辛立剛， 呂昕宇， 潘翠景， 劉文博，劉貴川， 陳 程， 公育紅

(1.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司城市燃?xì)鉄崃ρ芯吭海旖?00384；2.國家燃?xì)庥镁哔|(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，天津300384；3. 中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司第十設(shè)計(jì)研究院，天津300074)

1 概述

按GB 25034—2010 《燃?xì)獠膳療崴疇t》(以下簡稱GB 25034—2010)第7.7.1.2款的方法，進(jìn)行燃?xì)獠膳療崴疇t的供暖熱效率測試時(shí)，通常分3步進(jìn)行。

① 測試燃?xì)獠膳療崴疇t燃?xì)馊紵a(chǎn)生的熱量和供暖系統(tǒng)吸收的熱量。

② 測試平均出水溫度下的測試裝置熱損失，即損失的熱量(以下簡稱測試裝置熱損失)。

③ 按照GB 25034—2010中的公式(7)計(jì)算供暖熱效率。

測試燃?xì)馊紵a(chǎn)生的熱量和供暖系統(tǒng)吸收的熱量時(shí)，由于燃?xì)猱a(chǎn)生的熱量大，且根據(jù)測試經(jīng)驗(yàn)容易調(diào)節(jié)好水流量，可以較快達(dá)到熱平衡，完成測試。在進(jìn)行測試裝置熱損失測試時(shí)，電加熱裝置功率小，加熱時(shí)間長，且需要不斷調(diào)節(jié)電加熱裝置功率，尋找可以達(dá)到熱平衡的功率。因此，通常需要4 h或更長時(shí)間，嚴(yán)重制約燃?xì)獠膳療崴疇t檢測工作效率。

本文從燃?xì)獠膳療崴疇t測試裝置熱損失測試過程中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象和規(guī)律出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有對(duì)燃?xì)獠膳療崴疇t熱效率[1-2]、燃?xì)獠膳療崴疇t檢測系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)方法[3-4]、燃?xì)獠膳療崴疇t工作性能[5-6]等方面的研究，從理論分析和實(shí)驗(yàn)測試兩個(gè)方面探討測試裝置熱損失的測試方法優(yōu)化途徑，通過對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，提出一種簡易可行的測試裝置熱損失的測試和計(jì)算方法，并驗(yàn)證該方法的實(shí)際應(yīng)用可行性。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 測試系統(tǒng)

測試裝置熱損失主要是指某特定供暖出水溫度的循環(huán)水在測試裝置內(nèi)流動(dòng)過程中通過測試裝置向周圍環(huán)境的散熱損失。本文設(shè)計(jì)了一套燃?xì)獠膳療崴疇t實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)，見圖1。

圖1 燃?xì)獠膳療崴疇t測試系統(tǒng)

圖1中，熱損失測試裝置主要包括：藍(lán)色虛線右側(cè)的帶有保溫層的不銹鋼管道，藍(lán)色虛線左側(cè)的橡膠管道，安裝在管道上的循環(huán)泵、電磁流量計(jì)和溫度變送器等。其中燃?xì)獠膳療崴疇t與三通閥1連接的回水管道和三通閥1與電加熱裝置連接的管道都為橡膠管道，其長度相同，管徑相同；燃?xì)獠膳療崴疇t與三通閥2連接的出水管道和三通閥2與電加熱裝置連接的管道都為橡膠管道，其長度相同，管徑相同。因此，以上相同長度和管徑的對(duì)應(yīng)的兩段管道的熱損失相同，進(jìn)行熱損失測試時(shí)，三通閥1和三通閥2之間的電加熱輔助管道可以代替虛線左側(cè)的供暖出水管道和供暖回水管道。

打開球閥3，供給燃?xì)?，點(diǎn)燃燃?xì)獠膳療崴疇t，開啟三通閥1的1、3通路和三通閥2的1、3通路，保持循環(huán)泵工作，通過調(diào)節(jié)球閥1，調(diào)節(jié)恒溫水流量，通過調(diào)節(jié)恒溫水流量和至電子秤出水流量，控制出水溫度和回水溫度，出水溫度通過溫度變送器3測量，回水溫度通過溫度變送器4測量。其中，恒溫水的溫度穩(wěn)定為(20±2) ℃。燃?xì)獠膳療崴疇t額定熱負(fù)荷時(shí)供暖熱效率的實(shí)驗(yàn)測試根據(jù)GB 25034—2010第7.7.1.2款的方法進(jìn)行，按照GB 25034—2010的公式(7)計(jì)算供暖熱效率。

測試裝置熱損失是燃?xì)獠膳療崴疇t額定熱負(fù)荷時(shí)采暖熱效率測試必不可少的環(huán)節(jié)。圖中黑色箭頭所示的循環(huán)管道即為本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的用于測試燃?xì)獠膳療崴疇t測試裝置熱損失的實(shí)驗(yàn)測試循環(huán)系統(tǒng)。電加熱裝置給循環(huán)管道提供熱源，調(diào)節(jié)電加熱裝置的輸出功率，以使整個(gè)測試裝置內(nèi)的循環(huán)水溫度維持在某一特定溫度，并記錄環(huán)境溫度，此時(shí)電功率儀讀取的輸出功率數(shù)值便等于該特定溫度的循環(huán)水在測試裝置內(nèi)流動(dòng)過程中通過測試裝置向環(huán)境散熱的單位時(shí)間熱損失。

2.2 測試裝置熱損失測試方法

檢測經(jīng)驗(yàn)表明，測試裝置熱損失與兩個(gè)因素有關(guān)：循環(huán)水溫度與環(huán)境溫度的溫差、循環(huán)水流量。因此，本實(shí)驗(yàn)選取這兩個(gè)影響測試裝置熱損失的因素進(jìn)行研究。其中，根據(jù)檢測經(jīng)驗(yàn)，循環(huán)水流量一般在400～1 200 L/h，因此，從低到高選擇了6個(gè)循環(huán)水流量(400、500、600、800、1 000、1 200 L/h)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。GB 25034—2010第7.1.3.3款規(guī)定，供暖出水溫度為(80±2) ℃，供暖回水溫度為(60±1) ℃。測試裝置管段中的循環(huán)水溫度應(yīng)在該范圍內(nèi)，即溫度變送器1～4的溫度應(yīng)維持在60～80 ℃。本實(shí)驗(yàn)取溫度變送器1～4的平均溫度作為循環(huán)水溫度，每5 ℃取一個(gè)溫度點(diǎn)。

注入恒溫水，將系統(tǒng)注滿水后，關(guān)閉球閥1和球閥2，不進(jìn)行注水和放水，開啟三通閥1的2、3通路和三通閥2的2、3通路，按照黑色箭頭所示循環(huán)，進(jìn)行燃?xì)獠膳療崴疇t測試裝置熱損失的測試，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

① 啟動(dòng)循環(huán)泵，調(diào)節(jié)循環(huán)水流量至400 L/h。

② 打開電加熱裝置，加熱循環(huán)水，并調(diào)節(jié)電加熱裝置使循環(huán)水達(dá)到熱平衡，使溫度變送器1～4測試的平均值(即循環(huán)水溫度)達(dá)到60 ℃。

③ 記錄環(huán)境溫度，同時(shí)讀取電加熱裝置的輸出功率。

④ 在循環(huán)水溫度一定的情況下，從低到高改變循環(huán)水流量，重復(fù)上述①～③測試步驟。

⑤ 從低溫到高溫改變循環(huán)水溫度，重復(fù)上述①～④測試步驟。

3 理論計(jì)算分析

3.1 不銹鋼管的熱損失計(jì)算

不銹鋼管道單位管長單位時(shí)間熱損失可用公式(1)計(jì)算：

(1)

式中q1——不銹鋼管道單位管長單位時(shí)間熱損失，W/m

t1——循環(huán)水溫度，℃

t0——環(huán)境溫度，℃

R1——不銹鋼管道內(nèi)表面的表面?zhèn)鳠釤嶙?，m·K/W

R2——不銹鋼管道管壁的導(dǎo)熱熱阻，m·K/W

R3——不銹鋼管道保溫層的導(dǎo)熱熱阻，m·K/W

R4——不銹鋼管道保溫層外表面的表面?zhèn)鳠釤嶙?，m·K/W

不銹鋼管道內(nèi)表面的表面?zhèn)鳠釤嶙鑂1可用公式(2)計(jì)算：

(2)

式中h1——不銹鋼管道內(nèi)表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)

d1——不銹鋼管道內(nèi)直徑，m

測試裝置的循環(huán)水流量為400～1 200 L/h，此時(shí)雷諾數(shù)Re大于104，為湍流。因此，不銹鋼管道內(nèi)表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1可通過公式(3)計(jì)算[7]：

(3)

式中vf——循環(huán)水流速，m/s

ν——循環(huán)水的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s

Pr——循環(huán)水的普朗特?cái)?shù)

λ——循環(huán)水的熱導(dǎo)率，W/(m·K)

cR——彎管修正系數(shù)

當(dāng)滿足以下條件之一時(shí)，cR可近似取1：條件1，彎曲管道與直管道長度之比較??；條件2，管道彎曲半徑與管道內(nèi)直徑之比較大。本文實(shí)驗(yàn)中，不銹鋼管道滿足條件1，cR可近似取1；橡膠管道滿足條件2，cR可近似取1。

不銹鋼管道管壁導(dǎo)熱熱阻R2由公式(4)計(jì)算：

(4)

式中λ1——不銹鋼管道管壁的熱導(dǎo)率，W/(m·K)

d2——不銹鋼管道外直徑，m

不銹鋼管道保溫層導(dǎo)熱熱阻R3由公式(5)計(jì)算：

(5)

式中λ2——不銹鋼管道保溫層的熱導(dǎo)率，W/(m·K)

d3——不銹鋼管道保溫層外直徑，m

不銹鋼管道保溫層外表面的表面?zhèn)鳠釤嶙鑂4由公式(6)計(jì)算：

(6)

式中h2——不銹鋼管道保溫層外表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)

保溫層外表面?zhèn)鳠峒扔斜砻鎮(zhèn)鳠嵊钟休椛鋫鳠?，?jì)算較為復(fù)雜，在精度要求不高的情況下，保溫層外表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h2可通過公式(7)近似計(jì)算[8]：

h2=9.40+0.052(tw1-t0)

(7)

式中tw1——不銹鋼管道保溫層外表面溫度，℃

3.2 橡膠管道的熱損失計(jì)算

橡膠管道的單位管長單位時(shí)間熱損失可用公式(8)計(jì)算：

(8)

式中q2——橡膠管道單位管長單位時(shí)間熱損失，W/m

R5——橡膠管道內(nèi)表面的表面?zhèn)鳠釤嶙瑁琺·K/W

R6——橡膠管道管壁導(dǎo)熱熱阻，m·K/W

R7——橡膠管道外表面的表面?zhèn)鳠釤嶙?，m·K/W

橡膠管道內(nèi)表面的表面?zhèn)鳠釤嶙鑂5可用公式(9)計(jì)算：

(9)

式中h3——橡膠管道內(nèi)表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)

d4——橡膠管道內(nèi)直徑，m

橡膠管道內(nèi)表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h3可通過公式(10)計(jì)算[7]：

(10)

橡膠管道管壁導(dǎo)熱熱阻R6由公式(11)計(jì)算：

(11)

式中λ3——橡膠管道管壁的熱導(dǎo)率，W/(m·K)

d5——橡膠管道外直徑，m

橡膠管道外表面的表面?zhèn)鳠釤嶙鑂7由公式(12)計(jì)算：

(12)

式中h4——橡膠管道外表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)

橡膠管道外表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h4可通過公式(13)計(jì)算[8]：

h4=9.40+0.052(tw2-t0)

(13)

式中tw2——橡膠管道外表面溫度，℃

測試裝置單位時(shí)間熱損失可通過公式(14)計(jì)算：

Φ=q1l1+q2l2

(14)

式中Φ——測試裝置單位時(shí)間熱損失(理論計(jì)算值)，W

l1——不銹鋼管道長度，m

l2——橡膠管道長度，m

3.3 測試裝置單位時(shí)間熱損失的計(jì)算分析

根據(jù)公式(3)和(10)可以看出，循環(huán)水流量影響不銹鋼管道內(nèi)表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1和橡膠管道內(nèi)表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h3。根據(jù)公式(1)～(13)可以看出，循環(huán)水流量對(duì)其他參數(shù)無影響。通過測量不銹鋼管道內(nèi)外直徑以及保溫層外直徑、橡膠管道的內(nèi)外直徑、循環(huán)水的溫度、環(huán)境溫度、橡膠管外壁溫度、保溫層外壁溫度以及兩種管道長度，查得不銹鋼管和保溫層材料的熱導(dǎo)率、橡膠管的熱導(dǎo)率，即可計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)測試裝置熱損失(理論計(jì)算值)Φ。

以本文所搭建測試裝置為例，當(dāng)環(huán)境溫度t0為20 ℃，循環(huán)水溫度t1為80 ℃時(shí)，測試裝置參數(shù)見表1，計(jì)算得到管道熱阻理論計(jì)算值見表2。由于不銹鋼管道內(nèi)直徑與橡膠管內(nèi)直徑相同，因此，兩種管道內(nèi)表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相同，不銹鋼管道內(nèi)表面?zhèn)鳠釤嶙鑂1與橡膠管道內(nèi)表面的表面?zhèn)鳠釤嶙鑂5相同。管內(nèi)表面的表面?zhèn)鳠釤嶙桦S流量增大而減小。對(duì)于不銹鋼管道和橡膠管道，不論流量增大或減小，管內(nèi)表面的表面?zhèn)鳠釤嶙枵伎偀嶙璧谋壤坏?%，遠(yuǎn)小于保溫層導(dǎo)熱熱阻、保溫層表面的表面?zhèn)鳠釤嶙?、橡膠管外表面的表面?zhèn)鳠釤嶙?，因此，管?nèi)表面的表面?zhèn)鳠釤嶙杩珊雎圆挥?jì)。

表1 測試裝置參數(shù)

表2 管道熱阻理論計(jì)算值

經(jīng)計(jì)算，流量由400 L/h升高至1 200 L/h，具有保溫層的不銹鋼管道單位管長單位時(shí)間熱損失的范圍為49.9～50.0 W/m；橡膠管道單位管長單位時(shí)間熱損失范圍為55.2～55.4 W/m。測試裝置不銹鋼管道長度為3.6 m，橡膠管道長度為2.0 m，故測試裝置單位時(shí)間熱損失(理論計(jì)算值)Φ為290.0～290.8 W。流量由400 L/h升高至1 200 L/h，流量升高導(dǎo)致Φ僅增加0.8W，占比極小。因此，流量變化對(duì)測試裝置單位時(shí)間熱損失的影響可忽略不計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)測試分析與驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)測試分析

測試裝置實(shí)測電加熱功率P即為測試裝置單位時(shí)間熱損失。不同流量下測試裝置單位時(shí)間熱損失測試結(jié)果見圖2。

圖2 不同流量下測試裝置單位時(shí)間熱損失測試結(jié)果

由圖2以可看出，在循環(huán)水溫度與環(huán)境溫度的溫差ΔT相同的情況下，電加熱裝置在不同的循環(huán)水流量下所輸出的功率基本相同，其最大值與最小值的偏差約為1 W?？梢姡h(huán)水流量對(duì)于測試裝置單位時(shí)間熱損失的影響很小。

通過對(duì)測試裝置熱損失的理論計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)測試分析，可以確定循環(huán)水流量變化對(duì)于測試裝置熱損失的影響很小。因此，忽略流量因素，單位時(shí)間內(nèi)測試裝置熱損失和循環(huán)水溫度與環(huán)境溫度的溫差ΔT的關(guān)系成線性關(guān)系。對(duì)所有實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，擬合曲線圖見圖2，擬合系數(shù)R2達(dá)到0.992 7，測試裝置單位時(shí)間熱損失(擬合值)Φ0和循環(huán)水溫度與環(huán)境溫度的溫差ΔT的線性擬合關(guān)系式見公式(15)。當(dāng)測試裝置確定時(shí)，根據(jù)循環(huán)水溫度與環(huán)境溫度的溫差ΔT，可以求得唯一相應(yīng)的測試裝置單位時(shí)間熱損失(擬合值)Φ0。然后，乘以測試時(shí)間即可得出測試裝置熱損失(擬合值)Q0。

Φ0=9.030 8ΔT-226.58

(15)

式中Φ0——測試裝置單位時(shí)間熱損失(擬合值)，W

ΔT——循環(huán)水溫度與環(huán)境溫度的溫差，K

4.2 擬合結(jié)果可行性驗(yàn)證

隨機(jī)選取不同品牌的10個(gè)燃?xì)獠膳療崴疇t樣本，燃?xì)獠膳療崴疇t樣本額定熱負(fù)荷見表3。進(jìn)行額定熱負(fù)荷下供暖熱效率和測試裝置熱損失測試，并根據(jù)擬合公式(15)計(jì)算測試裝置單位時(shí)間熱損失(擬合值)Φ0。測試裝置熱損失(擬合值)Q0和實(shí)驗(yàn)實(shí)測的測試裝置熱損失(實(shí)測值)Q對(duì)比見圖3，用Q0計(jì)算的供暖熱效率與用Q計(jì)算的供暖熱效率對(duì)比見圖4。其中，熱損失相對(duì)偏差為Q0與Q之差，除以Q；供暖熱效率偏差為用Q0計(jì)算得到的供暖熱效率與用Q計(jì)算得到的供暖熱效率之差。

表3 燃?xì)獠膳療崴疇t樣本額定熱負(fù)荷

圖3 測試裝置熱損失Q的擬合值和實(shí)測值對(duì)比

圖4 用Q0計(jì)算的供暖熱效率與用Q計(jì)算的供暖熱效率對(duì)比

可以看出，熱損失相對(duì)偏差在-7.04%～0.75%范圍內(nèi)，供暖熱效率偏差的絕對(duì)值≤0.1%。可見，用Q0計(jì)算得到的供暖熱效率與用Q計(jì)算得到的供暖熱效率的偏差很小。因此，可以采用公式(15) 計(jì)算測試裝置單位時(shí)間熱損失(擬合值)Φ0，然后根據(jù)測試時(shí)間，計(jì)算測試裝置熱損失(擬合值)Q0，然后，按照GB 25034—2010中的公式(7)計(jì)算供暖熱效率。這樣，可以簡化測試流程，縮短測試時(shí)間，提高測試工作效率。

5 結(jié)論

通過對(duì)燃?xì)獠膳療崴疇t測試裝置熱損失進(jìn)行理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)測試與數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)于同一測試裝置，測試裝置單位時(shí)間熱損失Φ0和循環(huán)水溫度與環(huán)境溫度的溫差ΔT之間存在線性關(guān)系?？筛鶕?jù)循環(huán)水溫度與環(huán)境溫度的溫差ΔT，按照由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的關(guān)系式直接計(jì)算測試裝置單位時(shí)間熱損失(擬合值)Φ0，然后根據(jù)供暖熱效率的測試時(shí)間，計(jì)算得到測試裝置熱損失(擬合值)Q0，然后計(jì)算供暖熱效率。用Q0計(jì)算得到的供暖熱效率與用測試裝置熱損失(實(shí)測值)得到的供暖熱效率的偏差的絕對(duì)值小于或等于0.1%。這樣，可以簡化測試流程，縮短測試時(shí)間，提高工作效率。