容积式燃气热水器内循环加热系统安装实验分析

沈小兵

（康特能源科技（苏州）有限公司，江苏 苏州 215000）

容积式燃气热水器内循环加热系统安装实验分析

沈小兵

（康特能源科技（苏州）有限公司，江苏 苏州 215000）

容积式燃气热水器内循环加热系统利用水泵进行循环加热，不同的循环水进出口安装方式会对水箱内的水温产生不同的影响，如何避免这种温度变化对用户使用产生的不适将是本实验重点研究的方向。

容积式燃气热水器；循环加热；温度变化

实际工程应用中发现，对于容积式燃气热水器，不同加热系统的安装形式和温度控制方式，会对使用效果产生较大的差异。本文将通过具体实验对承压水箱内的水温进行比较和分析，从而获取最佳的安装方式和温度控制形式，同时为类似加热系统的安装和控制提供参考依据。

1 实验目的

利用容积式燃气热水器的循环加热作用，观察水箱内水温的变化，以确定哪种系统安装方式更为合理。同时要求加热完毕后水箱各点的实际温度与控制停止基本一致，且在使用过程中，冷水的进入或加热循环时，对上部的热水的水温基本没有影响，这样才能组成一个更为可靠的供水系统。

2 实验系统介绍

2.1 系统安装原理，见图1

图 1 系统测试安装原理图

2.2 主要材料，见表1

表1 主要材料表

2.3 安装及实验注意事项

2.3.1 冷水进口可选择加装止回阀，为避免水泵堵塞，水泵进口处应加装过滤器，管道连接过程中应做好保温。超声波热计量表安装在回水管道上，并与PLC通讯模块进行连接，温度传感器与PLC的模拟量模块进行连接。感温探头按等距离固定并放置到盲管中，加入导热油，再将盲管从顶部深入到水箱中，紧固、密封。燃气微压表后应加设三通排气阀，以便于初次调压。

2.3.2 系统放水时直接利用混水阀将冷热水混合后放出，放水水温约42℃左右，由于实际使用时热水的流量不断变化，故在不同安装形式下每次采取随机放水的方式[2]获取水箱内部的温度变化趋势。

2.3.3 温度记录时间间隔：每1min记录一次，绘制的时间-温度变化曲线图如图2。

图 2 上进下出系统初次加热水箱各点时间-温度变化曲线图

2.3.4 系统利用温差进行循环控制，如把回差设定在0℃，考虑到水温波动，会造成频繁启动，可把温度回差设定为5℃。将事前编程好的PLC程序与组态王软件衔接，可利用组态王软件面板直接对回差范围进行自由设定。本实验温度控制方式为50℃启动水泵，55℃关闭水泵。为在使用过程中及时加热，将温度控制点选在水箱中下部T3位置。

2.4 实验步骤

按图1所示将系统安装完毕，打开水箱PTR阀或水箱出水阀门，将水箱注满冷水，打开相应阀门。接通电脑，PLC和燃气热水器的电源，运行水泵强制循环（或轮流切换泄排水阀门放水），以排空燃气热水器内部空气，并在此期间观察热计量表记录的水泵流量。打开气罐阀门并将压力调整至4 000 Pa左右。再次启动水泵，燃气热水器感应系统水流，热水器点火启动运行，在运行过程中将系统压力调整至2 800 Pa左右，系统正常运行。期间电脑会自动记录水箱内各测点的实时温度、水箱的进出水温度和循环泵的流量。

3 系统分类及温度变化曲线分析

3.1 上进下出循环系统

系统从1#水口抽水，经过燃气热水器加热后直接回至8#水口，其他水口关闭。

3.1.1 初次加热水箱各点时间-温度变化曲线图

初次加热冷水平均温度为21.6℃，在T3达到55℃时，停止加热，耗时116min，测试制热量在7.4～7.6 KW之间，因温度探头温度反应的滞后性，在116～125min时间段内，箱内各点温度略有上升。

在初始水温相同的情况下，随着加热的进行，水箱各点温度逐渐增高，T1温度始终最低，因位于热水器的出水口，T8温度始终最高。各点曲线具有相同的变化规律，但在时间上有一定差异，如A-B在同样达到35℃的情况下，从8#点到1#点所用的时间逐渐增加，另在10min时，T8和T7温度已经升高的情况下，其余各点的水温基本维持在冷水温度，以此类推，说明在0～50 min时间段内，水箱下部各点水温的变化更多的是依靠系统的循环作用。

在60～70min时间内，水箱各点温差最小。加热结束时，水箱上下部各点温差较大，上下部温差在10℃以上，见图2中C-D。同时也说明系统的循环水量较小。

3.1.2 放水实验水箱各点时间-温度变化曲线图3

图 3 上进下出系统放水实验水箱各点时间-温度变化曲线图

在15min时，开始随机放水，放水流量约518 L／h，放水水温为混水后的温度约37～42℃。T1、T2水温迅速下降，在30 min时，T3水温逐渐降低至50℃以下，水泵重新启动，热水器重新点火加热，此时T3、T4水温略有上升，然后再逐渐下降，当到达60min时，停止放水，T1、T2、T3的水温才逐渐升高，而其他点位的温度仍逐渐下降，直到85min时，水箱各点温度基本一致，在45～47℃之间。此时继续加热，将出现初次开始加热的情况，T7、T8温度陡然增高，各点温度依次规律性升高。由于基础水温过高，上部水温会很快达到60℃以上，因流量较小，燃气热水器出水温度很快达到保护温度而停机。

此系统在放水时会出现下列问题：一是冷水在进入水箱被循环加热后送至T8点，如温升较小，会将T8点热水混合，而中上层点位水温会很快与T8水温趋于一致，这样会导致水温整体降低。二是系统在停止放水并继续加热时，会有一个水箱各层温度趋于一致的时间点，以该时间点的温度为起点进行加热将出现初始加热时的变化规律，如该时间点温度较高，可能会使上部温度急剧升高，甚至导致设备出现停机保护。三是在放水加热过程中，水箱各层温度变化很不均匀，且差异较大。四、通过加大流量降低温差的方式对上述问题进行改善，发现效果并不明显，冬季使用时冷水对上部热水的混合将更为迅速，且会增加水泵的初期投资。

3.2 中进下出循环系统

系统从1#水口抽水，经过燃气壁挂炉加热后直接回至4#水口，其他水口关闭。

3.2.1 初次加热水箱各点时间-温度变化曲线图

图 4 中进下出系统初次加热水箱各点时间-温度变化曲线图

初次加热冷水平均温度为21.2℃，在T3达到55℃时，停止加热，耗时107min，测试制热量在8.1～8.3 KW之间，与供气压力增加有一定关系。在107～110min时间段内，T4温度由于热流向上的作用很快与上部各点温度趋于一致。

初次加热各点的温度变化基本与时间成正比例关系，对于T1点，自加热开始至T1变化时间点的间隔较系统一明显缩短。由于T4刚好位于进水口位置，其在加热过程中的温度始终要高于水箱其他点位，当停止加热时T4温度会很快与上部各点温度趋于一致，但对T4以下各点温度基本没有影响。加热完毕，T3温度达到55℃，由于热水进水温度在T4，所以T4及其以上各点温度明显高于T3，而T2和T1又逐点降低，相比图2，水箱整体温差虽然明显降低，但仍然较大。如将T4或T5作为控制点位，则系统启动加热的时间显然滞后，且T4位于水箱进水点，会使系统过早关闭，水温无法达到设定要求。

3.2.2 放水实验水箱各点时间-温度变化曲线图

图 5 中进下出系统放水实验水箱各点时间-温度变化曲线图

在27min时，开始随机放水，放水流量约700 L／h，放水水温为混水后的温度约37～42℃。在40min时，T3水温逐渐降低至50℃以下，水泵重新启动，热水器重新点火加热。当到达55 min时，停止放水，在80min时，T1～T6的温度最为接近，107min时，系统停止加热。

在27～40min的时间段内，系统是处于完全放水不加热的状态，此时完全依靠自来水的推进作用自下而上地影响各层原有水温的变化，即下层进入的冷水“暂时”不会对上层热水的温度造成明显影响。在40～55min的时间段内，由于制热量小于放水损失热量，故各层温度将下降，且随着放水的持续进行，将逐渐影响到上部各层的水温，但下降趋势逐渐减缓。在55～80 min的时间段内，T4的水温要低于上部水温，未能依靠浮升力或重力的作用对上部水温进行加热，但是T4的水温明显要高于下部温度，故系统暂时依靠水泵循环的作用自上而下地加热T3、T2、T1点的水温，在80min时，T1的温度最接近T4的温度。此时继续加热将使T4、T5、T6的水温逐渐增高，热量的不断向上传递会与更高水温的T7、T8发生对流作用，致使T7、T8水温暂时降低，直到水温趋于一致时，再整体分层上升。在加热结束时，水箱上下部温差依然较大，且与系统设定停止温度仍有较大差异。

3.3 下进下出循环系统

系统从1#水口抽水，经过燃气壁挂炉加热后直接回至2#水口，其他水口关闭。

3.3.1 初次加热水箱各点时间-温度变化曲线图

图 6 下进下出系统初次加热水箱各点时间-温度变化曲线图

初次加热冷水平均温度为22.8℃，在T3达到55℃时，停止加热，耗时127min，测试制热量在6.37～6.54 KW之间，与供气压力降低有一定关系。初次加热各点的温度变化基本与时间成正比例关系，除T1外水箱内部各点温度基本趋于一致，即使是T1在各时间点，与其他各点平均温度差值基本在1℃左右，表现出良好的温度变化曲线。由于热水进水点靠近水箱底部，加热时T2点温度上升，密度降低，浮力增压，而T2点上部温度较低，重力较大，在下部浮力和上部重力共同作用下，发生比较明显的伴随着物质和能量的共同交换，不断到达某种均衡状态[3]。

3.3.2 放水实验水箱各点时间-温度变化曲线图

自25min开始随机放水，放水流量约670 L／h，放水混水后温度约37～42℃。T1、T2水温迅速下降，在39min时，T3水温逐渐降低至50℃以下，水泵重启，热水器重新点火加热。在52 min时，停止放水。

通过比较发现，图7与图5具有相同的加热规律：

在25～39min的时间段内，系统是处于放水不加热的状态，此时依靠自来水的推进作用自下而上地影响各层水温的变化，即下层进入的冷水由于密度较大，并不会对上层热水的温度造成明显影响。在39～52min的时间段内，由于制热量小于放水损失热量，故各层温度仍将下降，且随着放水的持续进行，将逐渐影响到上部各层的水温，但下降趋势逐渐减缓。同时T2的温度是逐渐上升。在52～65min的时间段内，T5的水温要高于下部，系统依次为T4、T3、T2、T1进行加热，同时T5温度略有降低，这是因为下部各层温度在加热过程中温度升高，密度变小，在热流向上过程中与T5点的“高温”热水产生惯性对流，这样导致T5温度暂时降低。在60min时，下部各层温度接近温度T5，T1～T5的温度才继续上升。此时继续加热将使T1～T5的水温逐渐增高，热量不断向上传递会依次与更高水温的T6、T7、T8发生对流作用，致使相应的水温暂时降低，直到水温趋于一致时，再整体分层上升。在加热结束时，水箱上下部温差约1℃左右，且与系统控制设定停止温度基本一致。

图 7 下进下出系统放水实验水箱各点时间-温度变化曲线图

4 结论

在利用燃气热水器和蓄热水箱安装组成的容积式燃气热水器时，应避免将冷水加热后直接送入到水箱上部，这样最终会使水箱上下部的温差过大，且在使用过程中，会将上部热水混合变冷，甚至导致热水无法正常使用。冷水加热后送至水箱中部，在初次加热过程中水温呈现良好的直线变化，但最终水箱上下部的温差与设定温度的偏差依然较大。如将冷水加热后送入到水箱底部，则热水温度初始加热和放水过程中均具有良好的时间-温度变化曲线，且加热后的最终温度与系统设定的温度差值最低。

在第三种系统中，初次放水且不加热的情况下，下部冷水的进入基本不会影响上部的热水温度；在放水且加热的情况下，由于制热量要小于系统的热量损失，故水箱整体水箱水温自下而上仍然逐渐降低；停水再加热过程中，下部冷水温度会对上部热水温度产生一定影响，前提是已经停止用水的情况下，此时对用户用水没有影响。故在安装燃气热水器与蓄热水箱的工程时，第三种循环系统最为合适。

[1]GB／T 16411-2008家用燃气用具通用试验方法[S].

[2]刘金平，张治涛，刘雪峰.空气源热泵热水器储水箱动态性能试验研究[J].太阳能学报，2007，28（5）：472-476.

[3]杨世铭.传热学[M].北京：高等教育出版社.

TK513

A

1671-0037（2014）05-76-3

沈小兵（1982.06-），男，助理工程师，研究方向：供热与制冷。