帶循環(huán)熱水壁掛爐衛(wèi)浴舒適性提升設(shè)計(jì)

陳全興

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

隨著兩用型燃?xì)獗趻鞝t的發(fā)展和普及，人們對(duì)于壁掛爐的熱水需求有著更高的要求，傳統(tǒng)的兩用型壁掛爐在使用過程存在等待熱水時(shí)放冷水造成浪費(fèi)、衛(wèi)浴熱水加熱時(shí)間較長(zhǎng)、夏季水溫容易過熱等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響用戶的使用舒適性。近幾年，經(jīng)過對(duì)于壁掛爐結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，通過采用多段式分段燃燒技術(shù)和增加水比例控制技術(shù)能有效解決上述部分用戶痛點(diǎn)，而對(duì)于洗浴前管路中存在冷水需要排放的問題，提出了對(duì)管路中進(jìn)行循環(huán)加熱的概念，即增加循環(huán)熱水功能，提前預(yù)加熱水管中冷水，實(shí)現(xiàn)即開即熱的效果，然而，由于點(diǎn)火前清掃及自檢時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致點(diǎn)火速度慢，且板式換熱器換熱有滯后性的特點(diǎn)，容易存在二次開水時(shí)出現(xiàn)“先熱、后冷、再熱”的不舒服衛(wèi)浴體驗(yàn)，本文就改善壁掛爐水溫波動(dòng)的方案進(jìn)行探討，分析緩沖水箱對(duì)衛(wèi)浴水溫波動(dòng)所起到的影響。

1 帶循環(huán)熱水壁掛爐方案

帶循環(huán)熱水功能的兩用型壁掛爐其水路原理如圖1所示，在現(xiàn)有壁掛爐上，多設(shè)置一個(gè)衛(wèi)浴循環(huán)回水口，并在回水管路增設(shè)一個(gè)循環(huán)回水水泵用于驅(qū)動(dòng)管路中的冷水進(jìn)行循環(huán)而進(jìn)入壁掛爐預(yù)加熱，使管路中隨時(shí)有熱水能夠滿足用戶即開即熱的舒適洗浴要求。

圖1 水路原理圖

為驗(yàn)證此結(jié)構(gòu)方案的可行性，本試驗(yàn)使用一臺(tái)輸入功率30 kW的壁掛爐進(jìn)行測(cè)試，在壁掛爐外接100 m長(zhǎng)、直徑為DN15的循環(huán)管路，測(cè)試循環(huán)熱水加熱及使用衛(wèi)浴的過程，以此模擬用戶在使用過程中的沐浴體驗(yàn)。

測(cè)試一：出水溫度設(shè)定46 ℃，循環(huán)回水溫度達(dá)到42 ℃熄火，測(cè)試循環(huán)熱水加熱過程溫度變化，加熱過程如圖2所示。

圖2 循環(huán)熱水加熱過程溫度變化圖及保溫后用水過程溫度變化圖

測(cè)試二：出水溫度設(shè)定46 ℃，進(jìn)水溫度20 ℃，保溫后打開用水點(diǎn)，水流量8.5 L，模擬用戶衛(wèi)浴用水過程，測(cè)試出水溫度變化，用水過程如圖2所示。

由圖2可看出，循環(huán)熱水加熱過程中，點(diǎn)火后逐步加熱，出水溫度最后恒定在所設(shè)置的46 ℃，回水溫度起初幾乎不變，后續(xù)逐步上升，達(dá)到42 ℃后熄火；循環(huán)熱水加熱后，用戶打開衛(wèi)浴用水點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)即開即出熱水，熱水溫度46 ℃滿足洗浴要求，但使用過程中會(huì)有明顯的降溫，溫差26 ℃的情況下溫降幅度已達(dá)到10 ℃，若處于北方進(jìn)水溫度極低的環(huán)境下，降溫會(huì)更明顯，將嚴(yán)重影響用戶的使用舒適性。

經(jīng)過分析，壁掛爐循環(huán)加熱達(dá)到目標(biāo)溫度后，若沒有檢測(cè)到用水信號(hào)，壁掛爐熄火停機(jī)。用戶開水后，壁掛爐衛(wèi)浴信號(hào)被觸發(fā)，壁掛爐開始進(jìn)行前清掃[1]并進(jìn)行零部件自檢，然后再進(jìn)行點(diǎn)火，從前清掃到點(diǎn)火成功的整個(gè)過程需要10 s，整個(gè)過程中，冷水不斷進(jìn)入壁掛爐，未能及時(shí)換熱升溫，從壁掛爐流出時(shí)水溫達(dá)不到所設(shè)定的目標(biāo)溫度值，從而造成使用過程中大幅度降溫，造成“忽熱忽冷”的不舒服沐浴體驗(yàn)。

由此可見，上述循環(huán)熱水方案能達(dá)到預(yù)先加熱管路中冷水，達(dá)到即開即熱的目的，但會(huì)造成“忽熱忽冷”的不舒服沐浴體驗(yàn)，現(xiàn)針對(duì)此現(xiàn)象提出一種方法，采用緩沖水箱對(duì)上述循環(huán)熱水方案進(jìn)行改善設(shè)計(jì)，原理示意圖如圖3所示。

圖3 水路原理圖

2 緩沖水箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

從改善方案的原理圖可看出，在衛(wèi)浴出水前增加一個(gè)緩沖水箱，衛(wèi)浴水從板換換熱器流出后先進(jìn)入緩沖水箱進(jìn)行緩沖，再流出壁掛爐供用戶洗浴使用會(huì)對(duì)循環(huán)熱水系統(tǒng)溫降起到緩解作用。結(jié)合壁掛爐整體結(jié)構(gòu)尺寸及制造成本考慮，選用直徑80 mm，容積為2.5 L的圓柱形水箱進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，水箱設(shè)計(jì)有一進(jìn)一出的水管，長(zhǎng)管為水箱出水管，短管為水箱進(jìn)水管。

2.1 緩沖水箱結(jié)構(gòu)方案分析

本試驗(yàn)制作上圖方案A的水箱，測(cè)試水箱混水效果，測(cè)試條件設(shè)定為進(jìn)水壓力0.15 MPa，水流量8.5 L/min，進(jìn)水管內(nèi)徑14mm，出水管內(nèi)徑12 mm，將水箱里的水加熱至60 ℃后，停水后重新開水點(diǎn)火，檢測(cè)水箱入口和出口的溫度變化，如圖4。

圖4 水箱入水口溫度變化過程及水箱出水口溫度變化過程

把上述試驗(yàn)條件和測(cè)試得到的水箱入口溫度作為邊界條件，利用ANSYS軟件進(jìn)行模擬分析[2]，分析結(jié)果如圖5。

圖5 方案A分析結(jié)果圖

表1 方案A水箱分析數(shù)據(jù)表

將試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和ANSYS軟件模擬結(jié)果對(duì)比，兩組數(shù)據(jù)從最大溫差和最低溫出現(xiàn)時(shí)間都較為接近，可見ANSYS軟件模擬選取的網(wǎng)格劃分方法和計(jì)算模型較為合理。

方案A為短進(jìn)水管進(jìn)水，長(zhǎng)出水管出水結(jié)構(gòu)，在進(jìn)水管末端形成大渦，較大地增加了進(jìn)水區(qū)域的熱交換，但是在漩渦之后的區(qū)域則是以層流為主，后期的混合不均勻。針對(duì)此問題，拓展設(shè)計(jì)以下不同進(jìn)出水管結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析對(duì)比，如圖6。

圖6 不同進(jìn)出水管結(jié)構(gòu)分析圖

方案G的最大溫差為8 ℃，最低溫出現(xiàn)時(shí)間較短，同時(shí)回升至330 K時(shí)間也比較短。從軟件分析結(jié)果可看出方案G結(jié)構(gòu)的水箱混水效果較好。

2.2 水箱方案驗(yàn)證

綜合上述ANSYS軟件分析，方案G結(jié)構(gòu)的水箱混水效果較好，現(xiàn)通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。本試驗(yàn)使用一臺(tái)輸入功率30 kW的壁掛爐進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)水溫度20 ℃，為驗(yàn)證進(jìn)出水溫差更大時(shí)水箱緩沖效果，本次試驗(yàn)將出水溫度設(shè)置為最高溫度60 ℃，水流量為8.5 L/min，將出水溫度加熱到60 ℃后，停水10 s鐘后重新開水點(diǎn)火，測(cè)試用水點(diǎn)水溫波動(dòng)，具體如圖7所示。

表2 不同進(jìn)出水管結(jié)構(gòu)分析圖

圖7 不同進(jìn)出水管方案溫度變化圖

表3 不同進(jìn)出水管數(shù)據(jù)分析表

圖7 方案G用水點(diǎn)溫度變化圖

從圖7可得，方案G水箱緩沖過程中，水溫從60 ℃降至52.1 ℃，降溫幅度7.9 ℃，回升到60 ℃時(shí)間為63 s，由此可見，試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與模擬分析的結(jié)果一致。方案G較其余方案混水效果好。

3 結(jié)語

綜合所述分析，對(duì)于帶有循環(huán)熱水的壁掛爐，循環(huán)熱水系統(tǒng)中帶有緩沖水箱有助于緩解壁掛爐再次點(diǎn)火過程中“忽冷忽熱”的問題，同時(shí)合理設(shè)計(jì)緩沖水箱的大小容積，合理設(shè)計(jì)水箱進(jìn)出水管的結(jié)構(gòu)和進(jìn)出水口的方式，改變水箱內(nèi)部冷熱水流的混水方式，能有效減少壁掛爐再次點(diǎn)火過程中的水溫波動(dòng)，提高衛(wèi)浴水的舒適度。