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壁挂炉系统储热及其对卫浴性能的影响

万家乐热能科技有限公司 万新达电子科技有限公司 孙高 邹雄宇



摘 要 本文引入系统储热的概念,进而分析壁挂炉系统储热的特性及卫浴水温控制策略的改善,并针对控制策略改善前后的卫浴性能进行了对比试验,验证运用系统储热原理的控制策略对缩短加热时间、提升卫浴性能的有益作用。

关键词 壁挂炉;系统储热;卫浴性能


1 传热特性分析及系统储热概念引入

当我们给定某个加热功率P(有效功率,后同)让壁挂炉燃烧时,壁挂炉输出水温并不会立刻升到P对应的温升稳态值ΔT(+∞),而是经过一段时间缓慢上升才能达到ΔT(+∞)值附近。这里P为卫浴加热系统的输入功率,ΔT(t)则对应卫浴水加热系统的输出功率:

在上式中:c为水的比热,σ为水的密度,F为水流量。

在温升过程中,输入大于输出,积累下来的能量留存在系统中,提供所需系统储热。图1所示阴影面积即为系统储热。


要控制卫浴水达到恒温,需提供足够的系统储热。考虑稳态、系统储热包括传热媒体储热和管道中卫浴水储热两部分:

Q=Qc+Qw=Cc·Mc·(Tc-Ti)+Cw·Mw·(Tw-Ti)         (3)

式中:Cc和Mc为传热媒体的比热和质量,Tc为传热媒体的平均温度,Cw和Mw为被加热管道内卫浴水的比热和质量,Tw为其平均水温,Ti为进水温度和环境温度(假设他们是相等的)。

忽略质量分布和热量分布,传热媒体对卫浴水的传热功率与其温差成正比,假设系数为Kcw:

Pcw=Kcw·(Tc-Tw)                             (4)

热平衡时传热功率等于输出功率:

Pcw=P =Cw·Fw·(To-Ti)                        (5)

Tw为被加热卫浴管道中的平均水温,To为被加热卫浴管道的出水温度。即被加热卫浴管道中的水是从Ti逐步过渡到To,并具有一定的空间分布。假设这个分布是不随时间变化的,则管道中的平均水温与出、入口水温就具有如下固定关系:

Tw-Tix·(To-Ti)                            (6)

联立式(3)~(6),并消去Tc、Tw、Pcw可得:

Q=(Cc·Mc+Cw·Mw)·μx·(To-Ti)+(To-Ti)·Fw·cw·Mw/Kcw  (7)

式中:热交换器的比热cc和质量Mc为常量;被加热管道中卫浴水的比热cw和质量Mw为常量,传热系数Kcw不会改变也为常量。假设μx为固定值,把这些常量整合起来,则可得系统储热:

Q=K1·(To-Ti)+K2·(To-Ti)·Fw                   (8)

其中K1、K2为常量,Fw为水流量。


2 控制策略及特性分析

2.1 控制策略

有系统储热的概念后,可将之应用于卫浴水温控制。由公式(8)可知,只要水流量Fw和温升(To-Ti)不变,则所需系统储热Q也是确定的。因此,在控制前期提供较大功率,就可以尽快地积累系统储热,使温度快速上升,然后在合适的时机逐步降低输入功率,最终保持输入和输出的平衡,即可维持水温恒定。若控制方法和参数选择合适,还可避免出现超调。

考察图2中两条输入功率曲线,可知第二条曲线优于第一条曲线。第二条曲线前期输入大,积累系统储热更快,因此温升也会更快。


2.2 特性分析

壁挂炉的卫浴水是通过二次换热而来,须先加热供暖水,再通过供暖水给卫浴水换热,而水的比热较大,因此,壁挂炉冷态启动时所需系统储热量更大。

冷态启动条件下,初期加热功率一般需要稳态功率的两倍以上。只有在稳态功率不大于50%最大功率的条件下,这种控制策略才能尽可能地发挥有益作用。

当初期加热功率不能达到两倍稳态功率时,只能靠时间来积累系统储热,导致温度稳定时间变长。最不利的情况是稳态功率需求为100%最大功率,系统也只能按100%最大功率输出,温度稳定的时间也就变成了阶跃响应的稳定时间。国标GB 25034-2010中所定的加热时间即为在给定水流量下阶跃响应温升90%(36℃/40℃)所需的时间,这本质上是测试壁挂炉的卫浴传热特性。即加热时间仅决定于壁挂炉自身的传热特性,而不受控于控制器的输出。

热态启动时,如冬季供暖时转入卫浴或使用卫浴水期间关水再开水,壁挂炉的系统储热量比较大。因此,在卫浴启动期间,尽管进入系统的冷水会带走部分热量,但系统仍有部分储热量甚至可能有足够的储热量,而无需再积累系统储热,因此温度也能更快地达到设定值并稳定下来。


3 实验验证

根据上述分析,我们对运用系统储热概念的热水控制策略和原有的热水控制策略进行对比测试,验证了尽快积累系统储热以缩短加热时间、提升卫浴性能的有益作用。

3.1 实验方法

测试准备:一台26kW普通板换壁挂炉样机,改善热水控制策略后的控制板A,原有热水控制策略的控制板B。

测试方法:卫浴进水温度20℃±2℃,设置目标温升22.5℃,分别在壁挂炉为冷态和热态两种条件下,测试卫浴出水流量为6L/min、9L/min时卫浴出水温度的变化情况,并记录达到同一温升22.5℃的时间,以比较两种控制策略在水温控制和加热时间两个维度的优劣。

冷态测试:长时间通卫浴水,尽量冷却燃烧换热系统后,开始测试并记录。

热态测试:冷态测试结束后关卫浴水,等待10s,开卫浴水测试并记录。

3.2 结果分析

冷态下,出水流量6L/min时:使用A板控制时,在燃烧加热21.5s后水温达到目标温升,且无水温超调现象;使用B板则在燃烧加热31.5s后达到目标温升,水温超调明显。


热态下,出水流量6L/min时:A板15.9s后水温达到目标温升,相比冷态的加热时间明显缩短;B板34.8s后达到目标温升,与冷态的加热时间基本一致。


冷态下,出水流量9L/min时:A板20.1s后水温达到目标温升,与6L/min时的加热时间相仿,且无水温超调现象;B板28.2s后达到目标温升。


热态下,出水流量9L/min时:A板14.9s后水温达到目标温升,相比冷态的加热时间明显缩短;B板31.5s后水温达到目标温升,加热时间与其它状态基本一致。


将测试数据汇总,如表1所示。从对比测试的结果可以看出,无论壁挂炉是在冷态还是热态下,当卫浴工况不要求全时输入最大功率时,运用系统储热原理的控制策略,可显著缩短加热时间,提升卫浴性能。



4 总结

本文主要对影响壁挂炉卫浴性能的因素进行了分析。在冷态启动条件下,恒温时间有一定的改善空间,尤其是在稳态功率需求不大于50%最大功率的情况下;而在热态启动条件下,恒温时间则有较大提升空间。在做控制时,需充分考虑这两种情况的差异,使壁挂炉的卫浴性能获得更理想的效果。

 
 


  
 
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