熱水膽的制熱性能CFD仿真與設計優化

辛 朋 徐國生

（1.艾歐史密斯（中國）熱水器有限公司 南京 210038；2.艾歐史密斯（中國）環境電器有限公司 南京 211200）

引言

近些年來，隨著凈水機的快速發展，單獨提供凈水的產品已不能滿足用戶的使用需求，凈水-熱水一體機應運而生。凈熱一體機，在凈水機的基礎上，集成了加熱功能，能夠直接提供用戶所需的熱水，冷水，溫水等，極大地拓展了凈水機產品的使用場景，如家庭，學校，醫院，商場，寫字樓等，已經成為凈水機產品中的主力機型。

對于凈熱一體機中的制熱模塊，一般分為兩類。一類是即熱式加熱方式，該方式的優點是空間占用小，整機體積小巧，但制熱水能力低，水流量小；一類是儲水式加熱方式，制熱水能力較強，該類產品一般都集成有一定容積的熱水膽，能夠儲存一定量的熱水，優點是能夠滿足多用戶集中或則連續用水，并能夠保證較大的水流量，用戶使用體驗更佳，缺點是整機體積略微增大，在儲存的熱水全部使用完后，需要一定的熱水恢復時間。

熱水膽的制熱水能力與熱水膽的結構設計和電加熱功率密切相關，但一般電加熱功率受使用場所的限制較大。因此，熱水膽的結構設計，是關鍵之一。熱水膽本質上與電熱水器類似。盛保敬[1]等通過CFD仿真模擬電熱水器熱水輸出率計算過程，對加熱管分布位置和進水管設計進行了優化，提高了熱水輸出率。馬平[2]通過對熱水膽進行雙模設計，實現了熱水量的增容。

本文通過CFD仿真方法，模擬了用戶連續用水和再加熱恢復的熱力學過程，針對其特性，提出了一種新的結構，能夠提升熱水膽的制熱能力，并大幅降低熱水再恢復時間，提升了凈熱一體機的性能，改善了用戶使用體驗。

1 凈熱一體機熱水膽結構及CFD 模型

1.1 熱水膽結構

某型凈熱一體機的熱水膽結構如圖1所示，容積為6 L，主要由加熱棒，溫度探頭，冷水管、熱水管和膽體組成。其工作特點是，下方的加熱棒通電后，將水加熱至設定溫度，用水時冷水通過管路補充到膽內下方，將熱水通過上方的出口擠出，可減少冷熱水的混合，充分利用膽內的熱水。

圖1 熱水膽結構示意圖

1.2 CFD 模型

本文采用Fluent 軟件，建立了熱水膽的網格模型，如圖2所示，網格數量236 萬。由于水的密度隨溫度升高而降低，使熱水上浮，冷水下沉，特別是在冷水將熱水擠出的過程模擬中，要考慮浮力的影響，因此也必須設置水的密度隨溫度變化曲線。文獻[3]水在不同溫度下的密度如表1所示。

表1 不同溫度下水的密度

圖2 熱水膽CFD 網格模型

加熱過程中，存在強烈的熱對流，因此CFD計算選擇湍流數值計算。Fluent 中選擇k-e 模型，標準壁面函數Standard wall function，打開浮力選項。求解器采用SIMPLE 算法，壓力離散方程采用Body Force Weighted，其余方程保持默認選項。

連續用水過程中，邊界條件設置如表2，加熱過程中，進口和出口改為壁面邊界即可。加熱棒功率在探頭溫度低于90 ℃時開啟，高于97 ℃時關閉。

表2 邊界條件設置

2 CFD 模擬分析

為了分析熱水膽的工作過程，將對熱水膽的一個典型工作循環，即初始加熱-連續用水-再加熱的整個過程，進行CFD 瞬態仿真。

2.1 初始加熱仿真結果分析

探頭溫度分別為70 ℃時刻，膽內的豎直截面內的溫度分布和流速分布如圖3 和圖4所示，可見在加熱過程中，加熱棒周圍的水被加熱后，形成一束明顯的熱水區，向上方流動，而周圍的冷水又補充到加熱棒附近，因此形成膽內的水流動。溫度探頭97 ℃時刻，加熱結束時的溫度分布，如圖5所示。整個熱水膽內的溫度差異不大，僅加熱棒下方很小的區域溫度低于其他區域的溫度，主要原因是熱對流，使冷熱水在加熱過程中不斷混合，最終使水溫趨于相同。

圖3 加熱過程中水溫分布

圖4 加熱過程中速度分布

圖5 加熱結束時水溫分布

2.2 連續用水仿真結果分析

初始加熱結束后，打開入口邊界，連續輸入0.25 kg/s 的25 ℃冷水，將熱水從出口擠出，出口水溫低于90 ℃時停止，即模擬用戶連續用水至水溫低于90 ℃。

用水過程中，冷水進入水膽下方，將熱水從上方擠出，從圖6 可以看出，冷水和熱水在下方有一定的混合，但總體上冷水不會直接沖擊上方的熱水，而是將熱水緩慢擠出，水流速度分布如圖7所示。在出水溫度低于90 ℃停止用水時，膽的上部，殘留一部分溫度明顯高于下方的熱水，如圖8所示。

圖6 用水時的溫度分布

圖7 用水時的速度分布

圖8 用水結束時溫度分布

2.3 再加熱仿真結果分析

當用水至探頭的溫度低于90 ℃時，加熱棒啟動，對膽內冷水進行加熱。加熱過程中由于加熱棒將下方的冷水加熱到一定溫度后，便流向上方與上部未擠出的較高溫度的熱水混合，速度分布如圖9所示，導致上部原有的熱水溫度反而降低，如圖10所示，造成上部殘留的熱水未得到充分利用。再加熱約2 min 后，溫度探頭的溫度降至最低，膽內水溫趨于一致，如圖10所示，10 min后恢復到90 ℃，而在此過程中，熱水溫度均低于用戶需求。

圖9 再加熱時速度分布

圖10 再加熱2 min 時溫度分布

圖11 再加熱10 min 溫度分布

3 熱水膽結構優化及CFD 模擬分析

3.1 結構優化

從上述仿真分析可知，當前熱水膽的熱水再加熱恢復時間較長，主要原因是再加熱過程中，冷水沖擊到上方與部分殘存的熱水混合導致該部分熱水沒有被充分利用。本文，設計了一個單獨的加熱腔體和熱水引導管，將加熱棒封閉在該腔體內，如圖12所示。通過腔體上的開孔將冷水吸入，加熱后通過水管將熱水引導至上部的熱水層，引導管上方設置有減少擾流的結構，盡量避免水流沖擊產生混合。并在中部位置設置溫度探頭2，作為加熱棒的溫度控制信號。

圖12 熱水膽優化后結構

3.2 新結構再加熱仿真結果分析

由于新結構的初始加熱和連續用水過程與原結構差異不大，因此不再展開仿真結果的分析，僅對再加熱過程的仿真結果進行分析對比。連續用水后，熱水膽內的溫度分布如圖13所示，此時，中間溫度探頭的溫度低于90 ℃，加熱棒已經開啟加熱即提前加熱，腔體內加熱的熱水被送到上部與原來的殘留的熱水混合，膽內的速度分布如圖14所示，并在約4 min 后，膽內上部水溫達到90 ℃以上，如圖15所示，可供用戶使用，即用戶等待可用熱水恢復的時間縮短了一半以上，之后加熱棒繼續加熱至探頭溫度97 ℃后停止加熱。

圖13 用水結束時溫度分布

圖14 再加熱時速度分布

圖15 再加熱4 min 后溫度分布

4 熱水膽制熱性能測試驗證

本文制作了優化后的熱水膽，搭建樣機，測試了優化前后熱水膽的制熱能力和90 ℃熱水恢復時間，結果列入表3。優化后的熱水膽由于可以提前加熱，而不影響膽內的熱水分層，因此制熱水能力提高19 %。優化前后，熱水膽內可用熱水溫度隨時間的變化曲線如圖16所示，用戶等待90 ℃熱水的時間減小58 %，綜合性能得到明顯提高。驗證了本文優化后熱水膽結構的可行性，并同時驗證了本文CFD仿真方法的有效性。

表3 測試的管路應力

圖16 溫度-時間曲線對比

5 總結

本文通過CFD仿真方法，對某型號凈熱一體機的熱水膽，初始加熱、連續用水和再加熱恢復的運行過程進行了分析和討論。通過分析發現，再加熱過程中，部分熱水未得到充分利用，提出一種將加熱區域和儲熱區域分隔的結構，能夠使加熱過程中不破壞膽內冷熱水分層，并對優化后的結構進行了CFD仿真和試驗驗證。測試結果表明，優化后熱水膽的制熱能力和熱水恢復時間都明顯改善。