储水式电热水器的有限元能效分析

2023年12月30日发(作者：郁怀智)

第３８卷第３期　化工机械　３０９　储水式电热水器的有限元能效分析　郑金玲　胡小芳　黄焕文　（华南理工大学机械与汽车工程学院）　摘　要　以５５Ｌ储水式电热水器为研究对象，分析电热水器筒体、进出水管１：７等各个部位的热损失情　况，由理论计算出该电热水器２４ｈ的固有基准能耗值，从而得出电热水器的能效等级。还通过改变有限　元分析的边界条件，分析了影响电热水器能效等级的一些因素，提出了改进的一些措施。　关键词　储水式电热水器　能效中图分类号ＴＱ０５１．５　有限元　文章编号０２５４－６０９４（２０１１）０３－０３０９－０４　文献标识码　Ａ　电热水器大多以储水式电热水器为主¨　，但　随着世界的发展，常规能源日益减少，能源问题基　本上已成最棘手的问题，节能已是各行业技术改　进的关键目的之一　２　。因此，只有在电热水器　节能方面取得突破，才能真正的领先于本行业的　发展。根据中华人民共和国国家质量监督检验检　疫总局最新发布的有关《储水式电热水器能效限　定值及能效等级》规定，该规定中能效等级５级　是能效限定值，为目前市场准入的门槛，两年后能　效限定值的市场准入门槛将提高到４级，低于能　效限定值的产品将不能在市场上销售。而要达到　节能的评价标准，则要求电热水器的能效等级在　２级以上。　图１　储水式电热水器结构示意图　１——外胆；　２——保温层；３——内胆；　４——防爆口；５——出水管；６——挂壁；　７——进水管；８——加强圈　储水式电热水器的设计参数如下：　热水器内水温保温层厚度７５℃　０．０５４　Ｗ／（ｍ・Ｋ）　１０Ｗ／（ｍ　・Ｋ）　为了检验产品的能效等级，笔者借助ＡＮＳＹＳ　为平台，对储水式电热水器进行有限元分析，求得　电热水器的能效等级、电热水器各个部位的热损　失、电热水器与保温材料之间的保温性能比等，从　而为电热水器能效的提高提供参考。　１　结构及参数　２０ｍｍ　保温材料的导热系数空气自然对流换热系数泊松比　０．３　材料弹性模量Ｅ　２０６ＧＰａ　２能效等级的计算　电热水器２４ｈ固有能耗系数　的计算公式　为：　ｎ　＝　某公司生产的５５Ｌ储水式电热水器，其结构　如图１所示，它是由挂壁、内胆、保温层、进出水管　及防爆管等组成，材料主要是铁，其主要热损失区　域为热水器筒体、进出水管口和防爆管口处。　（１）　Ｙ　式中ｓ——电热水器２４ｈ固有能耗系数；　郑金玲，女，１９８６年２月生，硕士研究生。广东省广州市，５１０６４０。　

３１０　化工　机　械　２０１１钲　Ｑ　——电热水器２４ｈ固有能耗，ｋＷ・ｈ；　Ｑ——电热水器２４ｈ固有能耗基准值，　ｋＷ・ｈ。　国家将电热水器的能效等级分为５个等级，１　级能效最高，各等级对应的电热水器２４ｈ固有能　耗系数和热水输出率见表１。　表１　电热水器的能效等级　由国家质量监督检验检疫总局最新发布的《储　水式电热水器能效限定值及能效等级》规定，电热水　器的２４ｈ固有能耗基准值的计算方法见表２。　表２　电热水器２４ｈ固有能耗基准值　额定容量ＣＲ　固有能耗基准值Ｑ　Ｌ　ｋＷ・ｈ　０＜ＣＲ≤３０　Ｑ＝０．０２４Ｃ＋０．６　３０＜ＣＲ≤１００　Ｑ＝０．０１５Ｃ＋０．８　１００＜ＣＲ≤２００　Ｑ＝０．００８Ｃ＋１．５　ＣＲ＞２００　Ｑ＝０．００６Ｃ＋２．０　注：Ｃ——电热水器的买测容量。　按表２中的公式求得５５Ｌ储水式电热水器　２４ｈ固有能耗基准值ｐ＝０．０１５　Ｘ　５５＋０．８＝　１．６２５ｋＷ・ｈ。　通过有限元的计算，得出该电热水器各个部　位散热量的云图（图２～５），图中数值的单位为　Ｗ／ｍ　图２　热水器简体的散热云图　图３　挂壁的散热云图　图４　进水管的散热图云　图５　防爆管散热云图　根据有限元的计算结果，提取电热水器各个　散热部位表面的散热量大小，求得该表面散热量　的数值平均值ｑ，其次通过电热水器的实际尺寸　计算出该散热面的面积Ａ，从而可以得到该散热　处的热损耗量Ｑ　Ｑ。　＝２４Ａｑ　（２）　热水器筒体面积Ａ．＝０．４３６９ｍ　、封头面积　Ａ　＝０．２０６８ｍ　、筒体单位面积热损ｑ．：　

第３８卷第３期　化工机械　３１１　０．０９２３８ｋＷ・ｈ、封头的单位面积热损ｑ　＝　效等级就越高；保温层材料的导热系数越小，能效　系数也越高。但事实发现，保温层的厚度越厚，电　热水器所占的空间越大，本身的造价也越高；要使　保温材料的导热系数减小，不仅会遇到技术上的　０．０２８７５ｋＷ・ｈ，则其固有能耗Ｑ。　。＝２４×（Ａ　ｇ　＋　Ａ２ｇ２）＝１．１１１４ｋＷ・ｈ。　为了平衡，热水器一般有两个挂壁，挂壁的面　积Ａ，＝０．００４６８ｍ　、挂壁的单位面积散热量ｇ　＝　难题，而且会提高热水器的生产成本。因此，分析　电热水器的能效等级与保温材料的之间的关系能　０．１８２３ｋＷ・ｈ，贝０其固有胄宦耗Ｑ。　＝２４×Ａ　ｑ，×２　＝０．０４ｌＯｋＷ・ｈ。　根据实体的电热水器得知，进出水管的尺寸　相同，在计算散热量时只需乘上系数２。其散热　面积Ａ　＝０．００５１７４　ｍ　、单位面积散热量ｇ　：　１．１０８２ｋＷ・ｈ，则其固有能耗Ｑ。ｒ３＝２４×Ａ４ｑ４×２　＝０．２７５２ｋＷ・ｈ。　防爆管处的散热面积为Ａ　＝０．００４５６　Ｉｎ　、单　位面积的散热量ｑ　＝０．１２１ｋＷ・ｈ，则其固有能耗　Ｑ　＝２４×Ａ５ｑ５＝０．０１３２ｋＷ・ｈ。　根据上面求出的电热水器各个部位的固有能　耗，由此可得５５Ｌ储水式电热水器２４ｈ的固有能　耗Ｑ　＝Ｑ　１＋Ｑ　ｒ２＋Ｑ　ｒ３＋Ｑ　“＝１．４４０８ｋＷ・ｈ。　最后可得５５Ｌ储水式电热水器的固有能耗系　数：　１．４　４　０８占＝＿而—　＝０．８８７＜０．９　‘‘。　由表１可知，５５Ｌ储水式电热水器的能效等　级为４级。各部分能耗占固有能耗基准值的比例　见表３。　表３　电热水器主要热损失部位能耗量占　２４ｈ固有能耗基准值的比例　由表３可见，电热水器的主要损失部件为其　筒体，损失热量超过总损失热量的三分之二，因而　可通过对电热水器的筒体进行相关的优化设计改　装就能达到节能的目的。　３能耗系数的影响因素　、．＾　从单位面积筒体散热量的理论公式ｇ＝　￡，　可以看出，保温层的厚度越厚，散热量就越小，能　给热水器的生产制造和使用节能提供有利的帮　助，以期找出一个最优点。改变保温层的厚度与　其导热系数，用有限元其各部分的散热云图，计算　得到能效等级（图６、７）。　４０　３６　；　３２　２８　２４　２０　ｌ６　Ｏ　图６　２４ｈ固有能耗系数与保温层厚度的关系　籁　１ｊ｛５　曲　能耗系数Ｐ　图７　２４ｈ固有能耗系数与保温层导热系数的关系　从以上图、表可以得出，保温材料对于５５Ｌ的　储水式电热水器的保温经济效果不是越厚越好。　随着保温材料厚度的增加，其２４ｈ的能耗系数减　小得越来越缓慢；在保温材料为２０ｍｍ时，该５５Ｌ　电热水器的能耗系数很难达到０．７以下，其能效　等级也很难达到２级。如要提高电热水器的能耗　等级，在实际生产中只能稍微增加保温材料的厚　度。另外，通过对热水器的模拟分析和对热水器　生产商部分产品的了解可知，电热水器的保温层　厚度一般取２０—３０ｒａｍ就能取得比较好的效果。　４结论　４．１　５５Ｌ储水式电热水器如果要达到节能评价　等级的第２级，当保温材料的导热系数为　０．０５４Ｗ／（ｍ・Ｋ）时，厚度应该为２９ｍｍ。　４．２　除了简体散热比较严重以外，进出水管口　处的热损失占的比例比较大，可以增强进出水管　

３ｌ２　化工机械　２０１　１正　口局部的保温来提高热水器的能效等级，从而达　到更好的环保节能效果。　参　考　文　献　［１］　张平川，许兴广．基于单片机电热水器模糊控制系　［２］　王勇民，刘荣厚，边志敏．家用太阳热水器经济效益　分析［Ｊ］．可再生能源，２００５，（５）：５４～６Ｏ．　［３］　侯全舵．即热式电热水器未来技术三个发展趋势　［Ｊ］．现代家电，２００９，（１７）：６４—６５．　［４］　ＧＢ２１５１９－２００８，储水式电热水器能效限定值及能效　等级［ｓ］．北京：中国标准出版社，２００８．　（收稿日期：２０１０－０６－０６）　统设计［Ｊ］．微计算机信息，２００５，２３（１１）：１４３—　１４９　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ＦＥＡ　ｆｏｒ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｗａｔｅｒ　Ｈｅａｔｅｒｓ　ＺＨＥＮＧ　Ｊｉｎ－ｌｉｎｇ，ＨＵ　Ｘｉａｏ—ｆａｎｇ，ＨＵＡＮＧ　Ｈｕａｎ—ｗｅｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｆ　ｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０６４０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔａｋｉｎｇ　ａ　５５　Ｌ—ｓｔｏｒａｇｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｗａｔｅｒ　ｈｅａｔｅｒ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ　２４－ｈｏｕｒ—ｈｅａｔ　ｌｏｓｓ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ，ｔｈｅ　ｉｎｌｅｔ　ａｎｄ　ｏｕｔｌｅｔ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｐａｒｔｓ　ｗａｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ａｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｇｒａｄｅ；ａｎｄ　ｂａｓｉｆｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ＦＥＡ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｏｔｈｅｒ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｇｒａｄｅ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｅｌｅｃｔｉｒｃ　ｗａｔｅｒ　ｈｅａｔｅｒｓ，ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ，ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ（ＦＥＡ）　（上接第３０８页）　４．４数据安全性的处理　以进行查询。　５　结束语　和大多数钻井监测系统采用文件服务器不同，本　系统后台用ＳＱＬ　Ｓｅｒｖｅｒ做数据库平台。以往的文　ＤＰＭＳ系统采用主机／ＤＡＱ数据源结构来进　件服务器必须共享数据文件给客户端，并且文件　需完全共享，共享权限很难控制，所以容易发生数　据恶意破坏或意外丢失，数据极其不安全。本系　统客户端通过ＯＤＢＣ和服务器连接，服务器端对　客户机而言不透明，而且不同的用户有不同的权　行钻井参数的数据管理，使数据的安全性和完整　性得到了保证，提高了数据操作的规范性，有利于　井队进行科学管理。开发了实时参数显示、实时　曲线显示、历史数据查询、历史数据回放、实时报　表打印、历史报表打印、实时曲线报表打印、历史　曲线报表打印、钻井工况动画模拟显示等多种功　能，为钻井过程提供了强大的数据分析工具。　（收稿日期：２０１０—０８—２９，修回日期：２０１１－０３—２０）　限，对数据库的操作有相应的限制，所以数据安全　性较好。为了方便责任管理和进一步保证数据的　安全性，系统对用户进行分级管理，每个用户的操　作以日志的方式存储在数据库中，需要的时候可　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　Ｎｅｗ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　Ｍｏｎｉｔｏｒ　ＹＩＮ　Ｃｕｎ．ｔａｏ　（Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｇｕａｎｇｙｕａｎ　６２８０１７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｆｌｏｗ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ，ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｄａｔａ　ｆｌｏｗ