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提高燃气热水器的热效率和燃烧效率

S. Tajwar * , A.R. Saleemi, N. Ramzan, S. Naveed

摘要

传统的热水器的热效率和燃烧效率分别是35％和67.4％左右。燃烧效率和热效率可通过改变各种影响因素加以提高。其中湍流，温度，时间的影响已确定，可以用来改善传热。热水器燃烧效率，热效率，恢复速率和气流取决于热水器的设计。实验调查引进各种通气管中形状不同的挡板主要有扁平，锥形，肋形，刺形。据观察，这些引进显著的提高了性能。其原因主要是延长了烟气在管道的时间，温度降低的幅度减小，而且减小了废气在管道中的动能损失。据实验结果，带刺铁丝网效果最为明显，将热效率提高到了67.4%，将燃烧效率提高到了88%。

前言

天然气是巴基斯坦的主要矿物燃料中的一个。 该国的能源需求几乎有一半是来自天然气和天然气的加工品。消费模式显示在图1.

天然气总消耗量国内份额为24.1％而它的三分之一在燃气热水器被使用。大部分的巴基斯坦家庭正在使用的热水器是传统的水槽型水加热器。根据相关报告热效率和燃烧效率分别为35％和67％。决定热水器效率的主要因素是烟囱温度，过量空气和不完全燃烧。热效率过量的空气和不完全燃烧。据观察，烟道气在燃气热水器离开烟囱的温度大概为200摄氏度。

烟气在这种高温环境下导致放电带来热的浪费，因此需要更多的燃料降低了25摄氏度废气温度会减少燃料1％的消费，并提高相同比例的热效率[1]。过量空气稀释燃烧过程如

氮的组合物增加。减小空气过剩的15％可以提高热效率的1％[2]。一样如果过量氧气减少1%则热效率提高2.5% [3]。不完全燃烧发生在以下几种情况：第一，燃料过多或过少。第二，空气量不符合化学计量比。第三，空气过少，燃料燃烧变成CO，比充分燃烧变成CO2放出的热量减少70% [4]。

可以通过改善这些参数来提高热效率和燃烧效率，所以可以改变：时间，温度，流动状态 [5]。对于增加传热，一个常用的方法是使用不同的几何形状的湍流促进剂。其中使用

扭曲磁带和导线线圈[6]，螺旋带插入[7]，凹坑[8]和肋条[9]。他们的实验结果证实，使用

扩展表面导致过度平原更高的传热速率表面。但是不同的几何形状的鳍片可以提供高得多

传热值作为相比上述传热的增强元素[10]。除了这一点，发现为强化传热工具使用“带刺铁丝网”不是一个很常见的做法。

典型地，在热水器的传热的情况下与增强对流。这种效果是通过使用挡板来实现

[5,11e13]。其它对热效率和燃烧效率有贡献的是：增强压降，提高与水接触的时间并减小过量空气系数；控制节流阀来由于废气还可以从提高热效率提高燃料除了效率受限流控制[5,12]；挡板有助于指导烟气在不同的方向[12,13]。

2.理论背景

几何和挡板的设计对热水器的加热效率起主要的影响。据报道,在其外表面与峰值挡板设计比传统的平板型挡板产生更高的传热效率(11、14)。Beckermann[15]报道,通常令人困惑的可以提高传热效率高达50%然而凝结可能出现使之被限制在82%[11]。

这种平板型挡板没有任何扩展表面，传热在分子水平上是作为

Ka:烟气的热导率,(v / v),y 1frasl;4 0是wallegases接口烟气的温度梯度，qb是裸板单位面积上的传热速率。因此当强化传热因素来估计被放置于表面去覆盖地区工厂时，传热面积从固体表面转移到流体减少到 (1 f) Ab，其中 Ab 表示裸板的表面面积。因此,通过增加元素估算传热增强，可以写成

qa是增强热通量,财务报表是固体和液体之间的界面的热通量(烟气),qbp是通过扩展的根据地的表面热流,ka和ks烟道气体和固体材料的热导率，,分别是自由区和烟气道之间的温度梯度和底板和基础面积扩展表面之间的温度梯度。

实验细节

3.1实验设备

平板状，圆锥形，翅片和带刺形在这个研究中被用来确定的烟道气与水加热器的加热管道内产生的湍流和出口气体温度的保持时间的影响之间的关系（对图象见图2板块和图3进行详细的工程图纸）。测试的挡板是用软钢制造。挡板B在整个长度上保持均匀的宽度和厚度的，挡板C自其底部到顶部均保持圆锥形。而挡板D和E都是相同大小的锥形底部使得烟气在堆栈管保存较长时间，并且在其余长度为圆柱形形状。D和E之间的区别是在延伸面上。挡板D有散热翅片，每片相隔5厘米。而挡板E则沿挡板除了锥形段全长焊接带刺铁丝网。

用于实验的电热水器是能3500加仑的储存式热水器。燃气热水器的示意图和图像板示于图4。

3.2 实验过程

当热水器中进入的天然气达到一定量之后，从燃烧室底部点燃。烟道气上升通过位于加热器的中间管道。输送的热负荷后的烟道气顶端释放同时温度被记录下来。当达到稳定状态时对水连续流动和气体的组合物的测量值进行的研究是在数字烟气分析仪（TESTO M / XL。德图454）的帮助下进行的。通常此时的水温是55摄氏度。每个实验过程中被插入不用的挡板，同时对水和环境的温度进行监测。天然气的体积消耗和各实验所用时间也被记录下来

结果与讨论

将使用不同挡板的实验结果列于表1中。可以看到通过挡板来提高湍流程度对减小排气管出口温度的影响，然后通过延长热气体停留时间与之进行比较，这与对流换热理论相符合。而挡板E的实验结果具有更加重要的意义。这些实验的热效率，燃烧效率，恢复速率和阻力的减少已经计算出来并且收集在表格5-7。

4.1热效率

在确定热效率时，产生一定量的热水所需的燃气是一个重要的因素。在表格1中可以看到，没有挡板时燃气热水器所消耗的燃气最多，有挡板E时让燃气热水器燃气消耗最少。在这种规格下，无挡板的燃气热水器热效率是35%，而有挡板的燃气热水器热效率是68%。图5列出了通过公式3计算出来的不同挡板下燃气热水器的热效率。除了燃气消耗量，减少阻力;增加的动荡和内部的温度有助于使热水器的热效率提高。

4.2燃烧效率

因为挡板有助于湍流的产生，所以对燃烧过程效率的提高有很大作用。混合的气体给未燃烧的燃气和空气提供了一个充分接触的机会，故可以继续燃烧反应并且提高燃烧效率。在烟道气体分析仪的帮助下，对不同情况下的燃烧效率进行了分析计算（公式4）。燃气热水器的其他参数除了燃烧效率之外包括未燃烧的氧气，一氧化碳，氢等也通过烟道气体分析仪测出并总汇在表2。烟道中没有挡板时，燃烧效率最低只有67.4%。然而有挡板B,C,D,E时燃烧效率分别为77.3%，85.5%，88%，88.1%。

4.3 恢复率

恢复率指的是燃气热水器把冷水加热成热水的速度有多快。本论文的恢复率用一小时燃气热水器将冷水加热到55摄氏度的热水量表示。在一定时间内，加热的热水量越多则燃气热水器的传热性能越好。在图6中可以看到不同挡板下的燃气热水器在一定时间内的热水量，从20.6加仑到29加仑。

4.4减少热散失

减少气流是燃气热水器提高热效率和燃烧效率的最主要原因。在高温热源（烟道气体）和低温热源（水）之间传热的增多就是减少热散失。这表明减少热损失可以通过提高传热系数或者减小出气管温度。热散失主要取决于实验过程中已经测出的出口气体温度值。从表一可以很明显的看出从没有挡板的燃气热水器排气管出来的气体温度是200摄氏度，而从有挡板E的燃气热水器排气口流出的气体温度是65摄氏度。用公式5计算出热散失并将结果总汇在图7.

5.结论

通过改善流动通道内燃烧气体的湍流程度能够提高水箱热水器的热效率与燃烧效率。这已经通过使用各种表面设计实现，现在已经知道有倒钩的铁丝网能够提供最佳的燃烧效率和热效率。本文的改进措施效果显著，能够节省40％—50％左右的燃料。延伸表面的引入导致热气体在流管中的滞留时间的增加，从而降低烟气的温度。改进后的热传递是通过有效的湍流程度来实现的。

感谢

作者非常感谢北方天然气管道有限公司（SNGPL）和U.E.T Lahore的化学工程部门提供财政援助。

附录

理论计算

在研究中，可以通过以下参数的计算来比较折流板的性能情况。

1热效率

热水器的热效率是所有参数中最重要的一个。热效率是指被水吸收的热量与天然气提供的热量之比。热效率实际上表征了被燃料释放出来的热量能够加热水到何种程度。用来计算热效率的表达式是：

2.燃烧效率

表征燃料释放热量的程度。燃烧效率是通过总的（即100％）减去干燃气损失，未燃燃料损失和潜在热量损失来得到。数字烟气分析仪是通过以下表达式来计算燃烧效率的。

3.回收率

是指用热水器加热1小时加热到一定温度水的数量。在这项研究中，回收率是指1小时加热到55℃的水的量，单位：加仑。回收率可以通过下面的方法计算：

4.散热损失

烟道内压力差导致烟道内的燃气都向上移动。为了能更有效的加热水，减少烟道排烟量是很必要的，这样能够加长烟气与水的接触时间，更好的给水加热。

符号：

M 水的质量32千克

Cp 水的比热容

Tout 出水温度

Tin 进水温度

Delta;T 进出口水流温度之差

Hv 燃气热值

Qgr 总热值

Qnet 净热值

CO 烟气中一氧化碳含量

Co2 烟气中二氧化碳含量

K1 天然气常数

Kgr 总热值碳含量

Knet 净热值中碳含量

FT 燃气温度

AT 环境温度

X MH2O 9H

MH2O 天然气含水量

H 天然气含氢量

Vw 加热水的体积量

T 加热一定提及所需的时间

Delta;P 水的压力差

P a 大气压力

R 理想气体常数

T2 烟气温度

T 1 环境大气温度

G 引力系数

Ka 烟气的导热度

分别是自由区和烟气道之间的温度梯度和底板和基础面积扩展表面之间的温度梯度

参考文献

[1] Department of Energy (DOE), Office of Industrial Technologies, Energy Effi-ciency and Renewable Energy. Best Practices Program. Information on steam, (2001).

[2] C. Galitsky, E. Worrell, Energy Efficiency Improvement and Cost Saving Oppor- tunitiesfortheVehicleAssemblyIndustryanENERGYSTARGuideforEnergyand Plant Managers LBNL-50939-Revision. Environmental energy Technologies Division Sponsored by the U.S. Environmental Protection Agency, March 2008.

[3] Canadian Industry Program for Energy Conservation (CIPEC)., Boilers and Heaters, Improving Energy Efficiency. Natural Resources Canada, Office of Energy Efficiency, 2001a, (August).

[4] Lecture notes on“Energy Conservation in Industry” by Professor Hebert M. Eck- erlin, North Carolina State University. www.mae.ncsu.edu/courses/mae406/ eckerlin/index.html.

[5] C. Aguilar, D.J. White, L. David, Domestic Water Heating and Water Heater Energy Consumption in Canada Technical report by Canadian building energy end use, CBEEDAC 2005eRP-02 (April 2005).

[6] A. Dewan, P. Mahanta, K.S. Raju, P.S. Kumar, Review of passive heat transfer augmentation techniques, Journal of Power and Energy 218 (2004) 509e527 Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A.

[7] S. Eiamsa-ard, P. Promvonge, Enhancement of heat transfer in a tube with

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