基于CFD的燃氣熱水器風冷通道的研究

李羅標

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

燃氣熱水器是一種即熱型連續(xù)供應熱水的燃燒裝置，它是一種小型的熱力設備。在燃氣熱水器工作時，首先燃氣在燃燒室內發(fā)生化學反應，產生高溫煙氣，高溫煙氣流經換熱器，與同時流經換熱器水管的冷水發(fā)生熱交換，將冷水加熱為生活熱水。基本原理如圖1所示。

燃氣熱水器分為水路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)，熱水器的性能也與這三大系統(tǒng)密切相關。進入熱水器的冷水流經水-氣聯(lián)動裝置、水量調節(jié)閥后進入上部的換熱器，被加熱成合適溫度的熱水輸出；燃氣進入熱水器后，經過電磁閥，氣量調節(jié)閥，水-氣聯(lián)動裝置進入燃燒器。電路系統(tǒng)通過主控制板對水路和氣路系統(tǒng)進行控制,實現(xiàn)熱水器全負荷、多功能運行。工作原理如圖2所示。

由于燃氣熱水器的工作特點，燃燒室附近容易出現(xiàn)高溫區(qū)，這些高溫區(qū)會對控制系統(tǒng)中的電子元件造成損害，影響電子設備的使用壽命。本文針對這一問題進行研究，對燃燒室結構進行改進，旨在降低燃燒室外表面的溫度。

圖1 燃氣熱水器基本原理圖

圖2 燃氣熱水器工作原理圖

1 當前燃氣熱水器業(yè)內的降溫方式

熱量的傳遞過程是由導熱、對流、輻射等三種基本方式組合形成的，降低燃燒室表面溫度可以從削弱以上三種熱量傳遞方式著手。

在燃氣熱水器行業(yè)，為保護電子設備過熱采取了一系列降溫隔熱措施，目前常用的方法有加隔熱棉、加隔熱板以及燃燒室內壁添加涂層等方法，這些方法對電子設備有一定的保護作用，但也有一些缺陷：

1）隔熱棉與隔熱板

隔熱棉具有耐高溫、無變形、無脆化、不易燃燒、導熱系數低等特點。現(xiàn)廣泛應用于工業(yè)的隔熱棉都采用玻璃纖維為材質加工生產而成，從熱傳導方面減弱熱量的傳遞，有一定的效果。但是隔熱棉生產工藝復雜，成本偏高，而且在生產過程和使用過程中會產生污染物，不利于環(huán)境保護。隔熱板與隔熱棉類似，材質為高耐熱性的復合材料，具有較高的機械性能和介電性能，有良好的加工性，但同樣存在成本偏高的問題。

2）燃燒室內壁添加涂層

在燃燒室內壁添加涂層是通過降低壁面的發(fā)射率來降低熱輻射強度，從而減少熱量的傳遞，達到降溫的作用，但是涂層對工藝的要求比較高，涂料的附著力與柔韌性，壁面處理是否充分以及涂料的濃度都會影響涂層的壽命，不利于大范圍推廣，多應用少數特制機型中。

由于現(xiàn)有的降溫方式存在成本高、加工難、不環(huán)保等缺陷，需要重新設計一種全新的成本低、易推廣的降溫方式。

2 設計方案對比

2.1 方案設計

為了防止電子設備過熱,同時滿足低成本的要求,在設計過程中，研究人員提出雙層燃燒室結構，如圖3所示，燃燒室內壁與外壁之間充滿空氣，利用空氣的導熱系數較小來減少熱量傳遞,達到降低燃燒室表面溫度的效果。另一開發(fā)人員提出將雙層通道上下表面開口，讓空氣能在里面流通，形成風冷通道，利用空氣對流來給燃燒室降溫，如圖4所示。

2.2 物理模型

為比較兩種方案的好壞，本文借助ANSYS，對以上兩種方案進行對比分析，為簡化計算，取燃燒室側壁為研究對象，用燃燒室側壁的換熱情況來表示整個燃燒室壁的換熱情況，忽略在熱水器厚度方向的溫差，將側壁簡化為二維模型，如圖5和6所示。

2.3 網格劃分

根據上文所述，利用AutoCAD軟件對以上方案進行二維模型的創(chuàng)建，將建好的模型導入ANSYS18.2，利用ANSYS 中的mesh模塊進行網格劃分。網格劃分時，首先要對模型進行計算域的設置，即確定模擬對象是流體還是固體，或者是多孔介質等。對于本文的研究對象，空氣為流體域，將其設為Fluid，介質為air；內壁和外壁為固體域，設為Solid，介質為steel。利用四面體網格方案生成結構化網格，如圖7所示。

圖3 雙層燃燒室

圖4 風冷通道

圖5 雙層燃燒室簡化模型

圖6 風冷結構簡化模型

2.4 邊界條件

本文的邊界條件設置如下：

1）內壁內側：如圖8所示Hot，恒溫壁面邊界，給定壁面溫度，在燃氣熱水器運行中測得，約為215 ℃，取T1=487 K；

2）外壁外側：恒溫壁面邊界，如圖8所示Hot給定壁面溫度為環(huán)境溫度，約為25 ℃，取T2=298 K；

3）對于方案一，將空氣入口inlet和出口outlet設為絕熱壁面邊界；

4）對于方案二，將空氣入口inlet設為壓力入口，壓力值為-10 pa，實驗過程中用微型壓力計測得。出口為壓力出口，出口壓力等于大氣壓力，即表壓為0；

5）忽略重力對氣體的影響。

2.5 結果分析

獲得收斂的計算結果后，將計算結果導入CFDPOST進行后處理，得到兩種方案的溫度分布情況：

1）兩種方案表面溫度云圖，如圖9和圖10。

2）沿熱量傳遞方向，在同一截面上均勻取10個點，將這些點的溫度分布情況作成下列曲線圖，如圖11所示。

通過對云圖對比以及曲線圖的分析，可以看出風冷通道在沿熱量傳遞方向溫度要比密封通道要低，冷卻效果好，有利于對電子設備的保護。

圖7 結構化網格

圖8 邊界條件

圖9 方案一表面溫度分布

圖10 方案二表面溫度分布

圖11 兩種方案沿熱量傳遞方向的溫度分布情況

3 結論

本文針對燃氣熱水器領域現(xiàn)有的降溫方式存在成本高、加工難、不環(huán)保等缺陷的問題，提出兩種新的設計思路，并借助CFD數值模擬的方法，對這兩種方式的隔熱效果進行比較，得出利用風冷通道的效果優(yōu)于密封通道，該方案成本較低、加工簡單，適合大規(guī)模推廣。