的影响

热水器的进水流量是影响加热时间的重要因素，也会影响热水器加热过程中热水所能达到的最终温升。同样将热水温升与加热时间的数学模型导入MATLAB软件进行模拟计算，进水流量按照一定的形式，确定的合理进水流量区间9～16L/min以2为步长进行划分，其余参数见表1，热水温升与加热时间的关系曲线如图2所示。

图2.不同进水流量下热水温升与加热时间的关系：

从上图可以看出，热水温度随时间的延长而呈曲线的趋势上升，但是不同的进水流量使热水器所能达到的温升也不同，进水流量越小，热水器可加热的最终温升越高，进水流量mw=9L/min时，可达到接近60K的温升；当进水流量提高到mw=15L/min时，最终温升不到40K；此外，进水流量越小，加热40K温升所用的时间越少，当进水流量mw=9L/min时，加热时间在40s以内，当进水流量提高到mw=15L/min时，加热时间就延长至60s外。但是，随着流量的减小，时间常数τ反而越大，这是因为不同进水流量决定的最终温升不同，因此，此时的热水器加热时间不能用时间常数的大小来反应。进水流量对时间常数的影响在第3节中会提及。

2.3进气流量Gw对加热时间的影响

进气流量由微处理器根据不同的进水流量以及设定点温度来进行控制。通常经微处理器得到的进气流量，所能提供的折算热负荷只满足将热水加热达到所需的温升，并没有严格要求加热时间。在此，首先研究进气流量对加热时间的影响，同样将热水温升与加热时间的数学模型导入MATLAB软件进行模拟计算，进气流量的范围按照相关资料，给出的进水流量以及温升达到40K时所对应的进气流量以0．2×10－4进行划分，其余参数见表1，热水温升与加热时间的关系曲线如图3所示。

图3.不同进气流量下热水温升与加热时间的关系：

从上图中看出热水温度随时间的延长而呈曲线的趋势上升，但与进水流量对加热时间造成的影响相反，进气流量越大，热水器所能达到的最终温升越大，达到同样温升时所用的加热时间越少。当进气流量Gw=6×10－4m3/s时，最终温升远小于40K，当进气流量提高至Gw=14×10－4m3/s，最终温升可到60K，这符合传热学原理。此时进水流量固定为12L/min，若进水流量升高，进气流量也会相应发生变化，找到一组合适的进水流量与进气流量的匹配关系，使加热时间小于35s，才是研究减少加热时间方法的关键。

结论

文章主要围绕冷凝式热水器加热时间的影响因素及减少方法进行了分析，希望能够提高冷凝式热水器加热性能的同时，也能为相关人士听提供重要的参考价值。

参考文献

[1]周宇，秦朝葵，段鹏飞．冷凝式热水器能量平衡及折算热负荷分析［J］．城市燃气，2018（8）：4－7