基于CFD的燃气热水器风冷通道的研究

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。