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壁挂炉热效率直接法测试及其受控停机影响研究

张 华1、2,刘文博1、2,辛立刚1、2,牛 犇1、2,于洪根1、2,周伟业1、2 (1、国家燃气用具质量监督检验中心;2、中国市政工程华北设计研究总院有限公司)



摘  要 本文探讨了壁挂炉直接法的使用方法和计算步骤,在此基础上探究受控停机运行方式对直接法热效率的影响程度。

关键词 壁挂炉;直接法;热效率;受控停机


一 前言

2015年5月15日,中国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会2015年第15号文联合批准发布《家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级》为强制性国家标准,编号为GB 20665-2015,自2016年6月1日起实施。

新版标准与2006年版相比,除各个级别的最低允许能效指标发生变化以外,试验方法也有了较大的改变,其中采暖炉采暖状态部分热负荷的热效率为30%额定热负荷的热效率。根据GB 20665-2015中5.3的要求,采暖炉采暖状态的试验条件按GB 25034-2010的要求进行,测定30%的额定热负荷热效率时,试验方法按GB 25034-2010的7.7.2.2.1进行,即直接测试法。

在GB 20665-2015颁布之前,非冷凝炉的部分热负荷热效率一直都采用间接法测试,即测试额定热负荷热效率(出水60℃/回水40℃的工况)和最小负额荷热效率(出水55℃/回水45℃的工况),将两者热效率按照GB 25034-2010中表8的公式计算出有效热效率为部分热负荷热效率。

目前国内非冷凝炉的部分热负荷热效率测试鲜有用到直接法,关于直接法的应用并无报道。本文重在说明直接法的使用方法,并结合一线检测数据,探究受控停机对直接法热效率的影响程度。       


二 直接法测试的步骤

2.1 GB 5034-2010中7.7.2.2.1的方法


1——被试验器具;2/17——截流阀;3——燃气流量调节器;4——燃气表;5、8、11、15——温度计;6——排水旋塞;7——膨胀容器;9、10——控制阀II;12——控制和安全阀;13——旋转式流量计;14——控制阀I;16——称重容器;17——水截止阀;18——控制阀III;19——热交换器;20——热缓冲器(可省略)。

(1)将器具安装在图1所示的测试台,或其他等效隔热的测试台上。

(2)通过调节控制阀I和控制阀II,使器具回水温度保持在47℃±1℃,测试期间,温度变化不应超过±1K。当器具控制器不能使器具在足够低的回水温度下运行时,那么,就在器具所能达到的最低回水温度下测试。

(3)按表2中的公式,计算出测试时器具运行和停机时间。通过室内温控器或人工操作来控制器具的工作循环,设定10min为一个循环。

(4)在尽可能接近器具的出水和回水处连续测量器具的出水和回水温度。

(5)在测试系统达到平衡后,按GB 5034-2010中 7.7.2.2.1的方法连续进行3次热效率测量,当3次测试结果中的任何两个结果的偏差不超过0.5%时,最终结果为3次测量值的算数平均值。否则,应连续测试至少10次,最终结果为各次测量值的平均值。

(6)对于30%的额定热输入,允许测量值与标称值有±1%的偏差。当偏差更大且不高于±2%时,应进行两次测试,一次在高于30%的额定热输入下测试,一次在低于30%的额定热输入下测试,然后采用线性内插法确定对应于30%额定热输入的热效率。

2.2 器具运行方式的选择和停机时间的计算

通常来讲,配有交流风机的采暖炉,其风机转速恒定,最小热输入一般都大于30%的额定热输入,在直接法测试中,即使通过机械调节燃气阀或者调节燃气阀的控制代码来实现30%的额定热输入,其燃烧工况和热效率也不乐观,无法真实地反映采暖炉的热效率值。而对于配有直流风机的采暖炉来说,可实现风机转速的连续变化或阶梯性变化,其最小热输入常小于30%的额定热输入,在直接法热效率测试中,可将热负荷直接调至30%的额定热输入。采暖炉最小热输入的大小,决定了直接法测试中器具运行的方式和停机时间,GB 25034-2010的7.7.2.3.2中,对器具运行方式和停机时间的计算方法做了详细说明。表1为计算部分热负荷下的热效率所需的符号和量。


在直接法的测试中,一个控制循环为10min,在这个循环过程中,通过流体获得的有效能量与燃气供应能量之间的比值来计算出热效率。此外,根据器具的可调控部分热负荷的范围,可以将器具运行的循环方式分类如下:

(1)连续运行,Q2=0.3Q1(固定的部分热负荷或器具可调至30%的额定热输入)。

(2)满热负荷运行/受控停机(一个固定热负荷)。

(3)部分热负荷运行/受控停机(一个或多个固定的部分热负荷或连续可调热负荷,其中最低热输入Q21>0.3Q1) (或按循环方式f,其被设计成在满热负荷下点火)。

(4)满热负荷运行/部分热负荷运行 (一个或多个固定的部分热负荷,其中最低热输入Q22<0.3Q1)。

(5)在两个部分热负荷下运行(其中Q21>0.3Q1以及Q22<0.3Q1)。

(6)满热负荷运行/部分热负荷运行/受控停机(设计形式为:在满热负荷Q1的条件下,在时间τ1内点火;具有一个或几个固定部分热负荷或热负荷连续可调,使得循环包括一个受控停机(τ3>0)。其他情况,采用循环方式d)。

表2为热效率周期时间的计算公式。


注:

(1)对于可设置范围的器具,采用最大和最小输入热量的算数平均值Qa来代替额定热输入Qn。

(2)表中η1、η2、η21、η22计算按照7.7.1.2的试验方法进行测量,如下式表述:

  (1)

式中:ηc——采暖热效率,%;

M——修正后实测出热水量的数值,kg;

Δt——出水温度和给水温度的差值,℃;

Dp——此项对应平均出水温度下的测试装置热损失,kJ;

Vr(10)——实测燃气消耗量折算成基准状态(15℃、101.3kPa)下的数值,m3

Hi——试验燃气在基准状态下的低热值的数值,MJ/m3


三 直接法测试实例

采暖炉最小热输入的大小,决定了直接法测试中器具运行的方式和停机时间。对于最小热输入大于30%额定热输入的器具来说,运行方式一般为表2中的c),而对于最小热输入小于30%的额定热输入的器具来说,运行方式一般为表2中的a)或者d)。我国燃气壁挂炉配有交流风机的现象居多,其最小热输入大多大于30%的额定热输入,所以该类型采暖炉直接法测试中的运行方式为表2中的c),即部分热负荷/受控停机的方式。而受控停机过程中流体得到了一部分热量(本文称之为“残留热量”),这部分热量的多少以及对直接法热效率的贡献程度是我们所感兴趣的。

以某品牌型号为L1PB36的燃气采暖热水炉为例,其最大额定热输入为36kW,最小热输入为14.4kW,该燃气采暖热水炉的最小热输入大于30%的额定热输入(14.4kW/36kW=40%)。

根据表1和表2的要求,直接法测试的方式为c)部分热负荷/受控停机,操作方法参考2.1。根据表2c)的周期时间计算方法,燃烧器燃烧时间τ21和受控停机时间τ3的计算结果见式(2)和式(3)。

                

受控停机阶段与部分热负荷燃烧阶段相比,采暖水流量、冷却水流量、阀门开度等参数都相同,唯一区别在于受控停机阶段无燃气供应。通常来说直接法测试中,壁挂炉回水来自于储水罐的47℃水,所以受控停机阶段,回水基本上保持在47℃左右,而出水温度会逐渐下降,由稳定状态的55.2℃逐渐下降至47℃或者略高于47℃的一个温度值,这取决于器具的蓄热能力和受控停机时间的长短(即最小负荷占额定热负荷的比重)。一个控制循环出回水温度示意图见图2,从图2可看出,受控停机阶段回水温度保持不变,出水温度变化趋势是一条下降的曲线。



部分热负荷/受控停机的热效率计算公式参照式(1)。需要说明的是,M是一个循环过程中的热水量;Vr(10)是部分热负荷燃烧阶段的燃气折算耗量,同时也是部分热负荷/受控停机阶段的燃气折算耗量;Δt的数值在一个循环中是变化的,Δt值在部分负荷燃烧阶段基本上保持不变,但是在受控停机阶段是连续变小的,如图3所示。为了计算热效率值,需要求得Δt平均值,这就需要将图2中①②部分的面积进行积分计算,然后在一个控制循环内求其平均值。一般来说,这需要电脑软件实时采集出回水温度,然后分析计算出平均值。

在一个控制循环中,我们不仅计算600s时间内的热效率,也对部分热负荷燃烧阶段450s的热效率进行了计算,结果如表3所示。

需要强调的是,部分热负荷燃烧阶段(450s)和部分热负荷/受控停机阶段(600s)所耗的燃气量是相同的,由表2可知,耗气量均为177.4L。根据图2和表3可知,部分热负荷燃烧阶段回水温度保持在47℃,出水温度保持在55.2℃,水温差稳定在8.2℃;而受控停机阶段,回水温度保持在47℃不变,出水温度从55.2℃逐渐降低至47℃,通过电脑软件,利用积分求均值原理,求得出水温度平均值为53.4℃,水温差为6.4℃。

除此之外,两阶段的其他各项输入量均相同,但是效率差距明显,部分热负荷燃烧阶段的效率为86.6%,而经过受控停机,流体得到了器具的残留热量后,效率提高,部分热负荷/受控停机阶段的总效率为89.5%。

部分热负荷燃烧阶段中,燃气输入功率为14.4kW,用时450s,效率为86.6%。

假设该阶段流体得到的热量为QR1,QR1=14.4kW×450.5s×0.866=5611.7kJ。

部分热负荷/受控停机阶段,燃气输入功率为10.8kW,用时600s,效率为89.5%,假设该阶段流体得到的热量为QR,受控停机阶段流体得到的热量为QR2(残留热量),那么,QR=QR1+QR2

QR=10.8kW×600s×0.895=5799.6kJ

QR2=QR-QR1=5799.6kJ-5611.7kJ=187.9kJ

为了对残留热量有较直观地了解,可参见图3部分热负荷/受控停机方式热量分布示意图。


假设流体得到的残留热量QR2与整个循环中流体得到热量QR的比值为绝对比重αA,流体得到的残留热量QR2与部分热负荷燃烧阶段得到热量QR1的比值为相对比重αO,流体得到的残留热量QR2与燃气供应热量Q的比值为残留热比重ηs,根据图4数据可得:

可见残留热量对直接法热效率的影响是较大的,但具体到有多大的比重,是有必要探究的。



四 残留热量对直接法热效率的影响

针对部分热负荷/受控停机方式,我们对残留热量有较大的兴趣,于是随机选取不同品牌不同热负荷的采暖炉,进行了大量热效率实验,计算部分热负荷燃烧阶段的热效率和受控停机阶段的残留热比重。

我们对配有交流风机的采暖炉随机抽样进行实验,从图4可以看出,总样中采暖炉最小热输入(部分热负荷)的大小基本上为35%~49%的额定输入。

部分热负荷燃烧效率ηp从83.1%~92.7%不等,而残留热比重约为1.4%~4%,图5给出了采暖炉残留热比重的分布情况。通过计算,22个样的平均残留热比重为2.7%。在1.4%~4%(22个样)的分布区间内,残留热比重2.5%~3.5%共有12个样,占比54.5%。

换言之,有一半以上的普通燃气炉,其部分热负荷/受控停机热效率(直接法热效率)要比部分热负荷燃烧热效率高2.5%~3.5%。

图6给出了二次换热采暖炉的残留热比重分布情况,可以看出,二次换热采暖炉的残留热比重更高,大约在4.6%~6.6%之间。

综上所述可知,受控停机导致的残留热比重对直接法效率的影响是非常大的,残留热量具体有多少,一般取决于受控停机的时间(即最小热输入占额定热输入的比重)以及采暖炉换热器的结构和材料。



五 结语

(1)本文阐述了直接法的使用方法,特别说明了部分负荷/受控停机方式的操作方法。

(2)本文说明了直接法热效率的计算方法,针对于部分负荷/受控停机方式,分别计算部分热负荷燃烧阶段的热效率以及受控停机阶段的残留热比重。

(3)探讨残留热比重对直接法热效率的影响,根据根据随机抽样测试结果,采暖炉残留热比重可达2.7%左右,因此受控停机对直接法热效率的贡献量是可观的。


主编点评

在国标GB 20665-2015中, 对采暖热水炉30%分额定采暖热负荷下效率的试验方法要求按照国标GB 25034-2010中列出的“部分热负荷热效率直接测试法”进行测试,而这一方法之前鲜有使用。作者首先在文中对该方法进行了介绍。特别是作者分析了测试中受控停机阶段采暖水的得热量。通过实测比较,给出了停机期间的循环水得热量对效率的影响,并对此进行了分析。

该论文对部分热负荷下的停机阶段循环水得热量(锅炉停机损耗;待机损耗)的研究为壁挂炉季节效率的研究打下了基础。而季节效率才是反映采暖炉经济性的关键指标。因此,希望作者将研究工作继续深入下去。

 
 


  
 
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