儲水式熱水的熱傳導與傳熱分析

1對流傳熱傳遞熱量在自然界傳遞熱量有三種基本方法：熱交換、對稱交換和熱輻射交換。在蓄水式加熱中，主要通過熱交換和對稱交換進行熱激發，熱激發相對較小。在這項工作中，我們主要討論了熱傳導中的熱交換和對稱換熱以及儲水加熱的原理和分層加熱技術。為了簡化討論，本文將存儲室內的加熱加熱稱為熱水。電熱水器中的電熱管將電能轉化為熱能,根據熱力學第一定律:Q=AJW,W=PT。式中:Q—熱能;AJ—功熱系數;W-—功;P—功率;T—時間電熱管把電能轉化為熱能,通過熱量傳遞把熱量給內膽中的水,逐漸將周圍的水加熱,這個過程電熱管表面熱量主要通過對流和導熱傳遞到周圍的水。電熱管溫度升高,向四周水介質均勻導熱傳遞熱量,同時水介質以熱水上升,冷水下降形式向上部對流換熱傳遞熱量。傳熱學講“熱量從物體中溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分,或者從溫度較高的物體傳遞到與之接觸的溫度較低的另一物體的過程稱為導熱?！睂嶙裱氖歉盗⑷~定律:Qx=-λFdt/dx式中:λ—導熱系數;F—表面積;dt—溫度梯度;dx—距離梯度。水的導熱系數為0.599W/(m.℃),正常自來水是不良導熱體,熱量在水中通過導熱傳遞較慢。對流是指流體各部分之間發生相對位移時所引起的熱量傳遞過程。無論哪一種形式的換熱單位時間內、單位面積上所交換的熱量均符合牛頓冷卻公式。q=α△t,也就是Q=Fα△t式中:α—對流換熱系數;△t—溫度差絕對值。水自然對流換熱系數為200～1000W/(m2.℃)。由此看到熱水器內膽水中的熱量傳遞,對流換熱遠遠快與導熱換熱。水的對流換熱的方向是熱水上升,冷水下降。電熱管上部以對流換熱為主,電熱管下面只能靠導熱傳遞熱量。所以電熱管要想均勻快速加熱整膽容積的水,電熱管必須盡可能的靠近內膽的底部。在加熱過程中,底部電熱管附近的冷水被加熱,溫度上升后的水流向內膽上部,對流傳熱將熱量輸送到頂部,上部溫度較低的水流向內膽下部電熱管附近,形成完整的對流換熱循環,電熱管上部的水被迅速加熱。但是電熱管位置以下卻是靠導熱輸送熱量,由于水的不良導熱性,電熱管以下在首次加熱時溫度上升非常緩慢,形成相對的低溫區域。所以電熱管在內膽越低,熱水區的水就越多。熱水器是通過溫控器控制水溫,溫度控制點需要在熱水區域,當熱水區域的水溫達到設定溫度后,溫控器自動切斷電熱管的電源停止加熱,通過熱水器的保溫層有效的保持熱量以減少熱量損失。這時電熱管下部由于主要靠導熱傳遞熱量,會在很長一段時間內溫度相對較低。只有當熱水區域的水溫下降到一定的溫度后,溫控器自動接通電熱管的電源開始加熱。只有通過多次循環,電熱水器內部電熱管以下的溫度才會達到設定的溫度,所以在熱水器國家標準測試相關項目時要進行48小時的循環加熱,保證內膽內部水溫均勻。電熱水器電熱管功率較小,通常在3000W以下,是用內膽內的水為儲能介質,利用時間彌補功率較小的不足。由于電熱水器容量是有限的,放出一定的熱水的同時,從進水管補充等量的冷水,重新達到設定的溫度較長,與額定容積成正比,與加熱功率成反比。2熱水的補充和利用目前熱水器分廚房用小容量熱水器、夏天使用中等容量和冬天使用大容量熱水器。在廚房使用和普通洗臉洗手,容量在10升左右就夠了,僅一臺小型熱水器就能滿足,在夏季或春秋淋浴40升左右中型就能勝任,但到了冬季天寒地凍,尤其是盆浴熱水器需求量會顯著增加,一般需要60升以上大型熱水器;小容量快速加熱但熱水量小,大容量熱水器熱水多且加熱時間長,水量不足重新補充需要很多時間。加熱的熱水過多,多余的熱水由于沒有被及時使用,熱量被白白散失造成浪費,加熱過少熱水不夠用,由于電熱水器加熱速度較慢,熱水補充的時間需要很長,熱水器容積和合理使用的矛盾一直是熱水器系統的課題。用多少燒多少,減少保溫的熱量損失,是熱水器節能最有效的手段和研究課題。用多少燒多少在理論上需要多個不同容積的內膽進行串并聯才可能實現,這種方法結構復雜,成本很高,不能在短期進行商業化應用,需要通過簡單低成本的方案實現上述工作目標。中國人的傳統是勤勞節儉,大多數人中國人會在使用時才開啟熱水器,熱水器內部熱水是處于不平衡狀態,由于水的不良導熱性和水的良好對流換熱性能,電熱管上部水溫在相當長的一段時間內遠遠高于電熱管下部的溫度。電熱水器的工作原理是進水口在內膽的最下面,出水口在內膽的最頂端,理論狀態下,冷水將上面的熱水逐層頂出,只要內膽頂部還有熱水,熱水就從內膽頂端源源不斷的輸出。所以,只要保證內膽頂部有熱水就可以了,我們利用水的熱交換特性,在熱水器頂部劃分出小范圍相對容量進行加熱,滿足用戶在短時間內擁有小容量高溫水的,雖然長時間儲存后由于導熱的作用使內膽內部的溫度場趨于均勻,但這種相對容積加熱的特點還是可以利用的。3加熱時間、加熱方式及加熱效率筆者通過研究,目前中國電熱水器以100升以下臥掛式為主,100升以下的臥掛熱水器內膽直徑一般在500mm以內,對于分層加熱相對的容積的劃分最好是三個相對容積,換句話講,也就是在內膽垂直截面上,在上、中、下布置三組電熱管。將上電熱管放置在占內膽上部1/3容積的區域內。當然最好上電熱管在內膽上部1/4位置。由于水的不良導熱性和熱水上升冷水下降的對流傳熱特性,在加熱狀態時僅加熱電熱管以上的水,上電熱管在內膽上1/4位置,僅加熱1/4額定容積的熱水,加上向下導熱形成的熱影響區域,占整個額定容積的1/3以下,也就是在40-80升的主銷容積段中,僅加熱10-20升的熱水,滿足早晨洗滌和廚房使用的要求。上加熱時間的估算忽略加熱過程中的熱損耗和能量轉化損耗等式中:T—時間(小時);Vsa—上電熱管以上的容量(升);ts—設定溫度(℃);tn—內膽水的原始溫度(℃);P—電熱管的功率(千瓦)。如60升熱水器上電熱管僅加熱15升熱水,設定內膽-內膽水的原始溫度20℃,上電熱管的功率為3kW熱水器由加熱到60℃所需時間:T=15×(60-20)/3×860=0.23(小時)=13.9分鐘15升3kW熱水器由20℃加熱到60℃所需時間是13.9分鐘,考慮到導熱形成的熱影響區,整個加熱過程大約為15分鐘?？梢娪捎谏想姛峁苓x擇功率較高,加熱的水的容量只在15升左右,整個過程可以在15分鐘完成,無須等待。用完上部15升熱水就滿足了實際需要,下部的水沒有被有效加熱,無須保溫造成的熱量損失,整個整體加熱時間和效率顯著提高,可以減少2/3能源消耗。上電熱管在內膽最佳排布位置非常重要,位置過低,加熱水的容積過大,起不到速熱小容量用水的效果;位置過高,熱過沖現象明顯,容易造成出水溫度過高甚至汽化的危險。為保證快速加熱,上電熱管一般選擇在1000W到3000W之間,鑒于中國家庭用電現狀,最大功率一般在3000W以下,上、中、下電熱管在不同模式下需要單獨或并聯工作,單獨功率和串并聯電熱管總功率最好不大于3000W。為了有效控制上電熱管的工作,我們設計的溫控器測溫的位置也進行了相應的更改,將測溫的位置放置到上電熱管上部20mm以上的位置,可以敏感探測到上電熱管加熱狀態,在達到設定溫度時可以及時關閉上電熱管,避免溫度過度升高形成所謂的過沖。改變現有伸入內膽式的測溫方式,直接安裝于內膽外壁上,且靠近電熱管受熱的靈敏區域設置。不僅測溫靈敏度不會下降,而且不與水接觸,無水垢或其他雜質積結影響,長期使用也不會因結垢使靈敏度降低。將中電熱管放置在占內膽中部到下1/3容積的區域內,可以加熱到整個額定容積的2/3左右,由于水的不良導熱性和熱水上升冷水下降的對流傳熱特性,在加熱狀態時僅加熱到中電熱管以上的水,對內膽超過1/2的額定容積進行有效的對流換熱加熱,加上導熱形成的熱影響區域,熱水可以占到整個額定容積的2/3以內,也就是在40-80升的主銷容積段中,僅加熱30-50升的熱水,滿足春秋兩季淋浴的要求。加熱2/3額定容積熱水時,可以用上電熱管和中電熱管的不同位置和功率進行動態優化組合,在兩電熱管功率之合小于等于額定功率的條件下,根據對流換熱的原理,可以兩管同時加熱,提升到一定程度時,上電熱管停止工作,由中電熱管加熱完成達到設定溫度,避免上部溫度過度升高。這種加熱的優勢在于:在整個加熱初期,上部水溫快速上升,滿足一定速熱效果,在加熱中后期,主要靠中電熱管加熱,可以使2/3額定容積以內的水充分加熱,避免中部水溫尚未加熱到足夠的溫度而上部水溫過高引起控制系統探測到溫度已經達到而停止工作,相對熱水也比較多。但由于上部電熱管加熱的影響,中部的熱水可能得不到充分加熱就因上部溫控器探測溫度已滿足設定溫度而停止加熱。加熱2/3額定容積熱水時,也可以僅僅使用中部的中電熱管加熱,排除上加熱管的影響,整個加熱周期相對延長。這種加熱的優勢在于中部以上加熱充分,缺陷在于上部溫度提升較慢。將下電熱管放置在占內膽下部1/5容積的區域內,盡可能向下安裝。電熱管加熱容積約能占到額定容量的4/5左右,可以加熱到整個額定容積的80%以上。筆者設計的分層加熱電熱水器中電熱管在內膽這個區域盡可能貼近底部的位置,同樣是水的不良導熱性和熱水上升冷水下降的對流傳熱特性,下電熱管以下的區域在首次加熱時,往往是加熱的盲區,這里的容積得不到充分的應用。筆者設計的電熱水器由于結構的原因,在中心的大法蘭上集成分置中、下電熱管品,兩個電熱管存在明顯的高度差,中電熱管的有效區域在內膽中部略靠下的位置,下電熱管盡可能向下延伸。上電熱管在內膽上1/4位置,使用了小螺口電熱管,盡可能保證內膽的強度。三個電熱管呈品字型分布,彼此在對流換熱的直接通道的側前方,通過單片機智能動態控制系統,可以實現集成分置動態分層變容及智能動態控制系統,在滿足消費者的多種需求的基礎上顯著降低能源消耗的需求。這里我們要講述加熱整膽熱水時三組電熱管的應用技巧,由于有三組電熱管,我們可以充分的進行排列組合,滿足不同的用途。在上電熱管功率與中、下任意一個電熱管功率之合小于等于額定功率的條件下,初期上電熱管工作和中電熱管及下電熱管交替加熱,迅速提高熱水器上部的溫度,中電熱管及下電熱管交替加熱,起到為上電熱管預熱的目的,同時減少中電熱管及下電熱管周圍的溫度梯度,有利于傳熱,提高加熱效率;在達到一定溫度時,上電熱管停止工作,中電熱管及下電熱管交替加熱;達到更高的溫度時,中電熱管停止加熱,減緩內膽上層的水溫上升速度,為下電熱管充分加熱內膽下部的水贏得足夠的時間,整個加熱順序由上到下有序循環交替。由于水熱傳導性能較差,在大功率電熱管加熱一段時間后,溫度場的溫度梯度上升很快,過大的溫度梯度影響加熱效率,容易產生噪音和產生溫度過沖,影響熱水器精確控制,利用動態控制可以根據溫度場的變化和時間差的計算控制,交替打開和切斷不同電熱管,改善加熱工況,同時利用下層電熱管的攔截預熱功能,降低上電熱管溫度梯度,提高加熱速度,減少熱過沖的發生。在上電熱管功率與中、下任意一個電熱管功率之合大于額定功率的條件下,可以由上加熱管先行工作或與中電熱管串聯工作,迅速提高上部問題,保證出熱水時間盡可能縮短,然后依次打開中或下電熱管加熱中下部的水或利用串并聯加熱所在區域的水,提升那里水的溫度,盡量使整個內膽內部溫度均勻,減少由于溫度梯度過大帶來的湍流噪聲。這種加熱我們也同樣可以只使用下電熱管加熱整膽熱水,回歸到傳統的加熱方式,這種加熱的優勢在于整個內膽加熱充分,