儲(chǔ)水式熱水的熱傳導(dǎo)與傳熱分析

儲(chǔ)水式熱水的熱傳導(dǎo)與傳熱分析

1對(duì)流傳熱傳遞熱量在自然界傳遞熱量有三種基本方法：熱交換、對(duì)稱交換和熱輻射交換。在蓄水式加熱中，主要通過(guò)熱交換和對(duì)稱交換進(jìn)行熱激發(fā)，熱激發(fā)相對(duì)較小。在這項(xiàng)工作中，我們主要討論了熱傳導(dǎo)中的熱交換和對(duì)稱換熱以及儲(chǔ)水加熱的原理和分層加熱技術(shù)。為了簡(jiǎn)化討論，本文將存儲(chǔ)室內(nèi)的加熱加熱稱為熱水。電熱水器中的電熱管將電能轉(zhuǎn)化為熱能,根據(jù)熱力學(xué)第一定律:Q=AJW,W=PT。式中:Q—熱能;AJ—功熱系數(shù);W-—功;P—功率;T—時(shí)間電熱管把電能轉(zhuǎn)化為熱能,通過(guò)熱量傳遞把熱量給內(nèi)膽中的水,逐漸將周圍的水加熱,這個(gè)過(guò)程電熱管表面熱量主要通過(guò)對(duì)流和導(dǎo)熱傳遞到周圍的水。電熱管溫度升高,向四周水介質(zhì)均勻?qū)醾鬟f熱量,同時(shí)水介質(zhì)以熱水上升,冷水下降形式向上部對(duì)流換熱傳遞熱量。傳熱學(xué)講“熱量從物體中溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分,或者從溫度較高的物體傳遞到與之接觸的溫度較低的另一物體的過(guò)程稱為導(dǎo)熱。”導(dǎo)熱遵循的是傅立葉定律:Qx=-λFdt/dx式中:λ—導(dǎo)熱系數(shù);F—表面積;dt—溫度梯度;dx—距離梯度。水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.599W/(m.℃),正常自來(lái)水是不良導(dǎo)熱體,熱量在水中通過(guò)導(dǎo)熱傳遞較慢。對(duì)流是指流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)所引起的熱量傳遞過(guò)程。無(wú)論哪一種形式的換熱單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上所交換的熱量均符合牛頓冷卻公式。q=α△t,也就是Q=Fα△t式中:α—對(duì)流換熱系數(shù);△t—溫度差絕對(duì)值。水自然對(duì)流換熱系數(shù)為200～1000W/(m2.℃)。由此看到熱水器內(nèi)膽水中的熱量傳遞,對(duì)流換熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)快與導(dǎo)熱換熱。水的對(duì)流換熱的方向是熱水上升,冷水下降。電熱管上部以對(duì)流換熱為主,電熱管下面只能靠導(dǎo)熱傳遞熱量。所以電熱管要想均勻快速加熱整膽容積的水,電熱管必須盡可能的靠近內(nèi)膽的底部。在加熱過(guò)程中,底部電熱管附近的冷水被加熱,溫度上升后的水流向內(nèi)膽上部,對(duì)流傳熱將熱量輸送到頂部,上部溫度較低的水流向內(nèi)膽下部電熱管附近,形成完整的對(duì)流換熱循環(huán),電熱管上部的水被迅速加熱。但是電熱管位置以下卻是靠導(dǎo)熱輸送熱量,由于水的不良導(dǎo)熱性,電熱管以下在首次加熱時(shí)溫度上升非常緩慢,形成相對(duì)的低溫區(qū)域。所以電熱管在內(nèi)膽越低,熱水區(qū)的水就越多。熱水器是通過(guò)溫控器控制水溫,溫度控制點(diǎn)需要在熱水區(qū)域,當(dāng)熱水區(qū)域的水溫達(dá)到設(shè)定溫度后,溫控器自動(dòng)切斷電熱管的電源停止加熱,通過(guò)熱水器的保溫層有效的保持熱量以減少熱量損失。這時(shí)電熱管下部由于主要靠導(dǎo)熱傳遞熱量,會(huì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)溫度相對(duì)較低。只有當(dāng)熱水區(qū)域的水溫下降到一定的溫度后,溫控器自動(dòng)接通電熱管的電源開(kāi)始加熱。只有通過(guò)多次循環(huán),電熱水器內(nèi)部電熱管以下的溫度才會(huì)達(dá)到設(shè)定的溫度,所以在熱水器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試相關(guān)項(xiàng)目時(shí)要進(jìn)行48小時(shí)的循環(huán)加熱,保證內(nèi)膽內(nèi)部水溫均勻。電熱水器電熱管功率較小,通常在3000W以下,是用內(nèi)膽內(nèi)的水為儲(chǔ)能介質(zhì),利用時(shí)間彌補(bǔ)功率較小的不足。由于電熱水器容量是有限的,放出一定的熱水的同時(shí),從進(jìn)水管補(bǔ)充等量的冷水,重新達(dá)到設(shè)定的溫度較長(zhǎng),與額定容積成正比,與加熱功率成反比。2熱水的補(bǔ)充和利用目前熱水器分廚房用小容量熱水器、夏天使用中等容量和冬天使用大容量熱水器。在廚房使用和普通洗臉洗手,容量在10升左右就夠了,僅一臺(tái)小型熱水器就能滿足,在夏季或春秋淋浴40升左右中型就能勝任,但到了冬季天寒地凍,尤其是盆浴熱水器需求量會(huì)顯著增加,一般需要60升以上大型熱水器;小容量快速加熱但熱水量小,大容量熱水器熱水多且加熱時(shí)間長(zhǎng),水量不足重新補(bǔ)充需要很多時(shí)間。加熱的熱水過(guò)多,多余的熱水由于沒(méi)有被及時(shí)使用,熱量被白白散失造成浪費(fèi),加熱過(guò)少熱水不夠用,由于電熱水器加熱速度較慢,熱水補(bǔ)充的時(shí)間需要很長(zhǎng),熱水器容積和合理使用的矛盾一直是熱水器系統(tǒng)的課題。用多少燒多少,減少保溫的熱量損失,是熱水器節(jié)能最有效的手段和研究課題。用多少燒多少在理論上需要多個(gè)不同容積的內(nèi)膽進(jìn)行串并聯(lián)才可能實(shí)現(xiàn),這種方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本很高,不能在短期進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用,需要通過(guò)簡(jiǎn)單低成本的方案實(shí)現(xiàn)上述工作目標(biāo)。中國(guó)人的傳統(tǒng)是勤勞節(jié)儉,大多數(shù)人中國(guó)人會(huì)在使用時(shí)才開(kāi)啟熱水器,熱水器內(nèi)部熱水是處于不平衡狀態(tài),由于水的不良導(dǎo)熱性和水的良好對(duì)流換熱性能,電熱管上部水溫在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電熱管下部的溫度。電熱水器的工作原理是進(jìn)水口在內(nèi)膽的最下面,出水口在內(nèi)膽的最頂端,理論狀態(tài)下,冷水將上面的熱水逐層頂出,只要內(nèi)膽頂部還有熱水,熱水就從內(nèi)膽頂端源源不斷的輸出。所以,只要保證內(nèi)膽頂部有熱水就可以了,我們利用水的熱交換特性,在熱水器頂部劃分出小范圍相對(duì)容量進(jìn)行加熱,滿足用戶在短時(shí)間內(nèi)擁有小容量高溫水的,雖然長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存后由于導(dǎo)熱的作用使內(nèi)膽內(nèi)部的溫度場(chǎng)趨于均勻,但這種相對(duì)容積加熱的特點(diǎn)還是可以利用的。3加熱時(shí)間、加熱方式及加熱效率筆者通過(guò)研究,目前中國(guó)電熱水器以100升以下臥掛式為主,100升以下的臥掛熱水器內(nèi)膽直徑一般在500mm以內(nèi),對(duì)于分層加熱相對(duì)的容積的劃分最好是三個(gè)相對(duì)容積,換句話講,也就是在內(nèi)膽垂直截面上,在上、中、下布置三組電熱管。將上電熱管放置在占內(nèi)膽上部1/3容積的區(qū)域內(nèi)。當(dāng)然最好上電熱管在內(nèi)膽上部1/4位置。由于水的不良導(dǎo)熱性和熱水上升冷水下降的對(duì)流傳熱特性,在加熱狀態(tài)時(shí)僅加熱電熱管以上的水,上電熱管在內(nèi)膽上1/4位置,僅加熱1/4額定容積的熱水,加上向下導(dǎo)熱形成的熱影響區(qū)域,占整個(gè)額定容積的1/3以下,也就是在40-80升的主銷容積段中,僅加熱10-20升的熱水,滿足早晨洗滌和廚房使用的要求。上加熱時(shí)間的估算忽略加熱過(guò)程中的熱損耗和能量轉(zhuǎn)化損耗等式中:T—時(shí)間(小時(shí));Vsa—上電熱管以上的容量(升);ts—設(shè)定溫度(℃);tn—內(nèi)膽水的原始溫度(℃);P—電熱管的功率(千瓦)。如60升熱水器上電熱管僅加熱15升熱水,設(shè)定內(nèi)膽-內(nèi)膽水的原始溫度20℃,上電熱管的功率為3kW熱水器由加熱到60℃所需時(shí)間:T=15×(60-20)/3×860=0.23(小時(shí))=13.9分鐘15升3kW熱水器由20℃加熱到60℃所需時(shí)間是13.9分鐘,考慮到導(dǎo)熱形成的熱影響區(qū),整個(gè)加熱過(guò)程大約為15分鐘。可見(jiàn)由于上電熱管選擇功率較高,加熱的水的容量只在15升左右,整個(gè)過(guò)程可以在15分鐘完成,無(wú)須等待。用完上部15升熱水就滿足了實(shí)際需要,下部的水沒(méi)有被有效加熱,無(wú)須保溫造成的熱量損失,整個(gè)整體加熱時(shí)間和效率顯著提高,可以減少2/3能源消耗。上電熱管在內(nèi)膽最佳排布位置非常重要,位置過(guò)低,加熱水的容積過(guò)大,起不到速熱小容量用水的效果;位置過(guò)高,熱過(guò)沖現(xiàn)象明顯,容易造成出水溫度過(guò)高甚至汽化的危險(xiǎn)。為保證快速加熱,上電熱管一般選擇在1000W到3000W之間,鑒于中國(guó)家庭用電現(xiàn)狀,最大功率一般在3000W以下,上、中、下電熱管在不同模式下需要單獨(dú)或并聯(lián)工作,單獨(dú)功率和串并聯(lián)電熱管總功率最好不大于3000W。為了有效控制上電熱管的工作,我們?cè)O(shè)計(jì)的溫控器測(cè)溫的位置也進(jìn)行了相應(yīng)的更改,將測(cè)溫的位置放置到上電熱管上部20mm以上的位置,可以敏感探測(cè)到上電熱管加熱狀態(tài),在達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)可以及時(shí)關(guān)閉上電熱管,避免溫度過(guò)度升高形成所謂的過(guò)沖。改變現(xiàn)有伸入內(nèi)膽式的測(cè)溫方式,直接安裝于內(nèi)膽外壁上,且靠近電熱管受熱的靈敏區(qū)域設(shè)置。不僅測(cè)溫靈敏度不會(huì)下降,而且不與水接觸,無(wú)水垢或其他雜質(zhì)積結(jié)影響,長(zhǎng)期使用也不會(huì)因結(jié)垢使靈敏度降低。將中電熱管放置在占內(nèi)膽中部到下1/3容積的區(qū)域內(nèi),可以加熱到整個(gè)額定容積的2/3左右,由于水的不良導(dǎo)熱性和熱水上升冷水下降的對(duì)流傳熱特性,在加熱狀態(tài)時(shí)僅加熱到中電熱管以上的水,對(duì)內(nèi)膽超過(guò)1/2的額定容積進(jìn)行有效的對(duì)流換熱加熱,加上導(dǎo)熱形成的熱影響區(qū)域,熱水可以占到整個(gè)額定容積的2/3以內(nèi),也就是在40-80升的主銷容積段中,僅加熱30-50升的熱水,滿足春秋兩季淋浴的要求。加熱2/3額定容積熱水時(shí),可以用上電熱管和中電熱管的不同位置和功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化組合,在兩電熱管功率之合小于等于額定功率的條件下,根據(jù)對(duì)流換熱的原理,可以兩管同時(shí)加熱,提升到一定程度時(shí),上電熱管停止工作,由中電熱管加熱完成達(dá)到設(shè)定溫度,避免上部溫度過(guò)度升高。這種加熱的優(yōu)勢(shì)在于:在整個(gè)加熱初期,上部水溫快速上升,滿足一定速熱效果,在加熱中后期,主要靠中電熱管加熱,可以使2/3額定容積以內(nèi)的水充分加熱,避免中部水溫尚未加熱到足夠的溫度而上部水溫過(guò)高引起控制系統(tǒng)探測(cè)到溫度已經(jīng)達(dá)到而停止工作,相對(duì)熱水也比較多。但由于上部電熱管加熱的影響,中部的熱水可能得不到充分加熱就因上部溫控器探測(cè)溫度已滿足設(shè)定溫度而停止加熱。加熱2/3額定容積熱水時(shí),也可以僅僅使用中部的中電熱管加熱,排除上加熱管的影響,整個(gè)加熱周期相對(duì)延長(zhǎng)。這種加熱的優(yōu)勢(shì)在于中部以上加熱充分,缺陷在于上部溫度提升較慢。將下電熱管放置在占內(nèi)膽下部1/5容積的區(qū)域內(nèi),盡可能向下安裝。電熱管加熱容積約能占到額定容量的4/5左右,可以加熱到整個(gè)額定容積的80%以上。筆者設(shè)計(jì)的分層加熱電熱水器中電熱管在內(nèi)膽這個(gè)區(qū)域盡可能貼近底部的位置,同樣是水的不良導(dǎo)熱性和熱水上升冷水下降的對(duì)流傳熱特性,下電熱管以下的區(qū)域在首次加熱時(shí),往往是加熱的盲區(qū),這里的容積得不到充分的應(yīng)用。筆者設(shè)計(jì)的電熱水器由于結(jié)構(gòu)的原因,在中心的大法蘭上集成分置中、下電熱管品,兩個(gè)電熱管存在明顯的高度差,中電熱管的有效區(qū)域在內(nèi)膽中部略靠下的位置,下電熱管盡可能向下延伸。上電熱管在內(nèi)膽上1/4位置,使用了小螺口電熱管,盡可能保證內(nèi)膽的強(qiáng)度。三個(gè)電熱管呈品字型分布,彼此在對(duì)流換熱的直接通道的側(cè)前方,通過(guò)單片機(jī)智能動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)集成分置動(dòng)態(tài)分層變?nèi)菁爸悄軇?dòng)態(tài)控制系統(tǒng),在滿足消費(fèi)者的多種需求的基礎(chǔ)上顯著降低能源消耗的需求。這里我們要講述加熱整膽熱水時(shí)三組電熱管的應(yīng)用技巧,由于有三組電熱管,我們可以充分的進(jìn)行排列組合,滿足不同的用途。在上電熱管功率與中、下任意一個(gè)電熱管功率之合小于等于額定功率的條件下,初期上電熱管工作和中電熱管及下電熱管交替加熱,迅速提高熱水器上部的溫度,中電熱管及下電熱管交替加熱,起到為上電熱管預(yù)熱的目的,同時(shí)減少中電熱管及下電熱管周圍的溫度梯度,有利于傳熱,提高加熱效率;在達(dá)到一定溫度時(shí),上電熱管停止工作,中電熱管及下電熱管交替加熱;達(dá)到更高的溫度時(shí),中電熱管停止加熱,減緩內(nèi)膽上層的水溫上升速度,為下電熱管充分加熱內(nèi)膽下部的水贏得足夠的時(shí)間,整個(gè)加熱順序由上到下有序循環(huán)交替。由于水熱傳導(dǎo)性能較差,在大功率電熱管加熱一段時(shí)間后,溫度場(chǎng)的溫度梯度上升很快,過(guò)大的溫度梯度影響加熱效率,容易產(chǎn)生噪音和產(chǎn)生溫度過(guò)沖,影響熱水器精確控制,利用動(dòng)態(tài)控制可以根據(jù)溫度場(chǎng)的變化和時(shí)間差的計(jì)算控制,交替打開(kāi)和切斷不同電熱管,改善加熱工況,同時(shí)利用下層電熱管的攔截預(yù)熱功能,降低上電熱管溫度梯度,提高加熱速度,減少熱過(guò)沖的發(fā)生。在上電熱管功率與中、下任意一個(gè)電熱管功率之合大于額定功率的條件下,可以由上加熱管先行工作或與中電熱管串聯(lián)工作,迅速提高上部問(wèn)題,保證出熱水時(shí)間盡可能縮短,然后依次打開(kāi)中或下電熱管加熱中下部的水或利用串并聯(lián)加熱所在區(qū)域的水,提升那里水的溫度,盡量使整個(gè)內(nèi)膽內(nèi)部溫度均勻,減少由于溫度梯度過(guò)大帶來(lái)的湍流噪聲。這種加熱我們也同樣可以只使用下電熱管加熱整膽熱水,回歸到傳統(tǒng)的加熱方式,這種加熱的優(yōu)勢(shì)在于整個(gè)內(nèi)膽加熱充分,