任曉平 劉 芳 周躍華 唐欣彤 孫曉婷

1.長春工程學(xué)院.

2.華能吉林發(fā)電有限公司九臺電廠

0 引言

爐灶用熱水壺是人們生活中常用的一種用于加熱水的工具，使用廣泛，數(shù)量龐大。但因其熱效率低[1]，造成了能源浪費(fèi)。為了降低熱水壺的熱量損失，對普通熱水壺加熱過程的能量利用情況和傳熱過程進(jìn)行分析，研究提高熱效率的方法。

1 熱平衡分析

普通熱水壺是機(jī)械沖壓成型，采用平壺底，如圖1所示，在燃?xì)庠钌霞訜釙r產(chǎn)生的熱量及分配情況見圖2。以熱水壺為研究對象，根據(jù)能量守恒定律，水壺的輸入熱量和輸出熱量相平衡，建立熱平衡關(guān)系[2，3]，如式（1-1）。

圖1 傳統(tǒng)熱水壺

圖2 水壺?zé)崞胶馐疽鈭D

其中，輸入熱量近似等于燃?xì)馊紵磻?yīng)產(chǎn)生的化學(xué)熱（Q1），輸出熱量包括壺水吸熱量（Q2）、排煙熱量（Q3）、壺身散熱量（Q4）和其他對外的損失熱量（Q5），其中，壺水吸熱量是有效吸熱量，其他三項(xiàng)輸出熱量屬于熱量損失。排煙熱量損失是指從壺底與爐灶間排走的煙氣溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，從而形成排煙熱量損失；壺身散熱量是指因?yàn)閴厣頊囟雀哂诃h(huán)境溫度而形成的散熱損失；其他對外的損失熱量包含加熱灶臺面、灶體、向周圍大氣的輻射熱量損失。在熱水壺各項(xiàng)熱損失中，通常排煙熱損失最大，熱水壺?zé)嵝适侵笁厮鼰崃颗c輸入熱量的比值，用η表示，見式（1-2）。

顯然，在燃?xì)庠钊紵斎霟崃坎蛔兊那闆r下，提高壺水吸熱量（Q2），降低煙氣排煙熱損失（Q3）、壺身散熱損失（Q4）和其他熱量損失（Q5），可以有效提高熱水壺?zé)嵝省?/p>

2 傳熱分析

分析加熱水壺的傳熱過程和傳熱方式可知[4,5]，將高溫?zé)煔鉄崃總鬟f給水依次經(jīng)歷高溫火焰對壺底的輻射換熱和對流傳熱、壺外壁和內(nèi)壁間的導(dǎo)熱、壺內(nèi)壁與水的對流傳熱三個傳熱環(huán)節(jié)。

由輻射傳熱理論可知，煙氣與壺底的輻射換熱與火焰溫度（T）、輻射面積（A）、黑度（）有關(guān)，輻射換熱量表達(dá)式見式（1-3）。

式中：

A——傳熱面積，m2

T2——壺底溫度，K

從輻射換熱角度分析，增大傳熱面積、提高火焰溫度和系統(tǒng)黑度可以強(qiáng)化輻射換熱量。

由對流傳熱過程的理論分析，煙氣與水的對流傳熱與各環(huán)節(jié)傳熱系數(shù)、傳熱面積，傳熱溫差有關(guān)，對流傳熱量見式（1-4）。

式中：

A—傳熱面積，m2

k—總傳熱系數(shù)，W（/m2·K）

h1—煙氣與壺底對流傳熱系數(shù)，W（/m2·K）

h2—壺內(nèi)壁與壺水對流傳熱系數(shù),W（/m2·K）

T2——壺水溫度，K

從對流傳熱角度分析，提高火焰溫度可以增大傳熱溫差；增強(qiáng)氣流擾動和水流擾動可增大傳熱系數(shù)，減小傳熱熱阻，另外，增大換熱面積均有利于對流傳熱。

3 熱水壺節(jié)能改造研究

通過傳熱分析，以強(qiáng)化傳熱，提高水壺吸熱量為目標(biāo)，對壺底結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。如圖3所示，壺底采用弧形壺底配置梯形孔結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)水壺相比，有以下特點(diǎn)：

3.1 梯形孔結(jié)構(gòu)有利于增大傳熱面積

普通熱水壺大多是平壺底，受熱面積有限，布置多個梯形孔可以明顯增大傳熱面積，而且隨著孔深增加，傳熱面積顯著增大，強(qiáng)化傳熱，有效降低排煙溫度。

圖3 新型熱水壺示意圖

3.2 火焰向壺底中心集中，提高壺底火焰溫度

大部分燃?xì)庠罹呤谴髿馐饺紵绞剑紵纬傻幕鹧娣譃閮?nèi)環(huán)火焰和外環(huán)火焰兩部分，如圖2所示，內(nèi)環(huán)火焰溫度較低，加熱能力不強(qiáng)，而外環(huán)火焰溫度很高，加熱能力很強(qiáng)，采用普通平壺底，外環(huán)火焰大多向四周分散，熱量損失大，而采用弧形壺底配置梯形孔結(jié)構(gòu)可以把外環(huán)火焰引向壺底中心區(qū)域，聚攏火焰，使火焰集中，提高火焰溫度，強(qiáng)化輻射和對流傳熱，降低熱量損失。

3.3 增大系統(tǒng)黑度

壺底采用弧形結(jié)構(gòu)，可以有效將壺底熱輻射重新反射到爐灶表面，減少爐灶向環(huán)境散熱損失，提高傳熱系統(tǒng)黑度，強(qiáng)化爐灶和壺底之間的輻射換熱。

3.4 提高傳熱系數(shù)，降低傳熱熱阻

壺底多孔結(jié)構(gòu)，壺底表面凹凸，可增強(qiáng)壺底附近氣流和水流擾動，提高對流傳熱系數(shù)，強(qiáng)化對流換熱效果。其次，壺內(nèi)存在壺底內(nèi)壁和水的對流傳熱，采用凹凸壺底可加強(qiáng)壺內(nèi)壁面?zhèn)鳠釋訑_動，不僅可有效破壞壺內(nèi)膜態(tài)沸騰，強(qiáng)化壺內(nèi)核態(tài)沸騰傳熱，而且還可以有效增強(qiáng)壺內(nèi)水對流傳熱。

4 結(jié)束語

壺底孔的幾何尺寸及布置對傳熱影響大。研究表明[6]：一定深度的梯形孔具有煙囪的抽吸效應(yīng)。梯形孔直徑越大和深度越大對聚攏火焰的效果更顯著，另外，梯形孔直徑和數(shù)量對傳熱面積影響也很大。采用梯形孔結(jié)構(gòu)會增加壺底加工制作難度，需綜合考慮梯形孔幾何結(jié)構(gòu)和分布對傳熱的影響。壺底弧度對輻射換熱影響大，準(zhǔn)確確定該弧度也是節(jié)能改進(jìn)的重要技術(shù)之一。

綜上所述，從增大傳熱面積，聚攏壺底火焰，提高壺底火焰溫度以及降低熱阻三方面提出改進(jìn)建議，提出改善壺底結(jié)構(gòu)，采用適宜的弧形壺底或者多孔布置的弧形壺底，不僅可以增大傳熱面積，提高壺底火焰溫度和傳熱時間，加強(qiáng)壺內(nèi)水流擾動，能有效提高壺水吸熱量，降低排煙熱損失，提高熱水壺的能量利用率。