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摘要 热管技术在商用容积式燃气热水炉中的应用 摘要 中国是一个城市燃气应用水平相对落后的国家，无论是用气规模 还是利用效率，与世界先进国家都有很大的差距。其中，正在蓬勃发 展的商用燃气设备容积式燃气热水器的利用效率还比较低，而随 着西部大开发的战略部署和“西气东输”工程的推移，需要更多的燃气 用具投入使用，因此研究提高这一领域的能源利用效率是实现中国可 持续能源发展的重要内容。 通过对热管及热管技术特点的分析，并经实际计算验证，证明了 将热管应用于商用容积式燃气热水炉中充当传热元件是完全可行的。 本文根据传统商用容积式燃气热水炉的结构特点，将热管应用于热水 炉的传热，设计出新型的以热管技术为基础的容积式燃气热水炉，并 对该设计进行热力学分析及校核。将其与传统商用燃气热水炉进行了 比较，发现其具有比传统热水炉更加优越的热力学性能，可以产生相 当可观的节能效果和经济效益。此外，文中还抓住热水炉设计的主要 矛盾，提出了热管式商用燃气热水炉优化设计的方法，对热水炉整体 和炉膛内部及单根热管分别建立了数学模型和目标函数。 本文旨在对热管应用于商用容积式燃气热水炉中进行初步探索， 为传统热水炉的强化传热提供一种参考，使之更好的与新技术结合起 来，为节能环保服务。 关键词：热管容积式燃气热水炉热效率优化 摘要 a p p l i c a t i o no fh e a tp i p et e c h n o l o g y i nc o m m e r c i a lg a s s t o r a g ew a t e r h e a t e r a b s t r a c t t h ea p p l i a n c eo fc h i n e s eu r b a ng a s ，w h e t h e rt h es c a l eo rt h e e f f i c i e n c y ，h a sal o n gd i s t a n c ew i t ha d v a n c e d c o u n t r i e si nt h ew o r l d t h e t h e r m a le f f i c i e n c yo fc h i n e s eg a ss t o r a g ew a t e rh e a t e rc o u l di n c r e a s eb y t e np e r c e n tt of i f t e e np e r c e n ta sc o m p a r e dw i t ha d v a n c e dc o u n t r i e s ，s oi t h a sv e r yl a r g es p a c et oi n c r e a s e m o r e o v e r ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h e b i ge x p l o i t a t i o no f t h ew e s ta n dt h ew e s t e r ng a st ot h ee a s t ，m o r ea n d m o r eg a sf a c i l i t i e sa r eu s e d i nc o n s e q u e n c e ，t h er e s e a r c hi n t ot h ei n c r e a s e o ft h et h e r m a le f f i c i e n c yi nt h ef i e l di sa ni m p o r t a n tt a s kt or e a l i z et h e d e v e l o p m e n to fc h i n e s e c o n t i n u o u se n e r g ys o u r c e s h e a tp i p ei sp r o v e dt ob eaf e a s i b l eh e a tt r a n s f e rc o m p o n e n ti n c o m m e r c i a lg a ss t o r a g ew a t e rh e a t e r , b yt h ea n a l y s i so fh e a tp i p ea n dh e a t p i p et e c h n o l o g y , c o m b i n e dw i t ha c t u a lc o m p u t a t i o n t h i sp a p e rd e s i g na n o v e lc o m m e r c i a l g a ss t o r a g e w a t e rh e a t e rb a s e dt h et r a d i t i o n a l c o m m e r c i a l g a ss t o r a g e w a t e rh e a t e r s s t r u c t u r e ，u s i n g h e a t p i p e t e c h n o l o g y t h et h e r m a ld y n a m i ca n a l y s i so ft h i sd e s i g ni s d o n ea n d c h e c k e du p i tw a sc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lc o m m e r c i a lg a ss t o r a g e w a t e rh e a t e r , a p p a r e n t l yt h i sn o v e ld e s i g nh a sm u c hm o r es a t i s f i e d t h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，a n dh a sac o n s i d e r a b l ee n e r g y s a v i n gr e s u l t a n de c o n o m i cb e n e f i t b e s i d e s ，t h i sp a p e rc o n s i d e r e dt h em a i nc o n f l i c to f t h eg a ss t o r a g ew a t e rh e a t e rd e s i g n ，p r o p o s e dao p t i m u md e s i g nm e t h o d i i 摘要 o fc o m m e r c i a lg a ss t o r a g ew a t e rh e a t e r , t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n d t a r g e tf u n c t i o no fo v e r a l lw a t e rh e a t e r ，i n t e r n a ls i d eo fh e a r t ha n ds i n g l e h e a tp i p ei se s t a b l i s h e d t h ea i mo f t h ea r t i c l ei st os t u d yt h ee f f e c to f t h ea p p l i c a t i o no fh e a t p i p et e c h n o l o g yi ng a ss t o r a g ew a t e rh e a t e rs ot h a tt h er e s e a r c ho ft h e o r y c a nb eb e s tu s e di nm a n u f a c t u r e k e y w o r d s ：h e a t p i p e ，g a sw a t e rh e a t e r ，t h e r m a le f f i c i e n c y , o p t i m i z e i i i 主要符号说明 主要符号说明 加热侧热管总传热面积 加热侧每米热管管外总表面积 燃料消耗量 计算燃气量 水得到的i ：j l 燃气放出的太甩 姗损失 支付姗 收益姗 燃烧空气的娴 燃气带入炳 供水炳 迸水炳 热水炉的出水量或循环水量 热管冷凝段长度 热管蒸发段长度 排烟带走娴 排烟焓值 管束最小流通截面积 压力降 燃料低位发热量 k g 俎 m m m 2 p a k j i m 3 o n 昌砌舶 以 以b 目 越 皈 峨 瓯 瓯 t 厶 删凹 主要符号说明 燃料高位发热量 雷诺数 管子中心距 总传热系数 热管光管外径 热、冷侧的摩擦系数 热水炉出水焓 热水炉进水焓 工质的汽化潜热 蒸汽质量流量、液体质量流量、 质量流量 热管管排数 热管总数 热管管壁热阻 污垢熟阻 对数平均温差 平均管壁温度 过量空气系数 液态和气态工质密度 指定状况下热水炉满负荷效率 以高位发热量为基准计算的热效率 热水炉的供热效率 以低位发热量为基准计算的热效率 翅片效率 脯 m m 圭 耋f 耋f 娜 排支一 w v 张 岛 贴 品 以 广 k k 帆 辨 耳 。 勺 敝 i 口 小 玎 砂 主要符号说明 仃 5 | 6 。 工质液体表面张力 翅片厚度 热管管壁厚度 9 n m m m 北京化工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 殓墨壹日期：2 0 0 6 - 1 0 - 3 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位论文期间论文工作的知识产权单 位属于北京化工大学。学校有权保留向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇 编学位论文。匿夏圃 保密论文注释：本论文属于保密范围，在卫年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：鱼墨薹：日期：2 0 0 6 - 1 0 - 3 导师签名：日期：2 0 0 6 - 1 0 - 3 北京化工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景及意义 由于人类长期以来对自然资源的无节制利用，已经造成了非常严重的能源和 环境危机。保护人类赖以生存的资源与环境己成为当今世界研究最重要的课题之 一，也是世界可持续发展战略的主要内容。 实行能源结构调整，人力发展天然气，用天然气等清洁燃料代替煤炭，是我 国节约能源、保护环境，实现可持续发展战略目标所采取的重要措施之一，同时 也是北京，上海等大中城市目前以及未来环保和节能的蕈墨课题之一。因而，当 前急需开展高效利用天然气的新技术、薪设备的研究和开发工作。 长期以来在能源的生产和消费中煤的比例占7 0 以上如北京采暖期s o ： 浓度从非采暖期的3 0 4 0 t t g m 3 ，猛增全标准的1 3 5 倍，总悬浮颗粒物2 ，3 来源 于煤炭产生的烟尘【l l 。 世界许多大城市的经验表明，改善大气污染状况的根术途径是改善燃料结 构。燃烧天然气不排放s 0 2 ；氮氧化合物排放量比燃煤减少4 5 ，比燃油减少 6 3 ；c o 捧放量比燃煤减少5 2 ，比燃油减少2 6 。其次，天然气在供热采暖 时具有明显的节能效益。能源生产、消费方式对设备耗能和能效有很大的影响， 如大、中型燃煤锅炉房，平均运行热效率约为7 5 ；电厂热效率约为3 3 ，供 热效率约为8 3 7 ，能源转换总效率约为3 s ；燃天然气锅炉熟效率一般约为 8 5 以t 国。 为了彻底整治环境，减少温室气体排放，我国政府正在规划改变以煤为主的 能源结构。到2 0 3 0 年，我国能源结构中煤炭比重将下降6 0 左右，石油比重基 本维持不变，而天然气比重将提高8 左右。因此，到2 0 3 0 年我国的能源消费中， 煤直接燃烧的比例实际将下降到4 0 6 5 ，两天然气和代用天然气( 煤气甲烷化) 的比重将上升到2 2 3 5 。 由此可见，采用天然气等清洁燃料部分取代煤碳将是必然趋势【2 】。例如为营 造首都蓝天，北京市政府投入大量的财力对北京市燃煤锅炉实施“煤改气工程。 截止到2 0 0 0 年北京市燃气供暖面积己经达到6 0 0 0 万平方米，2 0 0 2 年燃气供暖 第一章绪论 面积达到l 亿平方米随着西气东输工程的实施，天然气锅炉在我国大中城市必 将占据越来越大的市场份额【3 一。 商用燃气容积热水( 器) 锅炉( 以下简称商用炉) ，在商业场合中有着广泛 的用途。主要用于满足宾馆、饭店、办公楼、公寓等商业用途的生活热水及采暖 需求，同时商用炉也适用于别墅、度假村、旅游开发区等对环境要求相对较高的 场所 商用炉最初的定义来源于美国，是介于家用热水器及工业锅炉之间的产品， 其主要区分参数为热负荷、温度、及压力。根据a n s iz 2 1 中第1 0 3 规定，它 的致定负荷应大于7 50 0 0 b t l l j h r ( 2 19 s o y , 9 ，小于1 25 0 00 0 0b t u 36 6 33 8 9 w ) 。 其最高温度为2 0 0 f 。( 9 3 5 ) 而高温极限是2 1 0 f 。( 9 9 ) 水箱应通过两倍于 热水妒的工作压力，但不小于3 0 0 p s i ( 2 o t m p a ) 的水压试验川。 在许多家用热水器无法满足供应的场合，而工业锅炉的安装及负荷又远远超 出额定负荷的时候，使用商用炉就能很好地解决了供热问题。另外，由于可对它 们进行组合使用，模块化的设计安装自由度较大，并可以调峰使用，所以在国内 逐渐也取得了广泛的应用。例如北京贵宾楼饭店、建国饭店、莫泰1 6 8 、如家、 碧水庄园、肯德基、家乐福等商业场所。 对于使用商用炉的场所，无疑要求其能为业主直接或间接创造价值。所以， 使用安全可靠、运行费用低、节省能源及人工等这几项指标，是不同品牌商用炉 竞争的根本。尤其在酒店，包括热水采暖发空调等为主的能耗指标( g u p ) 。是作为 其赢剩能力的重要数据。据行家分析，能源使用费用必须低于营业额的1 0 ，船 g u p 值低予l o ，才能保证酒店有盈利空问。所以，降低热损失、提高热水器 热效率、提高热水嚣的能效标准，是制造厂家、行业协会及国家及社会的共同责 任和目标。 目前商崩热水炉的排烟温度一般在1 3 0 以上，蒸汽锚炉在2 0 0 以上，有 对甚至高达3 0 0 ，而效率却只有8 0 左右，这样浪费了大量的能源。所以降低 锅炉捧烟温度对于提高天然气锅炉效率和降低运行费用是非常重要的。 根据水蒸气分压力可以知道，天然气热水炉排烟的露点温度一般在5 5 6 0 ，进一步降低排烟温度，是提高天然气热水炉热效率的非常有效的途径。这 样梅可以大捂度的降低燃气的消耗量。为链滚的节约创造有利条件。 2 北京化工大学硕士学位论文 1 2 燃气热水器( 炉) 概况 l 工l 燃气热水署( 妒) 简介 从世界上第一台燃气热水器( 原理性样机) 诞生至今，已超过1 0 0 年。但燃 气热水器技术的发展主要是在一次世界大战之后5 0 多年的时间完成的。早期的 热水器普遍采用简单的扩散式燃烧器。在热水器类型上也很简单，只有直排和烟 道型。剑，钧年代以后，强排、平衡式热水器才出现。8 0 年代时，甘本开始出 现了恒温式热水嚣。到了9 0 年代，强化燃烧技术得到很快的发展，在燃气热水 器上也开始应用强化燃烧技术，出现了大容量、低污染的热水器。燃气热水器的 种类也大大增加。从单一的供热水型热水器到热水为主、取暖为辅的两用型热水 器。在功能上也大大增强。出现了微电窿隆制等新型热水器。 燃气热水器在我国发展的伪史小长，起步较晚。5 0 年代在少数儿所大学和 煤气公司有一些国外燃气热水器样机作为教学示范和参观用。6 0 年代初期，北 京市煤气用具厂研制生产了我围第一代燃气热水器，当时与国外产品差距不算 大1 9 6 6 年以后的十年，我国燃气热水器的生产处于完全停顿状态。改革开放 以后。我国燃气事业又开始迅猛发展，北京市煤气用具厂等单位很快研制出了新 一代燃气热水器1 9 8 0 年，北京市煤气用具厂研制的根据单位时间的水流量 ( u m i n ) 来确定型号的快速燃气热水器，在国内率先成为经过建设部鉴定的产 品。此后不久，南京、成都、重庆、芜湖、沈阳等地也开始生产燃气热水器。1 9 8 4 年以看，国家经委、建设部、轻工部加强了对燃气热水器生产的领导和管理，使 燃气热水器生产稳步发展。1 9 8 6 年在国家标准局的主持下，制定颁布了我国第 一个燃气热水器技术标准g b 6 9 3 2 8 6 家用燃气快速式热水器大大推动和促进 了燃气热水器生产的发展。短短几年内，生产厂家发展到几十个，不少厂家从国 外引进先进技术，年生产能力超过十几万台的厂家在十个以上。但这一阶段的燃 气热水器以实现简单功能为目的，代表类型是用单位时间，温升为2 5 c 的水流量 来定义该型号的燃气热水器。( 如8 l 热水器，即8 u m i n 的热水生产能力) 。9 0 年 代以后，我国燃气热水器的生产从单一晶向多品种过渡，生产工艺、技术水平、 产品质量正在接近国际先进水平。这一阶段的燃气热水器以完善使用特性为目 的目前已经进入稳步发展阶段。据有关部门统计表明，目前全国热水器厂家有 第一章绪论 1 6 0 多家，年产量达5 0 0 多万台，产品规格有4 、5 、6 、6 5 、8 、1 0 i , m i n 等， 我国城镇居民每百户拥有燃气热水器已经超过4 0 台。相信在我国能源构成的大 变革中随着“十五”期间天然气应用的推广，燃气热水器的普及率会有更大的提 高燃气热水器按加热方式分为快速式和容积式曲大类。我国和日本等国大多使 用快速式。而欧美一些国家，特别是美国则以容积式为主随着我国住房面积的 扩大，预计容积式热水器也会在我国拥有一定的市场【3 1 。 目前，燃气热水器存在的主要问题 9 1 ： 1 ) 安全问题前些年安全闯题是燃气热水器发展的主要问题。近两年由于 强制捧气式燃气热水器的出现，安全问题得到了较好的解决。但是，应该看到， 强制捧气式燃气热水器的安全性还没有充分地被广大消费者所认识；安装仍存在 砻住房条件不配套等闯题：个别品牌燃气热水器在气密姓指标、c o 排放量、n o x 捧放量和其它安全保护功能方面均存在着安全隐患。 2 ) 燃气热水器技术含量不高。目前的燃气热水器除少数高档品牌外，大部 分属于技术含量小高的传统技术产晶。由于技术含量个高，行业集中度小够，导 致燃气热水器的技术进步受到很大的阻碍。 3 ) 同围外先进水平相比尚有差距。主要体现在应用新技术、环保节能、控 制技术及关键的零部件制造方面。 4 ) 技术标准的先进性有待提高，尤其是关系到环保和人身安全的n o x 排放 指标目前尚未列入标准的限制范围。 燃气热水器的发展趋势是： 1 ) 大容量、多功能 以前人们赡买热水器，目的是为了淋浴。然而，随着人们生活水平的不断提 高，人们对热水的需求量越来越多，不仅淋浴用，而且还要洗刷锾具、洗菜，在 有些地方甚全还要取暖由于快速热水器具有熟效率高、使用方便快速等优点， 因而使用快速热水器提供这些热水和热源具有明显的优越性。故兼有淋浴、洗刷、 取暖于一体的多功能家用快速燃气热水器必将越来越受到人们的青睐。目前，日 本、法国、德国等生产的热水器多数具有这种特点。在国际上，德国大量生产的 是s 1 0 、1 3 l r a i n 的家用热水器( 如v a i l l a n t 威能牌) ；法国f r i s q i m t 公司生 产煎热水器为9 、1 1 、1 3 、1 5 、1 9 、2 1l r a i n ，在国内也有很多厂家生产，8 井 北京化工大学硕士学位论文 及大于8 升的热水器，颇受用户欢迎l 埘 2 ) 强化燃烧和强化传热 目前家用燃气快速热水器多采用大气式燃烧器，它与扩散式燃烧器相比具有 强化燃烧、火焰短、火焰温度高、燃烧完全等优点。但是当热水器向大容量发展 时，若仍采用大气式燃烧器，则热水器燃烧室就显得过于庞大，阻碍了其向大容 量发展。近年来，日木在向大容量热水器迈进时，采用了鼓风式燃烧器，大大强 化了燃烧，明显缩小了热水器的体积。如日本g a s t a r 有限公司生产的 o u r b - 1 6 0 0 2 2 型1 0 l r a i n 快速燃气热水器的外型尺寸为高5 9 0 x 宽3 5 0 x 厚 1 0 0 m m ，体积 掰显小于国内生产的快速热水器。强化燃烧还能降低烟气中c o 及 n o x 的含量。另一方面，强化传热在缩小热水器体积方面起着举足轻重的作用。 燃气热水器8 d 左右的热量是靠翅片换熟器进行热量交换的。故随着热水器容量 的增大，翅片换熟器的体积亦越来越大，因而采用高传热系数的强化翅片换熟器 是热水器发展的一大趋势i h 】 3 ) 新技术、新材料在燃气热水器的应用 进一步促进微电子技术在燃气热水器上的应用，开发出多种具有自动恒温等 多功能的燃气热水器并积极探讨燃气热水器智能化和信息化的发展道路。研制开 发应用新材料的产品，促进材料技术在燃气热水嚣的广泛应用。积极开发技术含 量高的燃气热水器关键零部件，例如：微电子应用技术中的单片机开发、自动恒 温燃气热水嚣的电控比例阔、燃气空气比例调节阍等。 1 2 2 容积式嬷气热水器的特性 舳年代初直排式燃气热水器，出水量只有4l m i n 和5l m i n 。目前已有烟道 式的平衡式、自然排气和强捧式，户外型热水器也开始研制生产，出水量为4 5 l r a i n ，目前已达1 6 l r a i n 。经过2 0 年的发展，燃气热水器以其方便快速的优点 已拥有广大用户在国外，除了快速热水器以外，容积式热水器也占有很大的比 例，在我国出于生活水平和生活习惯所限，一直没有铰大的发展。自9 , 9 0 年代 中期，南京和成都等地从国外引进容积式燃气热水器的生产线，其使用才真正开 始i 埘同时，燃气容积式热水器的国家标准g b l 8 1 1 1 - 2 0 0 0 ( 以下简称标准) 也已铜订下囱就容积式燃气热水器的特性作一探讨。 第一章绪论 1 2 2 1 窖积式燃气热水罱的分类【1 3 j ( 1 ) 按结构可分为封闭式和敞开式热水器两类。所谓封闭式是指热水器的捅体 与自来水直接相通，没有设置与大气相通的孔，热水器除直接承受自来水的压力 外，还承受当水被加热时膨胀而产生的出力，也就是说该类型的熟水器璺承受较 大的水压，所以标准中要求热水器能承受2 m p a 以上的压力试验【1 4 1 。而敞开 式是指热水器的桶体，设有永久性通往大气的孔，一般是高位水箱，这样不管怎 样，热水器的桶体只承受高位水箱的高度所产生的水压。 ( 2 ) 按燃气的种类可分为：液化石油气，天然气和人工煤气3 种。 ( 3 ) 按使用功能可分为：热水型、采暖型发热水采暖两用型3 种。目前热水型 居多，两用型也有，单独的采暖型主要是敞开式的热水器 ( 4 ) 按安装位置可分为室内型和室辨型两种。目前以室内型居多，因为相对结 构简单，不用专门防冻，而室外型很少。 ( 5 ) 按给捧气方式可分为：自然排气和强制给排气两大类。两大类中又分别有 烟道式和平衡式之分，这与快速热水器分法相当。 1 2 2 ：2 容积式热水器的特点 容积式热水器在欧美使用广泛，而在日木却以快速式为主。我国采用什么榉 的热水器为好，首先要将容积式热水器与快速热水器进行比较。容积式热水器有 以下优点嗍： ( 1 ) 容积式热水器的熟负荷( 热负荷：指热水炉在单位时间输出的热量，单位 为k 髓l h f ) 较小，并且，容积大，储水量就大。储存的热能就高，在满足同样熟 负荷需求的前提下，热水炉的热负荷就可以降低，单位时问的燃气量就可以减小 因此，采用容积式热水器可以降低燃气管道的高峰负荷和燃气表的流量，提高燃 气供应压力的稳定性 ( 2 ) 可一机多点使用热水，由于容积式热水器的容积储存r 一定的熟水量，在 短时闻内可以大流量的供应热水。而不像快速热水器固定的每分钟几升热水，实 现了家庭的供热中心，如图1 1 所示。 ( 3 ) 可以省去快速热水器的水气联动阀，热水阻力减小不受或者少受低水压 的影响，快速热水器一般在水压0 0 3m p a 以上才能正常工作，而容积式热水器 只璺能将水箱充满就可以使用。同时也可以适应卜斋安水象的自然循环采暖系 6 北京化工大学硕士学位论文 统水气联动阀是快速热水器出现故障最多的部件之一，经常会因此而产生不能 起动，或关水后不能及时关闭气阀而导致干烧，造成机器损坏和人员的烧伤，面 容积式热水器壳魇了这一缺点。 多头供热水 缝奇恼温 大流翠输如 图1 1 家庭中央侠热水系统示意图 ( 4 ) 控制系统简单，运行可靠，故障率低。没有像快速热水器那样的复杂控制， 一般来讲只要有温控器控制水温，就可以安全运行。在国外很多家庭根本不去管 理。 ( 5 ) 它没有像快速热水器的间隔很小的传热翅片，不会造成排烟系统因积炭或 其它堵塞情况导致燃烧状态恶化。 ( 6 ) 烟管的另一面为永，因此不易过热，不会形成干烧。 ( 7 ) 一机双功能，既供热水又可供暖 ( 8 ) 由于控制系统较简单，没有水气联动阎，故障率低，使用寿命会大大提高。 容积式热水嚣与快速热水器相比，缺点为： ( 1 ) 同样热负荷条件下，体积较大，用料较多。 ( 2 ) 开始工作时或当热水用完时，需要预热一定的时间。 ( 3 ) 热和用率低。一般容积式热水器的热效率比快速热水器要低5 左右( 测 试方法不同，不好比较) ，主要是由于容积式热水器连续运行，其储水桶的散热 降低了热利用率 ( 4 ) 由于有较大的储水容积，重量较大，一般只能安装在地面上，占取了有用 的面积。 ( 5 ) 当用水量超过热水器的容量时，不能连续供应热水，且热水的温度会逐渐 降低，所以要保证有稳定的热水，在选用容积式热水器对要选用容量足够的型号， 从而保证热水的稳定供应。 7 第一鼋绪论 1 2 2 3 容积式热水器必备的安全功能【1 6 1 ( 1 ) ：隐火保护。当热东器燃烧器意外媳火时可自动关断燃气； ( 2 ) 热水温控器。当热水温度达到设定值时自动开机或关机，以保证热水器容 器里的水溢保持在一定的范围内。 ( 3 ) 封闭式热水器必须设置压力安全阀和超温安全阀。 ( 4 ) 使用市电对也要符合电气安全的相应要求。 ( 5 ) 对于烟道堵塞情况的要求。由于容积式热水器是长期运行的，不能因短时 的风压干扰而停机，为保证容积式热水连续运行，对于自然排气热水器，烟气中 的一氧化碳应小于0 0 4 并尢熄火、刨火及其它异常现象。强制排气的热水器， 当热水器烟道逐步堵塞时。烟气中的一氧化碳应小于o 0 4 或自动切断气源，切 断气源对豹烟道内的压力应大予5 0 p a ，并且再次打开时热水器重新点火，不褥 出现爆燃现象。 有了以上的基本要求，容积式热水器的安全问题就基本得以解决。 1 3 商用容积式热水器热效率的提高 商用燃气热水器一般足多烟管结构，烟气和水的换热主要通过水箱底板和烟 管来完成，由于燃烧产生烟气的温度较高，一般在1 4 0 0 ( 2 以上，所以在烟管的 底端存在很高的温差，这样势必造成较大的传热姗损失；排烟温度也都在1 3 0 ( 2 以上，也造成，很大盼排熘熟损，所以对商用燃气热水器的强化传热有着很重要 的意义。 为了提高热效率，需要从以下两个方面考虑： ( 1 ) 增加换热面积。由于容积式热水器一般为烟管式结构，有单烟管也有多烟 管，其换热是靠容器底部和中部的烟管，换热效果不好，热效率较低，可在烟管 内加扰流板，改变烟气流动的方向及路程，从而达剑提高换热效果。 ( 2 ) 适当控制热水器燃烧室的进风量。进风量过大会使一部分热量被多余的空 气带走，降低了热效率，由于容积式热水器的热负荷一般是稳定的，所以控制进 风量是可行的，也是较容易的。 ( 3 ) 降低维持热负荷。容积式热水器有一个特点，为了使容器中的热水温度穆 定在设定值时即使小使用熟水，也需要一定的热量来保证。根据标准规定， 北京化工大学硕士学位论文 热水器维持热负荷应小于下列公式计算值： m ：0 4 2 4 - 0 0 2 v g + 0 0 0 6 r 式中：材维持热负荷( 枷m ) y 热水器额定容量( l ) ； r 额定热负荷( m j h ) 。 为了提高热效率就需要降低维持热负荷，在结构上考虑，为提高热水容器的 保温性能，一般采用整体发泡的容器，来提高保温性能；而对于一些较大型的热 水器在摊烟出口或空气进口设一档板，当热水器停止运行，处于保温状态时，挡 板关闭。降低了烟道的热损失 1 4 本文的主要工作 本文根据传统商用容积式燃气热水炉的结构特点，将热管应用于热水炉，设 计出新型的以热管技术为基础的容积式燃气热水炉，并对该设计进行热力学分析 及校核 t 、查阅裙关资料，了解国内外燃气热水炉的研究现状，了解燃烧理论知识， 为热管式燃气热水炉的设计打下基础。 2 、对熟管技术的原理及特点进行介绍，分析其应用于容积式燃气热水炉中 的可行性 3 、以传热学的原理对热管式燃气热水妒进行熟力计算，为设计提供数据支 持，并对其进行各种传热檄限的校核。 4 、对本文所设计的热管式燃气热水炉进行热力学分析，描述其产生的效益， 为将来的设计生产提供基本依据。 5 、初步探索热管式商用燃气热水炉的优化方法，提出热管式商用燃气热水 炉优化设计的数学模型和目标函数，为进一步的工作作一些准备。 第二章热管的现状及其应用于燃气热水嚣的前景 第二章热管的现状及其应用于燃气热水器的前景 2 1 热管技术的起源与发展【1 刀 热管的原理首先是由美国俄亥俄州通用发动机公司( t h eg e n e r a lm o l o r s c o r p o r a t i o n ，o 垴o ，u s a ) 的r s c j a u g l e r 于1 9 4 4 年在美国专利( n o ，2 3 0 3 4 8 ) 中提出的。他当对正在研究冷冻的闯题，他设想一装置由密封的管子组成，在管 内液体吸热蒸发后于该下方的某一位置放热冷凝，在无任何外加动力的前提下， 冷凝液体借助管内的毛细吸液芯所产生的毛细力回到上方继续蒸发，如此循环。 达纠热量从一处传鲥另一处的甘的。r s g a u g l e r 提出的一种制冷装置如图2 1 所示，用热管把制冷器的热量从制冷器传到下部装有碎冰的容器内，为了改进热 管向冰块传热，采用了外带勋片的管状蒸汽室，热管就装在它的内部。在他提出 的管芯结构的3 种设计中尤其值得注意的是，蒸汽的通道只占热管横截面的一小 部分由于通用发动机公司采用当时普遍应用的其他方法来解决这个特殊的问 题，所以r s g a l l g l e r 所提出的熟管研制工作还依然停留在专利阶段。 一热管 一外壳 绝热层 图2 - 1r ，sg a u g t e r 提出的制冷装置图 1 9 6 3 年美国l o sa l a m o s 国家实验室的g m g r o v e r 重新独立发明了类似于 r s c r a 3 l g l e l 发明的传热元件，并进行了性能测试实验，后来又在美国的应用 物理杂志上公开发表了一篇论文，并正式将这一传热元件命名为热管 h e a t 北京化工大学硕士学位论文 p i p e 指出它的导热率远远超出任何一种已知的金属，给出了以钠为液体工质， 不锈钢为壳俸，内部装有丝网吸液芯的热管的实验结果，热管这才为人们所知。 1 9 6 5 年c o t t e r 首次提出了完整的热管理论，为以后的热管原理的研究工作奠定 了基础。1 9 6 7 年不锈钢水熟管首次被送入地球卫星轨道并运行成功，从此吸引 了很多科学技术人员从事热管的研究，德国、意大利、荷兰、英国、前苏联、法 国，以及日本等国均展开了大量的研究工作，使热管技术得以迅速发展。 从热管的发明到热管的应用普及经历相当长的一段时间，在这里按照时间和 熟管技术发展应用的不同阶段把它分成以下两个阶段【l 珂：在第一阶段里( 1 9 6 9 年以前) ，热管的应用还是主要集中在宇航上和研究所的实验研究阶段。第二阶 段1 9 7 0 年之后) ，热管的应用已扩大纠工业领域，并在节约能源和新能源升发 研究方面褥到了充分的重视，由热管做成的换热器来回收废热，并将其应用于工 业以节约能源。 2 2 热管的组成与基本特性 普通热管由管壳、吸液芯和端盖组成，在将管内抽成1 3 ( 1 0 - 3 1 0 4 ) p a 的负压后充以适量的液体工质，使紧贴管壁的多孔毛细材料一吸液芯中充满液 体工质后密封。如图2 - 2 所示：热管沿轴向分为；蒸发段( 加热段) 、冷凝段( 冷 却段) 、绝热段。 熟管工作对，热管的一端加热，热管内部吸液芯中的液体工质汽化，蒸汽在 qq 。：二：二= d a m - 二二 ，一。 - ：t i t t i | i ； ；f ；l 图2 - 2 热管工作原理示意图 n 热管管壳 吸液芯 第二章热管的现状及其应用于燃气热水墨的前景 微小压力的作用下流向冷凝段，在冷凝段放出热量冷却后又重新变成液体，液体 再沿着吸液芯依靠毛细力作用返回到蒸发段，如此实现整个传热传质循环。 热管在实现整个传热传质过程中包含了以下六个相互关联的部分： ( 1 ) 熟量从熟振通过熟管管壁和充满液体工质的吸液芯传递剑汽液分界囱； ( 2 ) 液体在蒸发段内的汽液分界面上蒸发； ( 3 ) 蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段； ( 4 ) 蒸汽在冷凝段的汽液分界面上凝结： ( 5 ) 热量从汽液分界面通过吸液芯、工作液体和管壁传给冷源； ( 6 ) 在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的液体工质回流垒n 蒸发段。 图2 - 3 表示了热管管内汽液交界面形状、蒸汽质量流量m 压力p 以及管壁 温度l 和管内蒸汽温度沿管长的变化趋势，沿着整个热管长度，汽液交界处 的汽相与液相之间的静压差都与该处的局部毛细压差平衡。毛细压头北能克服 冷凝液从冷凝段流回到蒸发段的压力降鸹、蒸汽从蒸发段流向冷凝段的压降 皱、以及重力场对流动液体引起的压降，即有以下不等式成立 垭：饵+ 铍+ 心，两端液体的中立压差4 名视熟管方位而定，可为正值或 负值这是热管能够正常工作的必要条件【1 9 捌。 热管是依靠自身内部液体工质的相变来实现传热的元件，具有以下基本特性： ( 1 ) 很高的导热性 热管内部主要依靠液体工质的汽、液相交传热，热阻很小，因此具有很高的 导热能力与银、铜、铝等金属相比，单位重量的熟管可多传递多达几个数量级 别的热量。当然，熟管的高导热性也是相对而言的，总是存在着温差，热管的导 热不可能违反热力学第二定律，并且热管的传热受到热管内部一些因素的影响， 存在着一些传熟极限。 ( 2 ) 优良的等温性 热管内腔的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽的压力取决于饱和温度，饱和蒸汽 从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的克拉伯龙方程可知热管 的温降也很小。因此热管具有优良的等温性 c 3 ) 热流密度可变性 北京化工大学硕士学位论文 热管可以通过改变蒸发段加热面积或者冷凝段的冷却面积，即以较小的加热 t 蒸发葭r 绝磊一一冷曩段_ m ； 。j 二p c 1 图2 - 3 热管管内汽液交界面质量流量、 压力和温度滑管长的变化示意图 面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者以较大的加热面积输入热量， 较小的冷却面积输出热量，实现热流密度的可变性f 2 ”。 ( 4 ) 热流方向的可逆性 由于热管的内部循环基本动力是吸液芯的毛细力，因此即使水平放置，也不 会由于重力等因素的影响而无法传热。它的任意一端都可以作为蒸发段加热，也 可以作为冷凝段放热。 ( 5 ) 环境豹适应性 第二章热管的现状及其应用于燃气热水器的前景 热臂的形状可以随着热源和冷源的条件而变化，热管可以做成电机的转轴、 燃气轮机的时片、钻头、手术刀的传热元件等等，热管也可以做成分离式以适应 长距离或者冷热流体不能混合的情况下使用 2 3 热管技术原理 2 3 1c o t t e r 理论 c 删吼理论的基本内容如下创： ( 1 ) 根据静力平衡条件得出最大毛细压差与热管最大长度的关系； ( 2 ) 根据质量守恒定律、连续性方程及h a g e n - p o i s e u i u e 方程导出流体压降 的微分方程式； ( 3 ) 利用前人的研究成果，确定热管内蒸汽流动压降的微分方程式： ( 4 ) 根据气体分子动力理论建立汽液交界面上质量传递的关系式； ( 5 ) 根据能量守恒定律，建立热流量与质量流量之间的关系式； ( 6 ) 给出特定条件下( 均匀加入热量和均匀输出热量) 微分方程解； ( 7 ) 提出最佳热管毛细吸液芯尺寸。 c o t t e r 理论所对应的方程如下； ( 1 ) 吸液芯弯月曲面两侧压差与毛细压力的关系： “- p j ：2 c r c 0 5 口( 2 - 1 ) 式( 2 - 1 ) 中n 力一a ( 力为沿熟管轴向任何一位置处弯月面两边的压差，d 是液体工质在接触表面上的表面张力，口是液体工质与吸液芯的接触角，是吸 液芯毛细孔半径。 ( 2 ) 液体在吸液芯内的流动压降： 鲁= 盼咖妒一雨b 丽l a l m , ( x ) ( 2 _ 2 ) 式( 2 - 2 ) 中的左边是液体在吸液芯内的流动压降表达式，岛是液体工质的 密度，g 是重力加速度，是熟管与水平方向的颈角，b 是与液体雷诺数及阻力 北京化工大学硕士学位论文 系数，；有关的无因次数，与，分别为吸液芯气相与液相的边界a 是吸液芯 的有效毛细水力半径。 ( 3 ) 蒸汽流动压降： 誓= 一等n + 沁一2 朵0 r e 2 + - 。，i r e 拇 c 2 。， 车：一1 0 0 6 5 5 # ；r e i 7 ，r e ，。d ，r e ， 1 0 0 0 ( 2 - 4 ) d x p ，： 上面式( 2 - 3 ) 、( 2 - 4 ) 的蒸汽压降中，c o t t e r 均没有考虑动压变化所引起的 影响。其中r e 是蒸汽在热管蒸发段轴向流动时的雷诺数，黜，是径向流动时的 雷诺数 ( 4 ) 汽液交界面上压差与流体质量流量之间的关系 一d m , ：! 堕：竺：量：蜓旦兰! d xd r f 民r 1 2 r i m ( 2 5 ) 上式中( 艮一p 。) 为交界面两边的压差，r 为通用气体常数，巩g ) 为蒸汽轴向 热流量与质量流量之间的关系： qg)=k佩(2-6) 上式中k 为液体工质的汽化潜热跏，g ) 为蒸汽的质量流量。 ( 6 ) 单位长度上热流量的表达式： 掣= 胃功 沼7 ， 乙= 乙k ) ( 2 8 ) ( 7 ) 热管管壁温度与汽液交界面处温度的关系： l = 。+ 譬 ( 2 - 9 ) 目= 日k 乙，q ) ( 2 - 1 0 ) 七是把管壁和吸液芯看成复合材料后，该种复合材料的导热率 2 3 2 热警的传热极限 第二章熟管的现状及其应用于燃气热水器的前景 熟管的传热能力虽然强，但是也不是能无限的加大热负荷。事实卜有很多圉 冷凝极限 一沸腾饭隈 1 一连续漉动强硪 i ，一一，一一 工作温度 t 图“热管的传热极限 素配制热管的工作能力，因此热管传热存在一系列的传热极限，限制热管传热的 物理因素有：毛细力、声速、携带、沸腾、冷冻启动、连续蒸汽、蒸汽压力及冷 凝等，这些传熟极限与热管尺寸、形状、工作介质、吸液芯的结构，工作温度有 关，热管的各种传热极限是由该热管在莱工作温度下各种传热极限的最小值决定 的如果以热管的工作温度为分析依据，就可以得到如图2 4 所示的热管的最大 传热极限 i t t 嘲。 1 ) 连续流动极限： 对小热管，知微型熟管，以及工作温度很低的热管，热管管内的蒸汽流动可 能处于自由分子或稀薄、真空状态，在这种情况下，由于不能获得连续的蒸汽流， 热管的传热能力将受到限制 2 ) 冷冻启动极限： 在从冷冻状态启动过程中，蒸发段来的蒸汽可能在绝热段或者冷凝段再次冷 冻，这将耗尽蒸发段来的工作介质，导致蒸发段干涸，热管无法正常启动。 3 ) 黏性极限： q!。i。荑侉捌到 北京化工大学硕士学位论文 由于黏性力的作用，蒸汽的压力在热管段的压力降为零，如液态金属管，在 这种条件下热管的传热将受到限制。当热管的工作湿度低于正常工作温度范围时 将遇到这种限制，所以它又被称为蒸汽压力极限。 4 ) 声速极限： 热管管内蒸汽流动，由于惯性力的作用，在蒸发段出口处蒸汽速度达到声速 或者超声速，从而出现阻塞现象，这对韵最大传热量被称为声速极限。 5 ) 携带极限； 当热管中的蒸汽速度不够高时，汽液交界面存在的剪切力可能将吸液芯表 囱液体撕裂，并且将其带入蒸汽流。这种现象减少厂冷凝i 里j 流液，限制j ，热管的 传熟能力。 6 毛细极限： 热管中工作介质的循环依靠毛细吸液芯结构与工作液体产生的毛细压头维 持，由于毛细结构所提供的压头是有限的这将使热管的最大传热量受到限制， 这种限制通常被称为毛细极限或流体动力极限。 7 ) 冷凝极限： 热管最大传热能力也受到冷凝段冷却能力的限制，例如冷凝段的冷却方式不 同，那么冷凝极限也不同，同时热管内部不凝性气体也会影响到熟管的冷凝极限。 8 ) 沸腾极限： 热管蒸发段的主要传热机理是导熟加蒸发，当热管处于低热流量情况下，热 量一部分通过吸液芯和液体本身传导到汽液分界面上，另一部分则通过自然对 流到达汽液分界面，并形成液体的蒸发。但是如果热流量过大，那么与管壁接 触的液体将逐渐过热，并会