燃气灶用节能防风热水器实验及模拟研究

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1、燃气灶用节能防风热水器实验及模拟研究【摘要】本文介绍了一种节能防风热水器，对家庭厨房天然气炉灶的无效散热量进行了回收利用，利用实验分析讨论了管道水流量、灶台火焰等因素对热回收效率的影响，并利用商业CFD软件对换热装置进行了数值模拟，研究结果表明：该系统对天然气余热回收利用有一定的实用价值。【关键词】燃气灶;热回收;实验;数值模拟0引言燃气灶具是人们生活中不可缺少的家用厨房工具。在燃烧天然气等气体能源时，人们使用燃气灶具向炊具传递热量，然而，在燃烧的过程中不可避免地要向周围空间散失一部分热量，不仅升高了厨房温度，还有可能灼伤人，并且现有的燃气灶具极易受到气流的影响

2、而导致热量散失及传热不稳定[1-2]o因此，对现有灶具进行余热回收和稳定传热具冇非常重要的现实意义。本文针对市场上的家用燃气灶具的特点设计了一种节能防风热水器，以便达到提高燃烧效率、余热利用和稳定传热的目的。通过配置此热水器,可将散失在空气中的热能加以利用，同时对装置内的冷水加热，从而回收了部分散失的热量;此外，还改变了灶具中火盖周围的温度场，起到了集中火力的作用，因此提高了燃烧效率；另外，也可以起到防风聚热的作用,防止进风对火焰稳定燃烧产牛影响，帮助灶具使用者营造舒适的厨房环境。1实验装置与原理实验装置示意图见图1,整个装置以304不锈钢包裹，外部用石棉隔热，

3、下部开环缝补充进气，底部装有可调螺栓，装置内部盘绕总长约10.9m.外径为7mm的铜管，铜管上设置高10mm的支架。图1节能防风热水器示意图以普通家用燃气灶具、锅具为实验对象，装置接以市政供水，利用PtlOO热电阻、温度巡检仪及转子式流量计进行测量。为了研究装置热回收性能，具体实验时，锅内预置定温定量水后开始加热，并每隔10s记录进水温度tin、出水温度tout、锅壁温度tp、锅内水温tw及流量q,直至出口水温达到稳定。忽略室内空气对锅内水温的影响，通过调整火力及流量，来进行不同工况下的实验研究。公式(1)为装置与水的传热量计算公式，还可以作为锅内水吸热量的计算

4、公式。(1)其中：：装置内的水与装置的对流传热量，w:进出截面的质量流量，kg/s:水的平均定压比热,kJ/(kg?K):进、出截面上的流体温度，°C对于加装置的情况下，吸收的总热量为装置内的水吸收的热量与锅内水吸收热量之和。对于不加装置的情况下，吸收的总热量即为锅内的水吸收的总热量，记为。现将热利用率记为，且(2)2实验结果与分析图2大火下流量对锅壁温度的影响图2显示了大火工况下不同流量对锅壁温度的影响。从图中可以看出,除了未加装置时锅壁温度较高以外，加装置时不同流量对锅壁温度影响并不明显，口加装置后的实验过程中，笔者可以明显感受到灶火周围的环境温度有所降低。

5、同时证明了此装置确实改变了火盖周围的温度场，回收了部分散失的热能。另外，可以降低锅壁的升温速度和最终温度，增强了舒适性。从图3可以看出，大火工况下加装置前后锅内水温变化几乎完全相同,可见该装置并未对止常烧水造成影响，也从侧面体现出了该装置的聚热作用。图3相同火焰大小下流量大小对锅内水温的影响随着实验进行，各工况下装置的热利用率在不断变化，不同工况下装置的即时平均热利用率如图4所示。由图可知，大火工况下流量越小装置热利用率越高。在q二27・46L/h时，热利用率可达1.5以上，可见该装置的热回收作用相当明显。相反，在q二76・24L/h时，在大部分时间下装置的热利

6、用率低于1,即降低了总吸热量。由此可知流量的大小对该装置的热量利用效果起着至关重要的作用。图4各工况点下装置的即时均热利用率由图述可以看出，随着时间的推进装置的热利用率呈逐步上升趋势，可见使用时间越长该装置对热量的回收作用越好。4数值模拟为了全面该装置的换热效果，还通过商用CFD软件进行了数值模拟研究。模型选择标准模型，通用控制方程的离散采用有限体积法，差分格式采用二阶迎风格式，压力速度耦合采用simple算法，通过标准化残差的形式来判断计算方程的收敛性，残差精度设为10-5,采用cooper方法建立结构化网格，网格总量约为140万[3-4]o图6为装置入口流速

7、为0.3332m/s时节能防风热水器的温度场分布。通过模拟计算得到的装置出口温度为320.83Ko图6节能防风热水器温度场分布图7给出了实验与数值模拟得到的Tout的比较结果，其最大绝对误差只有7.5%,说明建立的模型和实际情况相当符合。从图上还可以看出，进出口压损p随流量增加呈直线上升趋势。图7tout及p随流量变化情况5结论本文通过实验和模拟的方法，对燃气灶用节能防风热水器进行了定量研究。结果表明该装置的即吋平均热利用率随流量增加而减小，实验条件下流量较小时热利用率可达1.57;模拟结果表明建立的模型与实际情况相当符合，最大误差只有7.5%。【参考文献】[1

8、]（美）约翰L博延•热能