燃气热水器的理论热效率及其分析

1、i煤乳与热力GAS & HEATV4 27 No, 3Mtir. 2007* 31 *i* 31 *i?燃气燃烧与应用I臂衣盗礎軒富巒碍溶昭普燃气热水器的理论热效率及其分析艾效逸，傅忠诚，詹淑慧，潘树源，徐 鹏，史永征(北京建兢工程学院.北京100044)摘要：对家用燃气热水器的热平衡及撫效率进行分析口从彩响热效率的诸因潼入手尸寻皋 提高热术器热效率的途径。冷凝戎热水器具有相当丸的节能港力+降低排烟温度可有效提高搠水 器対就準。关键词：燃气然水器；冷瞬或热水器；厲效率；理论热效率；热平衙中图分类号：TU996 文献标识玛：A文章编号：1000 -4416(2007)03 -0030 -

2、06Theoretical Thermal Efficiency of Gas Water Heater and AnalysisAl Xiao-yi r FU Zhong-cheng, ZHAN Shu-hui t PAN Shu-yuanTXU Peng, SHI Yong-zheng(fjisliiuie of Civil Engineering and Archiiecture, Beifing 1000441 China)Abstract: The thermal balance and thermal efficiency of domestic gas water heater

3、are analyzedr The ways to enhance the thernia efficiency of gas waler heater are searched by starting with the various factors affecting the thermal efficiency. rHie condensing water heater has a considerable energy-saving po- tentiaJ T and reducing the flue gas ifimperature can effectively enhance

4、the thermal efTiciency of 吕曲 water heater.Key words； gas water healer； condensing waler heater； thermal efficiency; iheorelical thermal efficiency； thermal balance* 31 *i* 31 *i节约能源是我国投展经济的战略任务据统 计尸我国建筑能耗約占全国总施耗的如喘左右，而 在建筑能耗屮，供暧和空调制冷能耗约占邸尿左 右。与国外相比，我国的鏈筑能耗比先进国家高岀 倍。因此*如何减少处筑能耗和提高用热设备 的热效率已成为节约陡源的觅要内

5、容+已成为备受 关注的问题口叫随着燃气热水器在建筑供暧和供牛活热水方面 的应用提爲热水器的热效率已成为降低建筑能耗 的電要内容“本文将从理论分析人手，探讨热水器 的理论热效率及其影响凶索，以寻求提高热水器热 效率的途径*从而达到节能和减排N反与£0的冃 的口1燃毛热水器的热平窗热水器热平衡关系应满足输人总热量0与输 出总热壇认相等，即：a 7(1)Q严&心J(2)<?=?- + + 0V.= 0“ + 5(4)4 = 0和+ 0詁(5)Q“h =叫Qh(6)J.l - V$Qi(7)Q* =咛沐直7 JQf = Qti + QsQu =Op4“F 7)(10)waler

6、gasheaL com艾效還*寻：燃气裁水器的理论热效率及其分折5 = %乙(12) 匕产) Q“二灯皿(14)Qci = KrF,(G(Qft2 = pw,frf(16)=+Pw.e +Pr(17)式中水器输人总热it,kJ水器输出总热吊+订Q*烧空气带人热.kJ匕一燃气带入热kJQ诙一气化学热就J,当按燃气高热值计 算时用(V*表示，当按燃气低热值 计算时用仇.“表示Q*被加热水掘得的有效热量,kJQ、烟气带出热,kJQ设备数热损失,kJQatQ.Qu燃烧空气、燃气、烟气显 热山JQz 4討烧空气、燃气、烟气中水 蒸气的潜热,kJV.、人、叫一烧空气、燃代、烟气的体积, m3Qh气底热值t

7、 kJ/m1气低热 M.kJ/m3mw被加热水的质量,kgCp,、被加热水的比定压热容,U/( kgK)£,占被加热水的进、出水温度亠引水器对环境空气的表面传热系数,W /( m2 * K)4-一热水器外表面积朮fF一水器外表面温度，弋tt山占燃烧空气、燃气、烟气温度代 匚.、叽、5燃烧空气、燃气、烟气的比足 圧热容，kj/(n? * K)卩申7燃烧空气、燃气中水蒸气质量浓度,k “川几人山一烧空气、燃气、烟气温度下水蒸气的凝结热AJ/kgP*1卅燃气燃烧产牛.的烟气中水蒸气 含量* kg/n?a一烧过剩空气系数叫一一I m5燃气燃烧理论空气需要量，卅/ m3几"1卅燃气燃

8、烧直接生成理论水蒸 气 itAg/m1根据上述分析，热平衡关系式为：(18)即:(19)0八0+U-QT2热水器热效率计葬方法热效率迢义为水通过热水器得到的有效热量与 燃气化学热之比，用乃表示。2.1正算法本算法通过测疑燃气和水的体积及斤潜热得到 实测热效率。(20)(21)(22)按高热矗计算的热效率：按低热值计算的热效率：2.2反算法热效率通过热损失计算得出，为理论热效率减 去各项热损失率。本算法用于分析和改善热水器热 效率。按高热值计算的热效率：Q* Qd 认(23)Q - S - 5 -也(24)Qi = %-Qtri -Qz(25)(26)式中Q、水器烟气的显热损失,kJ Q2一水器

9、烟气中水蒸气的潜热损失 按低热值计算的热效率：211 ° +0*0匕冲0 叫Ql 由此，可以得出以下关系式： 按高热值计算，由显热损失引起的热效率降低值 Ai7h,i :(27)* 31 *维普nttp:/第27甚第3期煤气与热力wwwa wateraishfial. cum按低热值计算，山显热损失引起的热效率降低 值A叶讨:Ai?l.i =7-（28）业阿L按高热值计算，苗潜热损失引起的热效率降低 值注叽：5、尹善J（29）按低热ffni算，由潜热损失引起的热敘率降低(30)按高热值计算，由设备散热引起的热效率降低 值血畀:A77T|,3（别）按低热值计爲1由设备歆热引起的热效净降

10、低 值:5'心=（亞）Ve.l3理论热效率理论热效率为理想条件下的热效率的理论值。 如果热水器达到下列理想条件，热损失为S热效率 达到理论值。 烟气出口温度、空P温度和燃气温度相等* 即F = 过剩空气系数盘二1,空气需要锻为理论空 气需耍最时,烟气中co2 5为色大。当CH4ffi 烧时，产牛.的CO休积占烟气总体积的IL7%. 热水器向周圉散热损失为0,即,0=九 对冷凝式热水器，热水器排出烟气中燃烧 产牛.的水蒸气全部瞬结,苴擬结热全部为热水器有 效热，3.1非冷凝式热水器的理论热效率在这种情况下，烟气中水蒸气潜热作为热损失 计算l按高热值计算的理论热效率:(33)对纯甲烷燃烧，

11、甲烷低热值为（?1 = 35 906 kJ/存髙热值为Qu =39 842 kJ/mS则:按低热值计算的理论热效率：0 =100%3,2冷凝式热水器的理论热效率烟气燃烧产生的水蒸气全部凝结，凝结热全部 转为有效热。按高热值计算的理论热效率乂7 II = 100%按低热值计算的理论热效率：纯甲烷燃烧时，有：=&906 = 110 96%4冷凝式热水器节能分析4.1冷凝式燃气热水器节能原理设燃气热水耦以纯CH4夭然气为燃料。CH4燃烧的化学反应式为：CH4 +2O22H2O + CO2冷凝式热水器的换热原理是不仅利用显热，还 要将烟气中水蒸气的潜热充分回收，其方法愿使烟 气中水蒸气在低于烟

12、气饱和温度下凝结，放出潜热, 将这部分热£1通过冷瞬换热器传给被加热水从而 有效地利用了烟气中的水蒸气潜热。对干1屛CH#,燃烧产物中水蒸气凝结放出潜 热约为低热值的11%,非冷凝式热水器排烟温度 高，水蒸气以代态排出，水蒸气潜热未能利用。相比 较可知，冷凝式热水器的理论热效率比非冷凝式热 水器离出约11%.42冷凝水及冷癡放热计算水蒸气冷瞬量主要取决于排烟温度。当燃气中 水蒸气含址高于烟气温度所对应的饱和水蒸吒含議 才会发生鑫擬*水蒸气含虽达到烟气温度所对 应的饱和水蒸气含虽时凝结停止o对于纯CH.（干燃气几燃气中水蒸气含量几# =0 kg/m3o对于纯CH*燃烧（干燃气）J n?

13、燃气燃焼直接 生成理论水蒸气666切对于纯CH.燃烧（干撚气）J m5燃吒燃烧所證 空气带人的水蒸气鼠为:几.以=1.293盘岭皿“）32维普nttp:/第27甚第3期煤气与热力wwwa wateraishfial. cum35 90639 842= 90. 1%(35)32|维普贤讯 nttp:/|第27藝第3期煤气与热力www. watrgahrat. com艾述逸，警：燃气热氷器的理论热就準現其分析 34|维普贤讯 nttp:/|第27藝第3期煤气与热力www. watrgahrat. com 34|维普贤讯 nttp:/|第27藝第3期煤气与热力www. watrgahrat. com

14、式中 几亠一1兀燃气燃烧所需空气带人的水 薮气量小旷亦“一撚烧空咒中水蒸气含電,焰/煽 纯甲烷燃烧烟气屮水蒸社含竜由式(17)可得；p* = 1.666 + i. 29%浪“(36)图1为烟气中饱和水蒸气量与温度的犬系曲 线可根据升査得烟气温度下前帼和水蒸气量 m. d o團1不同烟吒温度下炮和水蒸汽含Fig, 1 Saturated vapor content at different Que gaa temperatured烟气温度下,水蒸气冷凝达到平衡时的水泰气 量，即为不可冷施虽：Pv.r.d = mrf.hPFO?)式中久*1川燃气燃烧在烟气温度下的不 可冷凝MAg/ni1叭&quo

15、t;一烟气温度下的饱和水蒸气最，kg/ kgPf 1 m3燃气燃烧所产生的干烟气虽,k附冷凝式热水器在排烟谢度心下的冷擬水虽为：P* =Pwpf 一卩讪=1.666 + 1- 293吨叫.- "4低)式中 久 一1 n?燃气燃烧在排烟温度下的冷凝 水 ILkg/n?当烟气温度叶=20覽时热水黠总冷凝放热星 为：Qi =岭(39)式中Q讣热水器总、冷凝放热#,kj 5热水器的实际热效率分折5J排烟温度对热效率的影响热水器的实际排烟温度不可能等于环境空气温 度或回水温度，因此存在排烟的显热及潜热损失，烟 温愈高,排烟损火愈大、热效率愈低O传统的热水郡措非冷凝式)为避免水蒸气凝 结对换热器

16、腐蚀，国际标濮规定排烟温度应大于 110 在此温度下烟气屮水蒸气不会凝结+排烟 损火包括烟咒的显热损失和全部的潜热拥失，且0 与a均较奇。冷瓏贰热水器排烟温度-般在呦兀以下其中 大部分水蒸气可擬结下来。烟气的显热损失西潜热 损失均较低，热水器热效率高。5-2过剩空气系数的影响由于撚气与空气混合的不均匀性，热水器在实 际运行中供酣燃饶的空气星聲大于理论空气需要 蚩才能实现完余燃烧，因此过剩空气系数«>U由于a烟气中存在过讯空咒，烟咒中co2 浓度降低-烟气总址增JJH.tl-ffl同排烟温度下带走 的显热吐增加，致使排烟热损失增大。显然g越 大，排烟热损失越大，热水器效率越低。随

17、着"增大,水蒸气在烟气中的含皇降低，即 分压降低,对应的饱和温度降低，烟气屮可凝结的水 蒸气壘將冇所下降'也将対总热效率产牛影响。5.3热水器散热损失的影响热水器的散热损失与热水器结构形式和设备衷 面温度冇关,閃而与排烟温度有关°根据实测资料，热水器就热损失为1尿-7%s 以2%较多。本计算中，根据排烟温度及表面 温度计算的散热损失为1% 7靈。6热效率计算依据假设前提条件:m2!灭然气为基准气,即以纯 甲烷为计算基础;空气、燃气以20弋进入燃烧系统, 空气的相对昭度为100%，燃气为干燃气;忽略热水 器的散热损失扌在g = 1.0-2. 2旳二20 "0

18、0弋条 件下进行计算口 非冷凝式热水器的显热热效率损失按低热值计算的显热热效率损失见图2O ft热 热效率损失随着“2的增大而呈上升迪第。= 10tte = 110 忙时，A肌为 M 3赚；当 aZ2tt » 200龙时山为】)3% 4 非拎凝式热水器的潜热热效率损失非冷凝式热水器排烟爲度在100花以上，烟气 中的水蒸气全部以气态排出，水蒸气将全部潜热带 走,而不能利用。当燃气按高热值计尊时，此部分热量损失为 乞小该值不随住和耳变化.热败率损失为入加.“图2非冷凝式热水器的显热热效率损失按低耕值计算)Fig, 2 Semible thecmal etBciency lass of n

19、oji-condenanifwater heater (calculated as net calori&c value) 非冷凝蛊热水器热效率 按低热值计算非拎凝式热水器热效率见图3-图3非冷凝式热水器热效率(按低热值计算) 于加热水.因而冷凝式热水器的排烟温度必须等于 或低于烟气中水蒸气含燉所对应的饱利温度。其 显热及潜热热效率损失均下降，由于排烟温度低，故 其热效率比非冷凝式有较大提高，图5为冷凝式热 水器潜热热效率损失(按高热值计算儿(40)图5冷凝式热水器的潜热热效率损失|按髙热值计算)Fig. 5 Latent thermal efficiency low of cw

20、87;den&ing waterheater (calculated as gross calorific value)不可冷凝水蒸气产生的潜热热效率损失为：(41) 冷凝式热水器的热效率图6冷凝式辭水器热效率(按低热值计算)Fig. 3 Hiermal efiiciency of non-condensing waler heater (calculated as net calorific value) 其中不考虑烟气中水蒸气凝结热的利用。其理 论热效率为100號，实际热效率随仅山增大而下降。 按高热值计算的非拎凝式热水器热效率见图 4此图则反映了未被利用的水蒸气凝结热作为潜 热损

21、失口皿大的理论热效率为90,1%,实际热效率 随a和“增大而下降，图4非冷凝式热水器热效率按高热值计算Fig. 4 Themul efficiency of non-iCondenBiiig water heater(caJcixlatedl aa gms calorific value) 冷擬式热水器潜热热效率损失为了使烟久中的水蒸气凝结下来，将凝结热用Fig. 6 Thermal efficiency of condenfiing water heater(calculated as net calorific value)图7冷凝式紬水器热姣率(按高苗值计算)Fig. 7 Thermal

22、 efficiency of conden&ing water beater(calculated as gn»6 calorific value)在计算热水器的显热及潜热损失后，冷麒式热 水器的热效率见图6、7。www, waterga<%heal. com艾效逸*等：燃气热水醫的理论热效率及其分析第27卷第3期7热效率计算结果7J非冷擬式热水器 不考虑散热损失的影响热效率主要受排烟温度“与燃烧过程过剩空 气系数。的影响。如果热水器在最有利条件g =】(燃烧最佳空 气供给童)和G = HO 1C(热水器标准GB 6932规定 的最低排烟温度)下运行，则热水器可能达到的

23、最 有利热效率为：按高热值计n,T?(l=86.7%0按低热值计算皿二张2肌如果以a = 2.2Ttf=200弋为较不利条件，则热 水器热效率为：按鬲热值计算皿二76* 3蚤。按低热值计算皿二乳7%。 考虑散热损失的影响热水器在上述条件下运行，考虑散热效率损失 为2%5%,则热效率相应为：最有利条件下，考虑约2%的散热效率损失后. 热效率为:如=84. 7%l=94.3%o较不利条件下，考虑约5裁散热效率损失后，热 效率为：T?11 =71,4% t7?1 =79.7% o7.2冷凝式热水器 用考虑散热拥失的影响如果最有利条件为。二1店=21.29兀(燃烧产 生水蒸气全部冷凝时烟气屮水蒸气对应

24、的饱和温 度)+则热效率为:巧严99.9%=110.9%o在热水器实际运行屮上述运行条件是难以实现 的。如果UZa=2.2jr=43.32 %：(烟气中水蒸气开 始冷凝时的帼利温度)为热水器的不利条件，则其 热效率为：=87.3%l=%+8%0 考虑散热损失的影响热水器在1：述条件下运行，考虑散热效率损失 为1% 2%o在最有利条件下，考虑1%热损失，则 热效率为:加=98.9%tl?l =109.9%0在较不利条件下，考虑约2%热损失，则热效率 为；耐=85* 2% 1 砒=94, 8%fl8结论对于非冷擬式热水器”按照低热值计算的理论 热效率最大为100%，按高热值计算的戢大理论热 效率仅为961%。而对于冷擬式热水器，按崗热值 计算的理论热效率最大为100% ,按低热值计算的 最大理论热效率町达到110-%。由此可见，推广 冷凝式热水器的节能空间相当大。从热水器的热平衡角度考虑，降低排烟温度，适 半降低燃烧过剩空气系数，可冇效提髙热水器热效 率，苴中排烟温度对于热水器的热效率影响最为显 著*这也是推广眇擬式热水器的关键所在。参考