沈小兵

（康特能源科技（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215000）

容積式燃?xì)鉄崴鲀?nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)安裝實驗分析

沈小兵

（康特能源科技（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215000）

容積式燃?xì)鉄崴鲀?nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)利用水泵進(jìn)行循環(huán)加熱，不同的循環(huán)水進(jìn)出口安裝方式會對水箱內(nèi)的水溫產(chǎn)生不同的影響，如何避免這種溫度變化對用戶使用產(chǎn)生的不適將是本實驗重點研究的方向。

容積式燃?xì)鉄崴鳎谎h(huán)加熱；溫度變化

實際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，對于容積式燃?xì)鉄崴?，不同加熱系統(tǒng)的安裝形式和溫度控制方式，會對使用效果產(chǎn)生較大的差異。本文將通過具體實驗對承壓水箱內(nèi)的水溫進(jìn)行比較和分析，從而獲取最佳的安裝方式和溫度控制形式，同時為類似加熱系統(tǒng)的安裝和控制提供參考依據(jù)。

1 實驗?zāi)康?/h2>

利用容積式燃?xì)鉄崴鞯难h(huán)加熱作用，觀察水箱內(nèi)水溫的變化，以確定哪種系統(tǒng)安裝方式更為合理。同時要求加熱完畢后水箱各點的實際溫度與控制停止基本一致，且在使用過程中，冷水的進(jìn)入或加熱循環(huán)時，對上部的熱水的水溫基本沒有影響，這樣才能組成一個更為可靠的供水系統(tǒng)。

2 實驗系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)安裝原理，見圖1

圖 1 系統(tǒng)測試安裝原理圖

2.2 主要材料，見表1

表1 主要材料表

2.3 安裝及實驗注意事項

2.3.1 冷水進(jìn)口可選擇加裝止回閥，為避免水泵堵塞，水泵進(jìn)口處應(yīng)加裝過濾器，管道連接過程中應(yīng)做好保溫。超聲波熱計量表安裝在回水管道上，并與PLC通訊模塊進(jìn)行連接，溫度傳感器與PLC的模擬量模塊進(jìn)行連接。感溫探頭按等距離固定并放置到盲管中，加入導(dǎo)熱油，再將盲管從頂部深入到水箱中，緊固、密封。燃?xì)馕罕砗髴?yīng)加設(shè)三通排氣閥，以便于初次調(diào)壓。

2.3.2 系統(tǒng)放水時直接利用混水閥將冷熱水混合后放出，放水水溫約42℃左右，由于實際使用時熱水的流量不斷變化，故在不同安裝形式下每次采取隨機(jī)放水的方式[2]獲取水箱內(nèi)部的溫度變化趨勢。

2.3.3 溫度記錄時間間隔：每1min記錄一次，繪制的時間-溫度變化曲線圖如圖2。

圖 2 上進(jìn)下出系統(tǒng)初次加熱水箱各點時間-溫度變化曲線圖

2.3.4 系統(tǒng)利用溫差進(jìn)行循環(huán)控制，如把回差設(shè)定在0℃，考慮到水溫波動，會造成頻繁啟動，可把溫度回差設(shè)定為5℃。將事前編程好的PLC程序與組態(tài)王軟件銜接，可利用組態(tài)王軟件面板直接對回差范圍進(jìn)行自由設(shè)定。本實驗溫度控制方式為50℃啟動水泵，55℃關(guān)閉水泵。為在使用過程中及時加熱，將溫度控制點選在水箱中下部T3位置。

2.4 實驗步驟

按圖1所示將系統(tǒng)安裝完畢，打開水箱PTR閥或水箱出水閥門，將水箱注滿冷水，打開相應(yīng)閥門。接通電腦，PLC和燃?xì)鉄崴鞯碾娫?，運行水泵強(qiáng)制循環(huán)（或輪流切換泄排水閥門放水），以排空燃?xì)鉄崴鲀?nèi)部空氣，并在此期間觀察熱計量表記錄的水泵流量。打開氣罐閥門并將壓力調(diào)整至4 000 Pa左右。再次啟動水泵，燃?xì)鉄崴鞲袘?yīng)系統(tǒng)水流，熱水器點火啟動運行，在運行過程中將系統(tǒng)壓力調(diào)整至2 800 Pa左右，系統(tǒng)正常運行。期間電腦會自動記錄水箱內(nèi)各測點的實時溫度、水箱的進(jìn)出水溫度和循環(huán)泵的流量。

3 系統(tǒng)分類及溫度變化曲線分析

3.1 上進(jìn)下出循環(huán)系統(tǒng)

系統(tǒng)從1#水口抽水，經(jīng)過燃?xì)鉄崴骷訜岷笾苯踊刂?#水口，其他水口關(guān)閉。

3.1.1 初次加熱水箱各點時間-溫度變化曲線圖

初次加熱冷水平均溫度為21.6℃，在T3達(dá)到55℃時，停止加熱，耗時116min，測試制熱量在7.4～7.6 KW之間，因溫度探頭溫度反應(yīng)的滯后性，在116～125min時間段內(nèi)，箱內(nèi)各點溫度略有上升。

在初始水溫相同的情況下，隨著加熱的進(jìn)行，水箱各點溫度逐漸增高，T1溫度始終最低，因位于熱水器的出水口，T8溫度始終最高。各點曲線具有相同的變化規(guī)律，但在時間上有一定差異，如A-B在同樣達(dá)到35℃的情況下，從8#點到1#點所用的時間逐漸增加，另在10min時，T8和T7溫度已經(jīng)升高的情況下，其余各點的水溫基本維持在冷水溫度，以此類推，說明在0～50 min時間段內(nèi)，水箱下部各點水溫的變化更多的是依靠系統(tǒng)的循環(huán)作用。

在60～70min時間內(nèi)，水箱各點溫差最小。加熱結(jié)束時，水箱上下部各點溫差較大，上下部溫差在10℃以上，見圖2中C-D。同時也說明系統(tǒng)的循環(huán)水量較小。

3.1.2 放水實驗水箱各點時間-溫度變化曲線圖3

圖 3 上進(jìn)下出系統(tǒng)放水實驗水箱各點時間-溫度變化曲線圖

在15min時，開始隨機(jī)放水，放水流量約518 L／h，放水水溫為混水后的溫度約37～42℃。T1、T2水溫迅速下降，在30 min時，T3水溫逐漸降低至50℃以下，水泵重新啟動，熱水器重新點火加熱，此時T3、T4水溫略有上升，然后再逐漸下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)60min時，停止放水，T1、T2、T3的水溫才逐漸升高，而其他點位的溫度仍逐漸下降，直到85min時，水箱各點溫度基本一致，在45～47℃之間。此時繼續(xù)加熱，將出現(xiàn)初次開始加熱的情況，T7、T8溫度陡然增高，各點溫度依次規(guī)律性升高。由于基礎(chǔ)水溫過高，上部水溫會很快達(dá)到60℃以上，因流量較小，燃?xì)鉄崴鞒鏊疁囟群芸爝_(dá)到保護(hù)溫度而停機(jī)。

此系統(tǒng)在放水時會出現(xiàn)下列問題：一是冷水在進(jìn)入水箱被循環(huán)加熱后送至T8點，如溫升較小，會將T8點熱水混合，而中上層點位水溫會很快與T8水溫趨于一致，這樣會導(dǎo)致水溫整體降低。二是系統(tǒng)在停止放水并繼續(xù)加熱時，會有一個水箱各層溫度趨于一致的時間點，以該時間點的溫度為起點進(jìn)行加熱將出現(xiàn)初始加熱時的變化規(guī)律，如該時間點溫度較高，可能會使上部溫度急劇升高，甚至導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)停機(jī)保護(hù)。三是在放水加熱過程中，水箱各層溫度變化很不均勻，且差異較大。四、通過加大流量降低溫差的方式對上述問題進(jìn)行改善，發(fā)現(xiàn)效果并不明顯，冬季使用時冷水對上部熱水的混合將更為迅速，且會增加水泵的初期投資。

3.2 中進(jìn)下出循環(huán)系統(tǒng)

系統(tǒng)從1#水口抽水，經(jīng)過燃?xì)獗趻鞝t加熱后直接回至4#水口，其他水口關(guān)閉。

3.2.1 初次加熱水箱各點時間-溫度變化曲線圖

圖 4 中進(jìn)下出系統(tǒng)初次加熱水箱各點時間-溫度變化曲線圖

初次加熱冷水平均溫度為21.2℃，在T3達(dá)到55℃時，停止加熱，耗時107min，測試制熱量在8.1～8.3 KW之間，與供氣壓力增加有一定關(guān)系。在107～110min時間段內(nèi)，T4溫度由于熱流向上的作用很快與上部各點溫度趨于一致。

初次加熱各點的溫度變化基本與時間成正比例關(guān)系，對于T1點，自加熱開始至T1變化時間點的間隔較系統(tǒng)一明顯縮短。由于T4剛好位于進(jìn)水口位置，其在加熱過程中的溫度始終要高于水箱其他點位，當(dāng)停止加熱時T4溫度會很快與上部各點溫度趨于一致，但對T4以下各點溫度基本沒有影響。加熱完畢，T3溫度達(dá)到55℃，由于熱水進(jìn)水溫度在T4，所以T4及其以上各點溫度明顯高于T3，而T2和T1又逐點降低，相比圖2，水箱整體溫差雖然明顯降低，但仍然較大。如將T4或T5作為控制點位，則系統(tǒng)啟動加熱的時間顯然滯后，且T4位于水箱進(jìn)水點，會使系統(tǒng)過早關(guān)閉，水溫?zé)o法達(dá)到設(shè)定要求。

3.2.2 放水實驗水箱各點時間-溫度變化曲線圖

圖 5 中進(jìn)下出系統(tǒng)放水實驗水箱各點時間-溫度變化曲線圖

在27min時，開始隨機(jī)放水，放水流量約700 L／h，放水水溫為混水后的溫度約37～42℃。在40min時，T3水溫逐漸降低至50℃以下，水泵重新啟動，熱水器重新點火加熱。當(dāng)?shù)竭_(dá)55 min時，停止放水，在80min時，T1～T6的溫度最為接近，107min時，系統(tǒng)停止加熱。

在27～40min的時間段內(nèi)，系統(tǒng)是處于完全放水不加熱的狀態(tài)，此時完全依靠自來水的推進(jìn)作用自下而上地影響各層原有水溫的變化，即下層進(jìn)入的冷水“暫時”不會對上層熱水的溫度造成明顯影響。在40～55min的時間段內(nèi)，由于制熱量小于放水損失熱量，故各層溫度將下降，且隨著放水的持續(xù)進(jìn)行，將逐漸影響到上部各層的水溫，但下降趨勢逐漸減緩。在55～80 min的時間段內(nèi)，T4的水溫要低于上部水溫，未能依靠浮升力或重力的作用對上部水溫進(jìn)行加熱，但是T4的水溫明顯要高于下部溫度，故系統(tǒng)暫時依靠水泵循環(huán)的作用自上而下地加熱T3、T2、T1點的水溫，在80min時，T1的溫度最接近T4的溫度。此時繼續(xù)加熱將使T4、T5、T6的水溫逐漸增高，熱量的不斷向上傳遞會與更高水溫的T7、T8發(fā)生對流作用，致使T7、T8水溫暫時降低，直到水溫趨于一致時，再整體分層上升。在加熱結(jié)束時，水箱上下部溫差依然較大，且與系統(tǒng)設(shè)定停止溫度仍有較大差異。

3.3 下進(jìn)下出循環(huán)系統(tǒng)

系統(tǒng)從1#水口抽水，經(jīng)過燃?xì)獗趻鞝t加熱后直接回至2#水口，其他水口關(guān)閉。

3.3.1 初次加熱水箱各點時間-溫度變化曲線圖

圖 6 下進(jìn)下出系統(tǒng)初次加熱水箱各點時間-溫度變化曲線圖

初次加熱冷水平均溫度為22.8℃，在T3達(dá)到55℃時，停止加熱，耗時127min，測試制熱量在6.37～6.54 KW之間，與供氣壓力降低有一定關(guān)系。初次加熱各點的溫度變化基本與時間成正比例關(guān)系，除T1外水箱內(nèi)部各點溫度基本趨于一致，即使是T1在各時間點，與其他各點平均溫度差值基本在1℃左右，表現(xiàn)出良好的溫度變化曲線。由于熱水進(jìn)水點靠近水箱底部，加熱時T2點溫度上升，密度降低，浮力增壓，而T2點上部溫度較低，重力較大，在下部浮力和上部重力共同作用下，發(fā)生比較明顯的伴隨著物質(zhì)和能量的共同交換，不斷到達(dá)某種均衡狀態(tài)[3]。

3.3.2 放水實驗水箱各點時間-溫度變化曲線圖

自25min開始隨機(jī)放水，放水流量約670 L／h，放水混水后溫度約37～42℃。T1、T2水溫迅速下降，在39min時，T3水溫逐漸降低至50℃以下，水泵重啟，熱水器重新點火加熱。在52 min時，停止放水。

通過比較發(fā)現(xiàn)，圖7與圖5具有相同的加熱規(guī)律：

在25～39min的時間段內(nèi)，系統(tǒng)是處于放水不加熱的狀態(tài)，此時依靠自來水的推進(jìn)作用自下而上地影響各層水溫的變化，即下層進(jìn)入的冷水由于密度較大，并不會對上層熱水的溫度造成明顯影響。在39～52min的時間段內(nèi)，由于制熱量小于放水損失熱量，故各層溫度仍將下降，且隨著放水的持續(xù)進(jìn)行，將逐漸影響到上部各層的水溫，但下降趨勢逐漸減緩。同時T2的溫度是逐漸上升。在52～65min的時間段內(nèi)，T5的水溫要高于下部，系統(tǒng)依次為T4、T3、T2、T1進(jìn)行加熱，同時T5溫度略有降低，這是因為下部各層溫度在加熱過程中溫度升高，密度變小，在熱流向上過程中與T5點的“高溫”熱水產(chǎn)生慣性對流，這樣導(dǎo)致T5溫度暫時降低。在60min時，下部各層溫度接近溫度T5，T1～T5的溫度才繼續(xù)上升。此時繼續(xù)加熱將使T1～T5的水溫逐漸增高，熱量不斷向上傳遞會依次與更高水溫的T6、T7、T8發(fā)生對流作用，致使相應(yīng)的水溫暫時降低，直到水溫趨于一致時，再整體分層上升。在加熱結(jié)束時，水箱上下部溫差約1℃左右，且與系統(tǒng)控制設(shè)定停止溫度基本一致。

圖 7 下進(jìn)下出系統(tǒng)放水實驗水箱各點時間-溫度變化曲線圖

4 結(jié)論

在利用燃?xì)鉄崴骱托顭崴浒惭b組成的容積式燃?xì)鉄崴鲿r，應(yīng)避免將冷水加熱后直接送入到水箱上部，這樣最終會使水箱上下部的溫差過大，且在使用過程中，會將上部熱水混合變冷，甚至導(dǎo)致熱水無法正常使用。冷水加熱后送至水箱中部，在初次加熱過程中水溫呈現(xiàn)良好的直線變化，但最終水箱上下部的溫差與設(shè)定溫度的偏差依然較大。如將冷水加熱后送入到水箱底部，則熱水溫度初始加熱和放水過程中均具有良好的時間-溫度變化曲線，且加熱后的最終溫度與系統(tǒng)設(shè)定的溫度差值最低。

在第三種系統(tǒng)中，初次放水且不加熱的情況下，下部冷水的進(jìn)入基本不會影響上部的熱水溫度；在放水且加熱的情況下，由于制熱量要小于系統(tǒng)的熱量損失，故水箱整體水箱水溫自下而上仍然逐漸降低；停水再加熱過程中，下部冷水溫度會對上部熱水溫度產(chǎn)生一定影響，前提是已經(jīng)停止用水的情況下，此時對用戶用水沒有影響。故在安裝燃?xì)鉄崴髋c蓄熱水箱的工程時，第三種循環(huán)系統(tǒng)最為合適。

[1]GB／T 16411-2008家用燃?xì)庥镁咄ㄓ迷囼灧椒╗S].

[2]劉金平，張治濤，劉雪峰.空氣源熱泵熱水器儲水箱動態(tài)性能試驗研究[J].太陽能學(xué)報，2007，28（5）：472-476.

[3]楊世銘.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社.

TK513

A

1671-0037（2014）05-76-3

沈小兵（1982.06-），男，助理工程師，研究方向：供熱與制冷。