任晓平 刘 芳 周跃华 唐欣彤 孙晓婷

1.长春工程学院.

2.华能吉林发电有限公司九台电厂

0 引言

炉灶用热水壶是人们生活中常用的一种用于加热水的工具，使用广泛，数量庞大。但因其热效率低[1]，造成了能源浪费。为了降低热水壶的热量损失，对普通热水壶加热过程的能量利用情况和传热过程进行分析，研究提高热效率的方法。

1 热平衡分析

普通热水壶是机械冲压成型，采用平壶底，如图1所示，在燃气灶上加热时产生的热量及分配情况见图2。以热水壶为研究对象，根据能量守恒定律，水壶的输入热量和输出热量相平衡，建立热平衡关系[2，3]，如式（1-1）。

图1 传统热水壶

图2 水壶热平衡示意图

其中，输入热量近似等于燃气燃烧反应产生的化学热（Q1），输出热量包括壶水吸热量（Q2）、排烟热量（Q3）、壶身散热量（Q4）和其他对外的损失热量（Q5），其中，壶水吸热量是有效吸热量，其他三项输出热量属于热量损失。排烟热量损失是指从壶底与炉灶间排走的烟气温度远高于环境温度，从而形成排烟热量损失；壶身散热量是指因为壶身温度高于环境温度而形成的散热损失；其他对外的损失热量包含加热灶台面、灶体、向周围大气的辐射热量损失。在热水壶各项热损失中，通常排烟热损失最大，热水壶热效率是指壶水吸热量与输入热量的比值，用η表示，见式（1-2）。

显然，在燃气灶燃烧输入热量不变的情况下，提高壶水吸热量（Q2），降低烟气排烟热损失（Q3）、壶身散热损失（Q4）和其他热量损失（Q5），可以有效提高热水壶热效率。

2 传热分析

分析加热水壶的传热过程和传热方式可知[4,5]，将高温烟气热量传递给水依次经历高温火焰对壶底的辐射换热和对流传热、壶外壁和内壁间的导热、壶内壁与水的对流传热三个传热环节。

由辐射传热理论可知，烟气与壶底的辐射换热与火焰温度（T）、辐射面积（A）、黑度（）有关，辐射换热量表达式见式（1-3）。

式中：

A——传热面积，m2

T2——壶底温度，K

从辐射换热角度分析，增大传热面积、提高火焰温度和系统黑度可以强化辐射换热量。

由对流传热过程的理论分析，烟气与水的对流传热与各环节传热系数、传热面积，传热温差有关，对流传热量见式（1-4）。

式中：

A—传热面积，m2

k—总传热系数，W（/m2·K）

h1—烟气与壶底对流传热系数，W（/m2·K）

h2—壶内壁与壶水对流传热系数,W（/m2·K）

T2——壶水温度，K

从对流传热角度分析，提高火焰温度可以增大传热温差；增强气流扰动和水流扰动可增大传热系数，减小传热热阻，另外，增大换热面积均有利于对流传热。

3 热水壶节能改造研究

通过传热分析，以强化传热，提高水壶吸热量为目标，对壶底结构进行改造。如图3所示，壶底采用弧形壶底配置梯形孔结构，与传统水壶相比，有以下特点：

3.1 梯形孔结构有利于增大传热面积

普通热水壶大多是平壶底，受热面积有限，布置多个梯形孔可以明显增大传热面积，而且随着孔深增加，传热面积显著增大，强化传热，有效降低排烟温度。

图3 新型热水壶示意图

3.2 火焰向壶底中心集中，提高壶底火焰温度

大部分燃气灶具是大气式燃烧方式，燃烧形成的火焰分为内环火焰和外环火焰两部分，如图2所示，内环火焰温度较低，加热能力不强，而外环火焰温度很高，加热能力很强，采用普通平壶底，外环火焰大多向四周分散，热量损失大，而采用弧形壶底配置梯形孔结构可以把外环火焰引向壶底中心区域，聚拢火焰，使火焰集中，提高火焰温度，强化辐射和对流传热，降低热量损失。

3.3 增大系统黑度

壶底采用弧形结构，可以有效将壶底热辐射重新反射到炉灶表面，减少炉灶向环境散热损失，提高传热系统黑度，强化炉灶和壶底之间的辐射换热。

3.4 提高传热系数，降低传热热阻

壶底多孔结构，壶底表面凹凸，可增强壶底附近气流和水流扰动，提高对流传热系数，强化对流换热效果。其次，壶内存在壶底内壁和水的对流传热，采用凹凸壶底可加强壶内壁面传热层扰动，不仅可有效破坏壶内膜态沸腾，强化壶内核态沸腾传热，而且还可以有效增强壶内水对流传热。

4 结束语

壶底孔的几何尺寸及布置对传热影响大。研究表明[6]：一定深度的梯形孔具有烟囱的抽吸效应。梯形孔直径越大和深度越大对聚拢火焰的效果更显著，另外，梯形孔直径和数量对传热面积影响也很大。采用梯形孔结构会增加壶底加工制作难度，需综合考虑梯形孔几何结构和分布对传热的影响。壶底弧度对辐射换热影响大，准确确定该弧度也是节能改进的重要技术之一。

综上所述，从增大传热面积，聚拢壶底火焰，提高壶底火焰温度以及降低热阻三方面提出改进建议，提出改善壶底结构，采用适宜的弧形壶底或者多孔布置的弧形壶底，不仅可以增大传热面积，提高壶底火焰温度和传热时间，加强壶内水流扰动，能有效提高壶水吸热量，降低排烟热损失，提高热水壶的能量利用率。