热水器论文：燃气容积式热水器的结构和性能
一、燃气容积式热水器在美国的市场
热水供应负荷是美国最重要的燃气用途之一。在美国南方，用于热水供应的气量和用于采暖的气量接近。1994年，美国每年销售800万台家用容积式热水器，其中燃气热水器占55％，约440万台。图1为1978-1991年家用燃气容积式热水器市场占有率的上升情况。其市场占有率不断增长的原因为运行费用比电热水器低。1994年美国每年销售11万台商用容积式热水器，其中80％以上是燃气热水器。在商用热水器领域，燃气热水器的优势更大。
图1 1978-1991家用燃气容积式热水器的市场占有率
美国热水器生产厂高度集中。State、Rheem、SABH等5家大厂占了总生产量的95％以上。美国容积式热水器的制造技术已高度成熟，表现在设计精致，性能可靠，价格低廉。用户对容积式热水器的要求为完全可靠，无需维护。
二、家用燃气容积式热水器的构造
美国最普通的家用燃气容积式热水器构造如图2所示。热水器由内胆、外筒、保温层、燃烧器、自控安全装置等部件组成。几乎所有家用热水器都用设在中心的单烟管，只有一些商用热水器才用多烟管。烟气与水的传热面为内胆底部和烟管。内胆由普通钢板卷成，敷以专门的搪瓷，以防腐蚀。内筒的实验压力为300lb/in2(约20bar)，最大使用压力为150lb/in2(约10bar)。插入内胆的阳极棒也是为了防止腐蚀。冷水由顶部进入，通过进水管直抵内筒底部，而热水则从顶部引出。这样能避免顶部热水温度的降低。燃烧器为普通的多火孔大气式燃烧器。老的产品均有长明火，新的产品趋向于减少长明火热负荷或予以取消，以节约燃气。控制装置包括电磁阀、手动开/关控制、点火燃烧器和主火燃烧器的调压站及恒温器。恒温器可设定水温，当水温下降约20F(11℃)时启动燃烧器重新加热。烟管中设有扰流器，以增加烟气扰动，加强传热，减低过剩空气系数。外壳用彩色钢板制成。内胆与外壳之间设有良好的保温层。
图2 典型的家用燃气窖积式热水器的主要部件
普通家用热水器的突出优点是价格便宜。一台40加仑(150升)的热水器零售价才200美金。其缺点为热效率较低，能源系数(定义见下节)不高，仅为0.54-0.58。
三、能源系数EF(Energy Factor)
美国以能源系数EF来衡量容积式热水器的运行效率。EF是在典型的24小时内，用于制备热水的能量占总耗能量的百分比。美国能源部专门制定了统一的EF测定方法。
由于普通家用热水器EF较低。有些用户宁愿多花一些钱去购买一台EF较高的热水器，以节约经常的燃气费用。EF较高的热水器大致有以下几种类型：
1．增加烟气和水之间的传热面。多烟管式热水器就是其中之一。也有在烟管内表面加鳍片或将燃烧器全部浸入水中。这些措施可将EF提高到0.58-0.62。
2．在排烟口设置引风机。将烟气从水平方向排出。这种热水器停机时的自然抽风热损失较小，过剩空气系数较易调节。可以在烟道中进一步增加挡板以增加传热，其EF可提高到0.57-0.66。也可以用一台鼓风机既鼓人燃烧用空气，又将烟气强制排到室外。
3．使用分离式鳍片热交换器。这种热水器将燃烧器及鳍片热交换器与贮水筒分开，以减少停机时的自然抽风热损失。贮水筒可用非金属制作以防腐蚀。这种热水器的EF可提高到0.7。
4．冷凝式热水器。这种热水器使烟气中的部分水蒸气冷凝，以吸收其潜热，EF可达0.86。
图3为EF不同的各种热水器占热水器总数的百分比(贮水量为40加仑，1993年底统计)。
能源系数EF
图3 各种EF的热水器所占比例
(40加仑贮水量)
四、第一小时出率FHR(First Hour Rating)
第一小时出率FHR是充满热水的容积式热水器在运行第一小时内所能供应的热水量，以加仑计。影响FHR的主要因素为贮水容积、燃烧器热负荷、热效率、进水管混水性能。FHR是评价容积式热水器供水能力的指标，可以根据它来选择热水器。例如某用户使用高峰时连续淋浴三次、剃须一次、洗发一次、洗碗一次。按设计手册可查到需要的用水量为70加仑。因此就要选择FHR为70加仑的热水器。一台贮水量为40加仑，燃烧器热负荷为36000Btu/h(9000kcal/h)的热水器具有70加仑的FHR，正好符合该用户要求。
图4为燃气家用容积式热水器和电容积式热水器的FHR值。从图中看出，当贮水量相同时，燃气热水器的FHR比电热水器大，也即供水能力较大。图中曲线的上下范围表示燃烧器热负荷(或电加热器功率)对FHR的影响。热负荷越大，FHR越大。
贮水量，加仑
图4 燃气家用容积式热水器与电容积式热水器的FHR值
参考文献
GATC FOCUS 1994.1
