李志敏 吳桂安 朱蓮宗 鄧飛忠 仇明貴

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引言

燃氣熱水器在實際研發(fā)測試過程中發(fā)現(xiàn)熱效率測試結(jié)果波動較大，諸如在設(shè)驗證時滿足GB 6932-2015及GB 20665-2015要求，投入于生產(chǎn)端則表現(xiàn)于熱效率與設(shè)計值偏差較大，嚴重影響了產(chǎn)品的正常生產(chǎn)，增加了時間損耗。 因而很有必要對燃氣熱水器的影響因子進行綜合分析，確保測試數(shù)據(jù)的準確性。

1 燃氣熱水器的熱效率計算

GB 6932-2015中給定了燃氣熱水器的熱效率的測試方法及計算進行了闡述：

式中：

ηt—熱效率；

M—出熱水質(zhì)量，kg；

C—水的比熱容，MJ/（kg·K），取值為4.19 MJ/（kg·K）

tW2—出水端溫度，℃；

tW1—進水端溫度，℃；

W—實測燃氣消耗量，m3；

Q—實測燃氣低熱值，MJ/N m3；

tg—燃氣溫度，℃；

Pa—大氣壓力，kPa；

Pg—燃氣壓力，kPa；

S—溫度為tg時飽和水蒸汽壓力，kPa

根據(jù)熱效率的計算式可以看出，影響熱效率的主要因素為上述式中的變量，分為固有因子和環(huán)境因子。其中V， C，M、Pg為固有因子，由系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)及固有性能所決定，也包括燃燒系統(tǒng)及換熱系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)因素，即此因子不會隨著環(huán)境變量改變而改變；tW1、Q、tg、Pa為環(huán)境因子，隨著外界條件的變化會發(fā)生波動。tW2為跟隨變量，受熱負荷影響，S由tg及氣體組分確定。

國標測試要求規(guī)定的各環(huán)境因子的試驗條件的要求范圍值見表1。

2 正交試驗設(shè)計

2.1 正交試驗參數(shù)選擇

因不同環(huán)境條件下的對熱效率的測量偏差較大，為評估各環(huán)境因子對熱效率值的影響度大小，通過正交試驗分析來進行各因子進行綜合評估。因本文主要是研究不同環(huán)境因子的影響度，認為是在同一燃氣熱水器測量不準確度A、B類的影響標準下進行試驗。

試驗選取的是一臺熱負荷30 kW的液化氣機型燃氣熱水器，實測熱負荷為29.5 kW，設(shè)計熱效率值為90 %，燃氣種類為液化石油氣。選取tW1、Q、tg、Pa四個環(huán)境因子的部分常規(guī)數(shù)據(jù)取值范圍進行正交試驗分析，建立正交試驗因素水平表，如表2。

2.2 正交試驗設(shè)計與結(jié)果

相比于其他試驗設(shè)計方法，正交設(shè)計方法是一種具有多因素多水平的設(shè)計研究方法，能夠快速有效的得出需要的結(jié)論。根據(jù)上述表2所列出的參數(shù)，對參數(shù)進行四因素四水平進行定向搭配且無交互效應(yīng)，采用L16（45）正交表進行正交試驗，從而確定在不同環(huán)境因子條件對熱效率準確度的影響度大小。

2.3 正交試驗結(jié)果分析

在實際生產(chǎn)研究中，最優(yōu)的范圍解或者對結(jié)果的影響度的評判具有多種方式，但是通過正交試驗極差法進行分析，具有簡單、直觀、易理解等特點，表4為熱效率的極差分析結(jié)果。其中yi表示A在水平i下的結(jié)果之和（i為1，2，3，4）；γ為均值，yi =γi/4。

通過上述極差分析可以環(huán)境因子中的四個因素的影響大小關(guān)系為A〉B〉D〉C，最優(yōu)試驗條件為A3B3C2D1，且燃氣溫度tg的影響程度遠大于另外三個環(huán)境因子。

2.4 各環(huán)境因子的影響度分析

通過對tW1、Q、tg、Pa四個環(huán)境因子進行正交試驗得出各因子對于液化氣熱效率影的影響大小，最優(yōu)試驗條件下的tg為24～26 ℃。這是因為當燃氣溫度變化較大時會影響燃氣的密度大小，對當前條件下的熱負荷會產(chǎn)生偏差；其次，S-飽和水蒸氣分壓力的值大小是根據(jù)燃氣溫度的變化而相應(yīng)發(fā)生變化的，在同一組分條件下，S的值與tg成正比關(guān)系，因此燃氣溫度的測試條件如果偏差較大將會對燃氣熱水器的熱效率產(chǎn)生較大的影響，這與試驗結(jié)果是相符的。

表1 GB 6932-2015要求的測試條件允值表

表2 正交試驗因素水平表

表3 正交試驗設(shè)計與結(jié)果

表4 各水平下熱效率極差分析

因標準測試條件下熱值組分一定，波動范圍較小，且對于標準氣源而言組成成分穩(wěn)定度較高，可以認為對于生產(chǎn)及研發(fā)測試結(jié)果的影響度較低；基于恒溫算法的存在，進水溫度穩(wěn)定后，其對于熱效率的影響度最小；大氣壓力的極差值為0.76 %，在剔除液化氣燃氣低熱值Q下，其影響度僅次于燃氣溫度tg，在測試及生產(chǎn)過程中需要對此環(huán)境因子進行監(jiān)控比對以減小誤差。

3 結(jié)論

本文基于液化氣機型燃氣熱水器熱效率的影響因子出發(fā)，確定了影響燃氣熱水器熱效率的主要環(huán)境因子，然后通過正交試驗分析得出了以下結(jié)論：

1）較優(yōu)的熱效率測試試驗條件組合為燃氣溫度tg為24～26 ℃，大氣壓在100.5 kPa，燃氣熱值在95～96 MJ/Nm3，進水溫度在19～20 ℃條件下可以較為準確的評估機器的熱效率值（最終熱效率值需考慮測試不準確度）；

2）通過環(huán)境因子對液化氣機型熱效率的影響度分析可以燃氣溫度tg的影響度最高，對測試結(jié)果影響最大，這可以為后續(xù)的生產(chǎn)及研發(fā)測試條件的校核提供一定的參考依據(jù)；

3）校核環(huán)境因子的相符性，對熱效率的測試準確度有重要的意義。