盛保敬 崔靜 孫強 蔡想周
青島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司 山東青島 266101
近幾年來,CFD大型通用軟件包的不斷引進,使工業(yè)界和研究部門認識到其重要性,并表現(xiàn)出極大興趣和強烈關(guān)注,正在積極將它納入自己產(chǎn)品和項目的研究、設(shè)計和生產(chǎn)過程。CFD的作用像在計算機上做實驗,故也稱數(shù)值實驗,它不但能取代很多實驗工作,而且能做實驗室無法進行的研究。
節(jié)能降耗是企業(yè)的生存之本。熱水輸出率是電熱水器能效指標(biāo)的關(guān)鍵因素之一,直接影響著電熱水器的節(jié)能水平。提高熱水輸出率有利于節(jié)能降耗,有利于有效、合理地利用能源。電熱水器的熱水輸出率一直是行業(yè)關(guān)注的熱點,尤其是近年來,高熱水輸出率的電熱水器越來越受到消費者的追捧,越來越暢銷。
目前在行業(yè)內(nèi),已經(jīng)出現(xiàn)了多種途徑來提高電熱水器的熱水輸出率,從最初的60%已提高到80%,甚至90%。本文基于CFD技術(shù),仿真模擬電熱水器熱水輸出率測算過程,以便發(fā)現(xiàn)更多的流體熱力學(xué)規(guī)律,找到進一步提高電熱水器熱水輸出率的解決方案,實現(xiàn)節(jié)能效益的最大化。
從電熱水器工作原理的角度,一方面,電熱水器加熱完成時,內(nèi)膽中熱水從上到下的溫度分布呈階遞式下降,加熱系統(tǒng)在內(nèi)膽中的分布直接影響著熱水輸出率。加熱絲位置越低加熱完成時產(chǎn)生的熱水越多。另一方面,進水管結(jié)構(gòu)設(shè)計對熱水輸出率的影響也不可忽略,熱水器使用時,冷水進入內(nèi)膽時對膽內(nèi)熱水的沖擊越大,熱水輸出率也會越低。最初的電熱水器熱水輸出率水平受到一定的限制。隨著行業(yè)發(fā)展與節(jié)能減排的迫切需求,電熱水器在這兩個方面的改進越來越多,熱水輸出率也普遍提高。
目前,各大品牌電熱水器都在熱水輸出率上投入了相當(dāng)?shù)年P(guān)注與重視,我國電熱水器行業(yè)能效標(biāo)準(zhǔn)中,熱水輸出率的計算公式如下:
式(1)中:
μ——熱水輸出率,以百分數(shù)表示(%);
θp——平均出水溫度,單位為攝氏度(℃);
θc——平均進水溫度,單位為攝氏度(℃);
ρ——在θP下水的密度,單位為千克每立方米(kg/m);
圖1 電熱水器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
mp——排水的總質(zhì)量,單位為千克(kg);
θA1——溫控器首次斷開時的平均儲水溫度,單位為攝氏度(℃)。
其中,額定容積是熱水器的標(biāo)定容積,實際容積允許一定的偏差。熱水輸出率的計算公式用的是額定容積,如果同一額定容積同一單元的電熱水器,不同的容積偏差將會計算得出不同的熱水輸出率。
正偏差容積也就是實際容積較額定容積大,這樣在其它條件都不變的情況下,正偏差情況比負偏差的情況自然會得到更多的熱水量,最終計算正偏差也會較負偏差得到更高的熱水輸出率。但是,實際上對電熱水器的節(jié)能并未做出太大的貢獻,只是為了在同一額定容積標(biāo)注下,得到更大的熱水輸出率,成本也為了增加容積做出犧牲。
如何從本質(zhì)上找到電熱水器使用過程中冷熱水的流動規(guī)律,找到新的切入點、突破點及創(chuàng)新點,創(chuàng)新設(shè)計最終找到新的提高熱水輸出率的解決方案呢?本文基于CFD仿真模擬技術(shù),采用流體仿真技術(shù)(CFD)結(jié)合流體力學(xué)及傳熱學(xué)知識,對電熱水器進行流場、溫度場仿真,改變加熱管布置及進水管管徑,從流場及溫度場進行分析,整合計算數(shù)據(jù)得出熱水輸出率。找到進一步提高電熱水器的熱水輸出率的解決方案,最終提升電熱水器的節(jié)能效益。
計算流體力學(xué)是流體力學(xué)的新興分支,是一個采用適當(dāng)?shù)臄?shù)值方法求解流體流動的控制方程組,通過得到的流場和其它物理場研究流動現(xiàn)象以及物理/化學(xué)過程的學(xué)科。CFD數(shù)值模擬的基本原理和步驟包括:前處理、流場計算、后處理。電熱水器熱水輸出率測試仿真模擬包括模型建立、邊界條件、驅(qū)動力判別等步驟。
本文所研究的臥式單內(nèi)膽儲水式電熱水器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1,簡化模型如圖2所示,容積以80L為例。
模擬電熱水器熱水輸出率測試過程如下:
(1)加熱:關(guān)閉進、出水口,將內(nèi)膽中的冷水進行加熱,加熱至達到實驗所需溫度(平均儲水溫度(65±3)℃)。
(2)測試:冷水進水15℃,進入流速10L/min,出水口打開,放水至熱水輸出率實驗所設(shè)定溫降條件:連續(xù)排水至出水溫度比最高出水溫度低 20K(但不得低于42℃)為止。根據(jù)國標(biāo)GB 21519-2008要求,內(nèi)膽中的水溫度平均為68℃
圖2 電熱水器簡化模型
圖3 加熱管對比方案
a.立式加熱管 b.橫式加熱管
a.普通進水管 b.加精1.5倍進水管
圖4 進水管對比方案
圖5 四種方案對比圖示
圖6 升溫過程截面溫度云圖
圖7 測溫點分布圖
圖8 放水不同時刻進水截面溫度分布示圖
表1 傳熱過程的準(zhǔn)數(shù)
表2 加熱完成時各測溫點溫度值
表3 不同方案熱水輸出率測算結(jié)果
當(dāng)流體受熱并且密度隨溫度而變化時,密度變化引起的重力差異將會引發(fā)流體的流動。Fluent可以模擬這種被稱作自然對流(或混合對流)的浮力驅(qū)動流動,傳熱過程的準(zhǔn)數(shù)如表1。
格拉曉夫數(shù)Gr表征自然對流狀態(tài)下浮升力與粘性力的比值;雷諾數(shù)Re表征受迫對流狀態(tài)下慣性力與粘性力的比值。前者的關(guān)鍵詞是“自然對流”后者的關(guān)鍵詞是“受迫對流”這正是二者在傳熱學(xué)中最本質(zhì)的區(qū)別。
混合對流中,浮力的影響可以通過下式所示的格拉曉夫數(shù)與雷諾數(shù)之比來判別。當(dāng)此數(shù)值接近或超過1.0時,浮力對流動將有較大影響。相反,若此數(shù)較小,浮力的影響可以不予考慮。
如式(2):(五個測試點),設(shè)置測試時進水溫度保持為15℃,加熱完成后進行測試時,進水速度10L/min,出水口設(shè)置為相對壓力為0Pa,通過Fluent軟件在出水管口位置設(shè)置出水溫度監(jiān)視器,可以及時得到出水口溫度。
在模擬過程中,將熱水器使用過程中的各種因素進行理想化處理,假設(shè):熱輻射影響可忽略,水質(zhì)及環(huán)境影響忽略不計,自來水壓力為0.8MPa。
(3)升溫過程:加熱棒-heat flux,按照功率2000W計算熱通量數(shù)值;進水管進口設(shè)置為Pressure Outlet,溫度15℃,壓力0Pa;其他面設(shè)置為絕熱壁面。
(4)放水過程:加熱棒-heat flux,設(shè)置為0;進水管進口-設(shè)置為Velocity Inlet,速度5.26m/s,溫度15℃;出水管出口-設(shè)置為Pressure Outlet,溫度45℃,壓力0Pa;其他面設(shè)置為絕熱壁面。
式(2)中,Gr、Re分別表示格拉曉夫數(shù)和雷諾數(shù);
g表示重力加速度(m/s2);
ΔT表示進水口與水箱底部的溫差(℃);
L表示特征長度(m);
v表示進口流速(m/s);
β表示熱膨脹系數(shù)(1/K)。
通過計算得出格拉曉夫數(shù)與雷諾數(shù)的比值得出內(nèi)膽中浮力對流動產(chǎn)生較大影響。
由于進水采用M型回水結(jié)構(gòu)及緩流出口,因此可以認為冷水進入時基本是層流狀態(tài)。由浮力引致的流動強度可由式(3)所示的熱擴散率(Ra)判定。
式(3)中,μ表示粘度系數(shù)(m2/s),α表示熱擴散率。
若瑞利數(shù)小于108,對流為層流,當(dāng)瑞利數(shù)超過1010的浮力驅(qū)動為湍流。經(jīng)計算,內(nèi)膽中水的流動為湍流。
立式與橫式加熱管結(jié)構(gòu)對比如圖3,進水管不同結(jié)構(gòu)進行對比如圖4。電熱水器分別使用不同的加熱管結(jié)構(gòu)和不同的進水管結(jié)構(gòu)進行兩兩組合,進行模擬,如圖5所示,四種組合方案分別為:方案1—立式加熱管+普通進水管;方案2—立式加熱管+加粗1.5倍進水管;方案3—橫式加熱管+普通進水管;方案4—橫式加熱管+加粗1.5倍進水管。
4.2.1 不同加熱管的熱水輸出率測算過程對比分析
方案1與方案3的區(qū)別在于加熱管的結(jié)構(gòu)不同,方案1采用立式加熱管,方案3采用橫式加熱管,相比較而言,橫式加熱管的加熱絲可以下潛到更低的水位,更進一步地分布在膽底部位置。這兩種方式的加熱過程溫度云圖如圖6示。
從圖6可以看出,方案3所采用的橫式加熱管,相對方案1所采用的立式加熱管的膽內(nèi)熱水溫度分布更加均勻。由此可見,加熱絲下潛越深,加熱完成時,內(nèi)膽中的水溫越均勻。
內(nèi)膽測溫點分布如圖7所示,加熱完成時各溫度點的溫度列表如表2所示。
模擬過程停止加熱計算的判斷標(biāo)準(zhǔn)為:全膽水溫度Volume Average達到65℃;由圖及表中數(shù)據(jù)可以得出: 兩種加熱管布置方法五點平均溫度相差不大,僅為0.1℃,但測點的溫度分布均勻性相差較大。方案1比方案3的五點最大溫差高出1.46℃,也就是說,當(dāng)加熱管由立式更改為橫式分布后,加熱完成時,全膽的熱水均勻性更好。
4.2.2 不同加熱管不同進水管的熱水輸出率測算過程對比
圖8展示了方案1和方案4在放水不同時刻,進水處縱向截面處溫度分布對比圖。以進水截面溫度分布的最低值為參考,對比方案1和方案4發(fā)現(xiàn),方案1放水過程開始1min時刻冷熱水混合情況相對比較明顯,方案4在放水開始1min時刻最低溫度與進水溫度相差不大,分層明顯,混合較弱。
對比同一時刻上下兩幅圖發(fā)現(xiàn),同一時刻冷水作用區(qū)域方案1較方案4要大。說明方案4的橫式加熱管及加粗進水管的方式可以有利于冷熱水的分層,有利于更多的熱水排出。
圖9 不同方案的進水縱向截面速度矢量圖
圖10 不同方案的出水口溫度隨時間變化模擬曲線圖
圖8中得出,采用加粗進水管的方式,減少了冷熱混合。圖9給出了放水320s時,不同方案的進水縱向截面速度矢量圖。如圖9所示,方案1和方案3的進水?dāng)_動較明顯,水流的矢量方向沿壁面向內(nèi)膽上部爬升較明顯,形成的旋渦較大。而方案2與方案4中,進水水流的矢量方向就相對要平緩許多,所形成的旋渦也是在內(nèi)膽底部的小范圍內(nèi)。方案2和方案4相對方案1和方案3,進水對上層熱水的沖擊更加緩和。
由此可見,從溫度分布與速度分布圖都可以得出,加粗的進水管有利于熱水的分層,有利于熱水輸出率的提高。
最終,不同方案的熱水輸出率測算模擬結(jié)果分析對比,如表3所示,出水口溫度隨時間的變化曲線如圖9所示。
針對加熱管布置方式和進水管管徑兩個方面進行優(yōu)化仿真,從表3的測算結(jié)果和圖10的模擬曲線圖中發(fā)現(xiàn):
(1)加熱管位置改變明顯改善了膽內(nèi)水溫分布的均勻性,在以整膽水平均溫度65 ℃作為停機點溫度,開始放水的情況下,橫式加熱管的方案3較立式加熱管的方案1出水平均溫度較低 0.53 ℃,水溫波動小,熱水輸出率有較小提升,相對值為1.1%.
(2)進水管管徑大小對膽內(nèi)流場影響很大,相同加熱時間前提下,加粗進水管方案2較方案1的出水時間延長56.8 s,出水量增加 9 kg,熱水輸出率相對值提升11.3%。
(3)同時改變加熱管和進水管管徑方案改善了膽內(nèi)溫度均勻性的同時,延長了出水時間、增大了出水量,但方案4熱水輸出率提升較單獨改變進水管管徑方案2不明顯,相對值提升約0.5%。
經(jīng)過以上不同方案熱水輸出率測算的CFD分析,可以得出以下結(jié)論:
(1)加熱管分布方式對內(nèi)膽中水加熱的均勻性影響較大,加熱絲越低,加熱完成時全膽水的均勻性越好;
(2)進水口管徑加粗對內(nèi)膽熱水與冷水的分層有利,可減少進入內(nèi)膽的冷水對上層熱水的沖擊,有利于熱水的排出,從而最終提高熱水輸出率。
經(jīng)CFD軟件測算的結(jié)果,需進行實際的實驗來驗證并實施。CFD數(shù)值模擬的精度依賴于離散格式、計算網(wǎng)格、計算人員的經(jīng)驗與技巧以及計算機硬件條件。在先進工業(yè)國家,CFD數(shù)值模擬早己是許多新產(chǎn)品研發(fā)中不可缺少的環(huán)節(jié)。本文初步使用CFD數(shù)值模擬的方法仿真再現(xiàn)了電熱水器熱水輸出率的測算過程,分析了其中不同的結(jié)構(gòu)對于水流溫度場及速度場的影響,從而找到提升熱水輸出率的解決方案,對于電熱水器的研發(fā)具有特殊的指導(dǎo)意義,為電熱水器性能提升開辟了新的研究路徑。
[1] GB 21519-2008《儲水式電熱水器能效限定值及能效等級》.
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[3] 李彩霞, 劉洋等. 組合加熱方式在電熱水器上的研究與應(yīng)用[J]. 家電科技, 2014(11):80-83.
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