燃氣熱水器的理論熱效率及其分析

1、i煤乳與熱力GAS & HEATV4 27 No, 3Mtir. 2007* 31 *i* 31 *i?燃氣燃燒與應(yīng)用I臂衣盜礎(chǔ)軒富巒礙溶昭普燃氣熱水器的理論熱效率及其分析艾效逸，傅忠誠，詹淑慧，潘樹源，徐 鵬，史永征(北京建兢工程學院.北京100044)摘要：對家用燃氣熱水器的熱平衡及撫效率進行分析口從彩響熱效率的諸因潼入手尸尋皋 提高熱術(shù)器熱效率的途徑。冷凝戎熱水器具有相當丸的節(jié)能港力+降低排煙溫度可有效提高搠水 器対就準。關(guān)鍵詞：燃氣然水器；冷瞬或熱水器；厲效率；理論熱效率；熱平衙中圖分類號：TU996 文獻標識瑪：A文章編號：1000 -4416(2007)03 -0030 -

2、06Theoretical Thermal Efficiency of Gas Water Heater and AnalysisAl Xiao-yi r FU Zhong-cheng, ZHAN Shu-hui t PAN Shu-yuanTXU Peng, SHI Yong-zheng(fjisliiuie of Civil Engineering and Archiiecture, Beifing 1000441 China)Abstract: The thermal balance and thermal efficiency of domestic gas water heater

3、are analyzedr The ways to enhance the thernia efficiency of gas waler heater are searched by starting with the various factors affecting the thermal efficiency. rHie condensing water heater has a considerable energy-saving po- tentiaJ T and reducing the flue gas ifimperature can effectively enhance

4、the thermal efTiciency of 呂曲 water heater.Key words； gas water healer； condensing waler heater； thermal efficiency; iheorelical thermal efficiency； thermal balance* 31 *i* 31 *i節(jié)約能源是我國投展經(jīng)濟的戰(zhàn)略任務(wù)據(jù)統(tǒng) 計尸我國建筑能耗約占全國總施耗的如喘左右，而 在建筑能耗屮，供曖和空調(diào)制冷能耗約占邸尿左 右。與國外相比，我國的鏈筑能耗比先進國家高岀 倍。因此*如何減少處筑能耗和提高用熱設(shè)備 的熱效率已成為節(jié)約陡源的覓要內(nèi)

5、容+已成為備受 關(guān)注的問題口叫隨著燃氣熱水器在建筑供曖和供?；顭崴矫?的應(yīng)用提爲熱水器的熱效率已成為降低建筑能耗 的電要內(nèi)容“本文將從理論分析人手，探討熱水器 的理論熱效率及其影響兇索，以尋求提高熱水器熱 效率的途徑*從而達到節(jié)能和減排N反與£0的冃 的口1燃毛熱水器的熱平窗熱水器熱平衡關(guān)系應(yīng)滿足輸人總熱量0與輸 出總熱壇認相等，即：a 7(1)Q嚴&心J(2)<?=?- + + 0V.= 0“ + 5(4)4 = 0和+ 0詁(5)Q“h =叫Qh(6)J.l - V$Qi(7)Q* =嚀沐直7 JQf = Qti + QsQu =Op4“F 7)(10)waler

6、gasheaL com艾效還*尋：燃氣裁水器的理論熱效率及其分折5 = %乙(12) 匕產(chǎn)) Q“二燈皿(14)Qci = KrF,(G(Qft2 = pw,frf(16)=+Pw.e +Pr(17)式中水器輸人總熱it,kJ水器輸出總熱吊+訂Q*燒空氣帶人熱.kJ匕一燃氣帶入熱kJQ詼一氣化學熱就J,當按燃氣高熱值計 算時用(V*表示，當按燃氣低熱值 計算時用仇.“表示Q*被加熱水掘得的有效熱量,kJQ、煙氣帶出熱,kJQ設(shè)備數(shù)熱損失,kJQatQ.Qu燃燒空氣、燃氣、煙氣顯 熱山JQz 4討燒空氣、燃氣、煙氣中水 蒸氣的潛熱,kJV.、人、叫一燒空氣、燃代、煙氣的體積, m3Qh氣底熱值t

7、 kJ/m1氣低熱 M.kJ/m3mw被加熱水的質(zhì)量,kgCp,、被加熱水的比定壓熱容,U/( kgK)£,占被加熱水的進、出水溫度亠引水器對環(huán)境空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W /( m2 * K)4-一熱水器外表面積朮fF一水器外表面溫度，弋tt山占燃燒空氣、燃氣、煙氣溫度代 匚.、嘰、5燃燒空氣、燃氣、煙氣的比足 圧熱容，kj/(n? * K)卩申7燃燒空氣、燃氣中水蒸氣質(zhì)量濃度,k “川幾人山一燒空氣、燃氣、煙氣溫度下水蒸氣的凝結(jié)熱AJ/kgP*1卅燃氣燃燒產(chǎn)牛.的煙氣中水蒸氣 含量* kg/n?a一燒過?？諝庀禂?shù)叫一一I m5燃氣燃燒理論空氣需要量，卅/ m3幾"1卅燃氣燃

8、燒直接生成理論水蒸 氣 itAg/m1根據(jù)上述分析，熱平衡關(guān)系式為：(18)即:(19)0八0+U-QT2熱水器熱效率計葬方法熱效率迢義為水通過熱水器得到的有效熱量與 燃氣化學熱之比，用乃表示。2.1正算法本算法通過測疑燃氣和水的體積及斤潛熱得到 實測熱效率。(20)(21)(22)按高熱矗計算的熱效率：按低熱值計算的熱效率：2.2反算法熱效率通過熱損失計算得出，為理論熱效率減 去各項熱損失率。本算法用于分析和改善熱水器熱 效率。按高熱值計算的熱效率：Q* Qd 認(23)Q - S - 5 -也(24)Qi = %-Qtri -Qz(25)(26)式中Q、水器煙氣的顯熱損失,kJ Q2一水器

9、煙氣中水蒸氣的潛熱損失 按低熱值計算的熱效率：211 ° +0*0匕沖0 叫Ql 由此，可以得出以下關(guān)系式： 按高熱值計算，由顯熱損失引起的熱效率降低值 Ai7h,i :(27)* 31 *維普nttp:/第27甚第3期煤氣與熱力wwwa wateraishfial. cum按低熱值計算，山顯熱損失引起的熱效率降低 值A(chǔ)葉討:Ai?l.i =7-（28）業(yè)阿L按高熱值計算，苗潛熱損失引起的熱效率降低 值注嘰：5、尹善J（29）按低熱ffni算，由潛熱損失引起的熱敘率降低(30)按高熱值計算，由設(shè)備散熱引起的熱效率降低 值血畀:A77T|,3（別）按低熱值計爲1由設(shè)備歆熱引起的熱效凈降

10、低 值:5'心=（亞）Ve.l3理論熱效率理論熱效率為理想條件下的熱效率的理論值。 如果熱水器達到下列理想條件，熱損失為S熱效率 達到理論值。 煙氣出口溫度、空P溫度和燃氣溫度相等* 即F = 過?？諝庀禂?shù)盤二1,空氣需要鍛為理論空 氣需耍最時,煙氣中co2 5為色大。當CH4ffi 燒時，產(chǎn)牛.的CO休積占煙氣總體積的IL7%. 熱水器向周圉散熱損失為0,即,0=九 對冷凝式熱水器，熱水器排出煙氣中燃燒 產(chǎn)牛.的水蒸氣全部瞬結(jié),苴擬結(jié)熱全部為熱水器有 效熱，3.1非冷凝式熱水器的理論熱效率在這種情況下，煙氣中水蒸氣潛熱作為熱損失 計算l按高熱值計算的理論熱效率:(33)對純甲烷燃燒，

11、甲烷低熱值為（?1 = 35 906 kJ/存髙熱值為Qu =39 842 kJ/mS則:按低熱值計算的理論熱效率：0 =100%3,2冷凝式熱水器的理論熱效率煙氣燃燒產(chǎn)生的水蒸氣全部凝結(jié)，凝結(jié)熱全部 轉(zhuǎn)為有效熱。按高熱值計算的理論熱效率乂7 II = 100%按低熱值計算的理論熱效率：純甲烷燃燒時，有：=&906 = 110 96%4冷凝式熱水器節(jié)能分析4.1冷凝式燃氣熱水器節(jié)能原理設(shè)燃氣熱水耦以純CH4夭然氣為燃料。CH4燃燒的化學反應(yīng)式為：CH4 +2O22H2O + CO2冷凝式熱水器的換熱原理是不僅利用顯熱，還 要將煙氣中水蒸氣的潛熱充分回收，其方法愿使煙 氣中水蒸氣在低于煙

12、氣飽和溫度下凝結(jié)，放出潛熱, 將這部分熱£1通過冷瞬換熱器傳給被加熱水從而 有效地利用了煙氣中的水蒸氣潛熱。對干1屛CH#,燃燒產(chǎn)物中水蒸氣凝結(jié)放出潛 熱約為低熱值的11%,非冷凝式熱水器排煙溫度 高，水蒸氣以代態(tài)排出，水蒸氣潛熱未能利用。相比 較可知，冷凝式熱水器的理論熱效率比非冷凝式熱 水器離出約11%.42冷凝水及冷癡放熱計算水蒸氣冷瞬量主要取決于排煙溫度。當燃氣中 水蒸氣含址高于煙氣溫度所對應(yīng)的飽和水蒸吒含議 才會發(fā)生鑫擬*水蒸氣含雖達到煙氣溫度所對 應(yīng)的飽和水蒸氣含雖時凝結(jié)停止o對于純CH.（干燃氣幾燃氣中水蒸氣含量幾# =0 kg/m3o對于純CH*燃燒（干燃氣）J n?

13、燃氣燃焼直接 生成理論水蒸氣666切對于純CH.燃燒（干撚氣）J m5燃吒燃燒所證 空氣帶人的水蒸氣鼠為:幾.以=1.293盤嶺皿“）32維普nttp:/第27甚第3期煤氣與熱力wwwa wateraishfial. cum35 90639 842= 90. 1%(35)32|維普賢訊 nttp:/|第27藝第3期煤氣與熱力www. watrgahrat. com艾述逸，警：燃氣熱氷器的理論熱就準現(xiàn)其分析 34|維普賢訊 nttp:/|第27藝第3期煤氣與熱力www. watrgahrat. com 34|維普賢訊 nttp:/|第27藝第3期煤氣與熱力www. watrgahrat. com

14、式中 幾亠一1兀燃氣燃燒所需空氣帶人的水 藪氣量小曠亦“一撚燒空咒中水蒸氣含電,焰/煽 純甲烷燃燒煙氣屮水蒸社含竜由式(17)可得；p* = 1.666 + i. 29%浪“(36)圖1為煙氣中飽和水蒸氣量與溫度的犬系曲 線可根據(jù)升査得煙氣溫度下前幗和水蒸氣量 m. d o團1不同煙吒溫度下炮和水蒸汽含F(xiàn)ig, 1 Saturated vapor content at different Que gaa temperatured煙氣溫度下,水蒸氣冷凝達到平衡時的水泰氣 量，即為不可冷施雖：Pv.r.d = mrf.hPFO?)式中久*1川燃氣燃燒在煙氣溫度下的不 可冷凝MAg/ni1叭&quo

15、t;一煙氣溫度下的飽和水蒸氣最，kg/ kgPf 1 m3燃氣燃燒所產(chǎn)生的干煙氣雖,k附冷凝式熱水器在排煙謝度心下的冷擬水雖為：P* =Pwpf 一卩訕=1.666 + 1- 293噸叫.- "4低)式中 久 一1 n?燃氣燃燒在排煙溫度下的冷凝 水 ILkg/n?當煙氣溫度葉=20覽時熱水黠總冷凝放熱星 為：Qi =嶺(39)式中Q訃熱水器總、冷凝放熱#,kj 5熱水器的實際熱效率分折5J排煙溫度對熱效率的影響熱水器的實際排煙溫度不可能等于環(huán)境空氣溫 度或回水溫度，因此存在排煙的顯熱及潛熱損失，煙 溫愈高,排煙損火愈大、熱效率愈低O傳統(tǒng)的熱水郡措非冷凝式)為避免水蒸氣凝 結(jié)對換熱器

16、腐蝕，國際標濮規(guī)定排煙溫度應(yīng)大于 110 在此溫度下煙氣屮水蒸氣不會凝結(jié)+排煙 損火包括煙咒的顯熱損失和全部的潛熱擁失，且0 與a均較奇。冷瓏貳熱水器排煙溫度-般在呦兀以下其中 大部分水蒸氣可擬結(jié)下來。煙氣的顯熱損失西潛熱 損失均較低，熱水器熱效率高。5-2過?？諝庀禂?shù)的影響由于撚氣與空氣混合的不均勻性，熱水器在實 際運行中供酣燃饒的空氣星聲大于理論空氣需要 蚩才能實現(xiàn)完余燃燒，因此過?？諝庀禂?shù)«>U由于a煙氣中存在過訊空咒，煙咒中co2 濃度降低-煙氣總址增JJH.tl-ffl同排煙溫度下帶走 的顯熱吐增加，致使排煙熱損失增大。顯然g越 大，排煙熱損失越大，熱水器效率越低。隨

17、著"增大,水蒸氣在煙氣中的含皇降低，即 分壓降低,對應(yīng)的飽和溫度降低，煙氣屮可凝結(jié)的水 蒸氣壘將冇所下降'也將対總熱效率產(chǎn)牛影響。5.3熱水器散熱損失的影響熱水器的散熱損失與熱水器結(jié)構(gòu)形式和設(shè)備衷 面溫度冇關(guān),閃而與排煙溫度有關(guān)°根據(jù)實測資料，熱水器就熱損失為1尿-7%s 以2%較多。本計算中，根據(jù)排煙溫度及表面 溫度計算的散熱損失為1% 7靈。6熱效率計算依據(jù)假設(shè)前提條件:m2!滅然氣為基準氣,即以純 甲烷為計算基礎(chǔ);空氣、燃氣以20弋進入燃燒系統(tǒng), 空氣的相對昭度為100%，燃氣為干燃氣;忽略熱水 器的散熱損失扌在g = 1.0-2. 2旳二20 "0

18、0弋條 件下進行計算口 非冷凝式熱水器的顯熱熱效率損失按低熱值計算的顯熱熱效率損失見圖2O ft熱 熱效率損失隨著“2的增大而呈上升迪第。= 10tte = 110 忙時，A肌為 M 3賺；當 aZ2tt » 200龍時山為】)3% 4 非拎凝式熱水器的潛熱熱效率損失非冷凝式熱水器排煙爲度在100花以上，煙氣 中的水蒸氣全部以氣態(tài)排出，水蒸氣將全部潛熱帶 走,而不能利用。當燃氣按高熱值計尊時，此部分熱量損失為 乞小該值不隨住和耳變化.熱敗率損失為入加.“圖2非冷凝式熱水器的顯熱熱效率損失按低耕值計算)Fig, 2 Semible thecmal etBciency lass of n

19、oji-condenanifwater heater (calculated as net calori&c value) 非冷凝蠱熱水器熱效率 按低熱值計算非拎凝式熱水器熱效率見圖3-圖3非冷凝式熱水器熱效率(按低熱值計算) 于加熱水.因而冷凝式熱水器的排煙溫度必須等于 或低于煙氣中水蒸氣含燉所對應(yīng)的飽利溫度。其 顯熱及潛熱熱效率損失均下降，由于排煙溫度低，故 其熱效率比非冷凝式有較大提高，圖5為冷凝式熱 水器潛熱熱效率損失(按高熱值計算兒(40)圖5冷凝式熱水器的潛熱熱效率損失|按髙熱值計算)Fig. 5 Latent thermal efficiency low of cw

20、87;den&ing waterheater (calculated as gross calorific value)不可冷凝水蒸氣產(chǎn)生的潛熱熱效率損失為：(41) 冷凝式熱水器的熱效率圖6冷凝式辭水器熱效率(按低熱值計算)Fig. 3 Hiermal efiiciency of non-condensing waler heater (calculated as net calorific value) 其中不考慮煙氣中水蒸氣凝結(jié)熱的利用。其理 論熱效率為100號，實際熱效率隨僅山增大而下降。 按高熱值計算的非拎凝式熱水器熱效率見圖 4此圖則反映了未被利用的水蒸氣凝結(jié)熱作為潛 熱損

21、失口皿大的理論熱效率為90,1%,實際熱效率 隨a和“增大而下降，圖4非冷凝式熱水器熱效率按高熱值計算Fig. 4 Themul efficiency of non-iCondenBiiig water heater(caJcixlatedl aa gms calorific value) 冷擬式熱水器潛熱熱效率損失為了使煙久中的水蒸氣凝結(jié)下來，將凝結(jié)熱用Fig. 6 Thermal efficiency of condenfiing water heater(calculated as net calorific value)圖7冷凝式紬水器熱姣率(按高苗值計算)Fig. 7 Thermal

22、 efficiency of conden&ing water beater(calculated as gn»6 calorific value)在計算熱水器的顯熱及潛熱損失后，冷麒式熱 水器的熱效率見圖6、7。www, waterga<%heal. com艾效逸*等：燃氣熱水醫(yī)的理論熱效率及其分析第27卷第3期7熱效率計算結(jié)果7J非冷擬式熱水器 不考慮散熱損失的影響熱效率主要受排煙溫度“與燃燒過程過?？?氣系數(shù)。的影響。如果熱水器在最有利條件g =】(燃燒最佳空 氣供給童)和G = HO 1C(熱水器標準GB 6932規(guī)定 的最低排煙溫度)下運行，則熱水器可能達到的

23、最 有利熱效率為：按高熱值計n,T?(l=86.7%0按低熱值計算皿二張2肌如果以a = 2.2Ttf=200弋為較不利條件，則熱 水器熱效率為：按鬲熱值計算皿二76* 3蚤。按低熱值計算皿二乳7%。 考慮散熱損失的影響熱水器在上述條件下運行，考慮散熱效率損失 為2%5%,則熱效率相應(yīng)為：最有利條件下，考慮約2%的散熱效率損失后. 熱效率為:如=84. 7%l=94.3%o較不利條件下，考慮約5裁散熱效率損失后，熱 效率為：T?11 =71,4% t7?1 =79.7% o7.2冷凝式熱水器 用考慮散熱擁失的影響如果最有利條件為。二1店=21.29兀(燃燒產(chǎn) 生水蒸氣全部冷凝時煙氣屮水蒸氣對應(yīng)

24、的飽和溫 度)+則熱效率為:巧嚴99.9%=110.9%o在熱水器實際運行屮上述運行條件是難以實現(xiàn) 的。如果UZa=2.2jr=43.32 %：(煙氣中水蒸氣開 始冷凝時的幗利溫度)為熱水器的不利條件，則其 熱效率為：=87.3%l=%+8%0 考慮散熱損失的影響熱水器在1：述條件下運行，考慮散熱效率損失 為1% 2%o在最有利條件下，考慮1%熱損失，則 熱效率為:加=98.9%tl?l =109.9%0在較不利條件下，考慮約2%熱損失，則熱效率 為；耐=85* 2% 1 砒=94, 8%fl8結(jié)論對于非冷擬式熱水器”按照低熱值計算的理論 熱效率最大為100%，按高熱值計算的戢大理論熱 效率僅為961%。而對于冷擬式熱水器，按崗熱值 計算的理論熱效率最大為100% ,按低熱值計算的 最大理論熱效率町達到110-%。由此可見，推廣 冷凝式熱水器的節(jié)能空間相當大。從熱水器的熱平衡角度考慮，降低排煙溫度，適 半降低燃燒過?？諝庀禂?shù)，可冇效提髙熱水器熱效 率，苴中排煙溫度對于熱水器的熱效率影響最為顯 著*這也是推廣眇擬式熱水器的關(guān)鍵所在。參考