容積式燃氣熱水器內循環加熱系統安裝實驗分析

沈小兵

（康特能源科技（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215000）

容積式燃氣熱水器內循環加熱系統安裝實驗分析

沈小兵

（康特能源科技（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215000）

容積式燃氣熱水器內循環加熱系統利用水泵進行循環加熱，不同的循環水進出口安裝方式會對水箱內的水溫產生不同的影響，如何避免這種溫度變化對用戶使用產生的不適將是本實驗重點研究的方向。

容積式燃氣熱水器；循環加熱；溫度變化

實際工程應用中發現，對于容積式燃氣熱水器，不同加熱系統的安裝形式和溫度控制方式，會對使用效果產生較大的差異。本文將通過具體實驗對承壓水箱內的水溫進行比較和分析，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的安裝和控制提供參考依據。

1 實驗目的

利用容積式燃氣熱水器的循環加熱作用，觀察水箱內水溫的變化，以確定哪種系統安裝方式更為合理。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，冷水的進入或加熱循環時，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。

2 實驗系統介紹

2.1 系統安裝原理，見圖1

圖 1 系統測試安裝原理圖

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 冷水進口可選擇加裝止回閥，為避免水泵堵塞，水泵進口處應加裝過濾器，管道連接過程中應做好保溫。超聲波熱計量表安裝在回水管道上，并與PLC通訊模塊進行連接，溫度傳感器與PLC的模擬量模塊進行連接。感溫探頭按等距離固定并放置到盲管中，加入導熱油，再將盲管從頂部深入到水箱中，緊固、密封。燃氣微壓表后應加設三通排氣閥，以便于初次調壓。

2.3.2 系統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放水的方式[2]獲取水箱內部的溫度變化趨勢。

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 上進下出系統初次加熱水箱各點時間-溫度變化曲線圖

2.3.4 系統利用溫差進行循環控制，如把回差設定在0℃，考慮到水溫波動，會造成頻繁啟動，可把溫度回差設定為5℃。將事前編程好的PLC程序與組態王軟件銜接，可利用組態王軟件面板直接對回差范圍進行自由設定。本實驗溫度控制方式為50℃啟動水泵，55℃關閉水泵。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，打開相應閥門。接通電腦，PLC和燃氣熱水器的電源，運行水泵強制循環（或輪流切換泄排水閥門放水），以排空燃氣熱水器內部空氣，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整至4 000 Pa左右。再次啟動水泵，燃氣熱水器感應系統水流，熱水器點火啟動運行，在運行過程中將系統壓力調整至2 800 Pa左右，系統正常運行。期間電腦會自動記錄水箱內各測點的實時溫度、水箱的進出水溫度和循環泵的流量。

3 系統分類及溫度變化曲線分析

3.1 上進下出循環系統

系統從1#水口抽水，經過燃氣熱水器加熱后直接回至8#水口，其他水口關閉。

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的滯后性，在116～125min時間段內，箱內各點溫度略有上升。

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律，但在時間上有一定差異，如A-B在同樣達到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，水箱下部各點水溫的變化更多的是依靠系統的循環作用。

在60～70min時間內，水箱各點溫差最小。加熱結束時，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。同時也說明系統的循環水量較小。

3.1.2 放水實驗水箱各點時間-溫度變化曲線圖3

圖 3 上進下出系統放水實驗水箱各點時間-溫度變化曲線圖

在15min時，開始隨機放水，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，當到達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。此時繼續加熱，將出現初次開始加熱的情況，T7、T8溫度陡然增高，各點溫度依次規律性升高。由于基礎水溫過高，上部水溫會很快達到60℃以上，因流量較小，燃氣熱水器出水溫度很快達到保護溫度而停機。

此系統在放水時會出現下列問題：一是冷水在進入水箱被循環加熱后送至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，這樣會導致水溫整體降低。二是系統在停止放水并繼續加熱時，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行加熱將出現初始加熱時的變化規律，如該時間點溫度較高，可能會使上部溫度急劇升高，甚至導致設備出現停機保護。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行改善，發現效果并不明顯，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 中進下出循環系統

系統從1#水口抽水，經過燃氣壁掛爐加熱后直接回至4#水口，其他水口關閉。

3.2.1 初次加熱水箱各點時間-溫度變化曲線圖

圖 4 中進下出系統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系。在107～110min時間段內，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系，對于T1點，自加熱開始至T1變化時間點的間隔較系統一明顯縮短。由于T4剛好位于進水口位置，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溫度達到55℃，由于熱水進水溫度在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，則系統啟動加熱的時間顯然滯后，且T4位于水箱進水點，會使系統過早關閉，水溫無法達到設定要求。

3.2.2 放水實驗水箱各點時間-溫度變化曲線圖

圖 5 中進下出系統放水實驗水箱各點時間-溫度變化曲線圖

在27min時，開始隨機放水，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。當到達55 min時，停止放水，在80min時，T1～T6的溫度最為接近，107min時，系統停止加熱。

在27～40min的時間段內，系統是處于完全放水不加熱的狀態，此時完全依靠自來水的推進作用自下而上地影響各層原有水溫的變化，即下層進入的冷水“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，由于制熱量小于放水損失熱量，故各層溫度將下降，且隨著放水的持續進行，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，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行加熱，但是T4的水溫明顯要高于下部溫度，故系統暫時依靠水泵循環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。在加熱結束時，水箱上下部溫差依然較大，且與系統設定停止溫度仍有較大差異。

3.3 下進下出循環系統

系統從1#水口抽水，經過燃氣壁掛爐加熱后直接回至2#水口，其他水口關閉。

3.3.1 初次加熱水箱各點時間-溫度變化曲線圖

圖 6 下進下出系統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系。初次加熱各點的溫度變化基本與時間成正比例關系，除T1外水箱內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，表現出良好的溫度變化曲線。由于熱水進水點靠近水箱底部，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，發生比較明顯的伴隨著物質和能量的共同交換，不斷到達某種均衡狀態[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。

通過比較發現，圖7與圖5具有相同的加熱規律：

在25～39min的時間段內，系統是處于放水不加熱的狀態，此時依靠自來水的推進作用自下而上地影響各層水溫的變化，即下層進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，由于制熱量小于放水損失熱量，故各層溫度仍將下降，且隨著放水的持續進行，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，T5的水溫要高于下部，系統依次為T4、T3、T2、T1進行加熱，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”熱水產生慣性對流，這樣導致T5溫度暫時降低。在60min時，下部各層溫度接近溫度T5，T1～T5的溫度才繼續上升。此時繼續加熱將使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發生對流作用，致使相應的水溫暫時降低，直到水溫趨于一致時，再整體分層上升。在加熱結束時，水箱上下部溫差約1℃左右，且與系統控制設定停止溫度基本一致。

圖 7 下進下出系統放水實驗水箱各點時間-溫度變化曲線圖

4 結論

在利用燃氣熱水器和蓄熱水箱安裝組成的容積式燃氣熱水器時，應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良好的直線變化，但最終水箱上下部的溫差與設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設定的溫度差值最低。

在第三種系統中，初次放水且不加熱的情況下，下部冷水的進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生一定影響，前提是已經停止用水的情況下，此時對用戶用水沒有影響。故在安裝燃氣熱水器與蓄熱水箱的工程時，第三種循環系統最為合適。

[1]GB／T 16411-2008家用燃氣用具通用試驗方法[S].

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

[3]楊世銘.傳熱學[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。