基于CFD的燃气热水器风冷通道的研究
2019-08-07李罗标
李罗标
(广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305)
引言
燃气热水器是一种即热型连续供应热水的燃烧装置,它是一种小型的热力设备。在燃气热水器工作时,首先燃气在燃烧室内发生化学反应,产生高温烟气,高温烟气流经换热器,与同时流经换热器水管的冷水发生热交换,将冷水加热为生活热水。基本原理如图1所示。
燃气热水器分为水路系统、气路系统和电路系统,热水器的性能也与这三大系统密切相关。进入热水器的冷水流经水-气联动装置、水量调节阀后进入上部的换热器,被加热成合适温度的热水输出;燃气进入热水器后,经过电磁阀,气量调节阀,水-气联动装置进入燃烧器。电路系统通过主控制板对水路和气路系统进行控制,实现热水器全负荷、多功能运行。工作原理如图2所示。
由于燃气热水器的工作特点,燃烧室附近容易出现高温区,这些高温区会对控制系统中的电子元件造成损害,影响电子设备的使用寿命。本文针对这一问题进行研究,对燃烧室结构进行改进,旨在降低燃烧室外表面的温度。
图1 燃气热水器基本原理图
图2 燃气热水器工作原理图
1 当前燃气热水器业内的降温方式
热量的传递过程是由导热、对流、辐射等三种基本方式组合形成的,降低燃烧室表面温度可以从削弱以上三种热量传递方式着手。
在燃气热水器行业,为保护电子设备过热采取了一系列降温隔热措施,目前常用的方法有加隔热棉、加隔热板以及燃烧室内壁添加涂层等方法,这些方法对电子设备有一定的保护作用,但也有一些缺陷:
1)隔热棉与隔热板
隔热棉具有耐高温、无变形、无脆化、不易燃烧、导热系数低等特点。现广泛应用于工业的隔热棉都采用玻璃纤维为材质加工生产而成,从热传导方面减弱热量的传递,有一定的效果。但是隔热棉生产工艺复杂,成本偏高,而且在生产过程和使用过程中会产生污染物,不利于环境保护。隔热板与隔热棉类似,材质为高耐热性的复合材料,具有较高的机械性能和介电性能,有良好的加工性,但同样存在成本偏高的问题。
2)燃烧室内壁添加涂层
在燃烧室内壁添加涂层是通过降低壁面的发射率来降低热辐射强度,从而减少热量的传递,达到降温的作用,但是涂层对工艺的要求比较高,涂料的附着力与柔韧性,壁面处理是否充分以及涂料的浓度都会影响涂层的寿命,不利于大范围推广,多应用少数特制机型中。
由于现有的降温方式存在成本高、加工难、不环保等缺陷,需要重新设计一种全新的成本低、易推广的降温方式。
2 设计方案对比
2.1 方案设计
为了防止电子设备过热,同时满足低成本的要求,在设计过程中,研究人员提出双层燃烧室结构,如图3所示,燃烧室内壁与外壁之间充满空气,利用空气的导热系数较小来减少热量传递,达到降低燃烧室表面温度的效果。另一开发人员提出将双层通道上下表面开口,让空气能在里面流通,形成风冷通道,利用空气对流来给燃烧室降温,如图4所示。
2.2 物理模型
为比较两种方案的好坏,本文借助ANSYS,对以上两种方案进行对比分析,为简化计算,取燃烧室侧壁为研究对象,用燃烧室侧壁的换热情况来表示整个燃烧室壁的换热情况,忽略在热水器厚度方向的温差,将侧壁简化为二维模型,如图5和6所示。
2.3 网格划分
根据上文所述,利用AutoCAD软件对以上方案进行二维模型的创建,将建好的模型导入ANSYS18.2,利用ANSYS 中的mesh模块进行网格划分。网格划分时,首先要对模型进行计算域的设置,即确定模拟对象是流体还是固体,或者是多孔介质等。对于本文的研究对象,空气为流体域,将其设为Fluid,介质为air;内壁和外壁为固体域,设为Solid,介质为steel。利用四面体网格方案生成结构化网格,如图7所示。
图3 双层燃烧室
图4 风冷通道
图5 双层燃烧室简化模型
图6 风冷结构简化模型
2.4 边界条件
本文的边界条件设置如下:
1)内壁内侧:如图8所示Hot,恒温壁面边界,给定壁面温度,在燃气热水器运行中测得,约为215 ℃,取T1=487 K;
2)外壁外侧:恒温壁面边界,如图8所示Hot给定壁面温度为环境温度,约为25 ℃,取T2=298 K;
3)对于方案一,将空气入口inlet和出口outlet设为绝热壁面边界;
4)对于方案二,将空气入口inlet设为压力入口,压力值为-10 pa,实验过程中用微型压力计测得。出口为压力出口,出口压力等于大气压力,即表压为0;
5)忽略重力对气体的影响。
2.5 结果分析
获得收敛的计算结果后,将计算结果导入CFDPOST进行后处理,得到两种方案的温度分布情况:
1)两种方案表面温度云图,如图9和图10。
2)沿热量传递方向,在同一截面上均匀取10个点,将这些点的温度分布情况作成下列曲线图,如图11所示。
通过对云图对比以及曲线图的分析,可以看出风冷通道在沿热量传递方向温度要比密封通道要低,冷却效果好,有利于对电子设备的保护。
图7 结构化网格
图8 边界条件
图9 方案一表面温度分布
图10 方案二表面温度分布
图11 两种方案沿热量传递方向的温度分布情况
3 结论
本文针对燃气热水器领域现有的降温方式存在成本高、加工难、不环保等缺陷的问题,提出两种新的设计思路,并借助CFD数值模拟的方法,对这两种方式的隔热效果进行比较,得出利用风冷通道的效果优于密封通道,该方案成本较低、加工简单,适合大规模推广。