燃?xì)鉄崴魉割A(yù)警功能的研究

張 其 陳 斌

（廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

燃?xì)鉄崴饔捎谄涮峁崴目焖傩院头€(wěn)定性，現(xiàn)已成為最受消費(fèi)者歡迎的熱水提供設(shè)備之一。然而隨著燃?xì)鉄崴鞯倪M(jìn)一步普及，部分水質(zhì)比較硬的地區(qū)由于水中含有的鈣鎂離子濃度高，極易產(chǎn)生水垢。

水垢結(jié)于燃?xì)鉄崴鳠峤粨Q器的受熱面上，會(huì)大大惡化傳熱效果，降低熱水器的熱效率；而且還會(huì)帶來(lái)金屬材料因局部過(guò)熱而燒壞，甚至發(fā)生爆管漏水事故的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)會(huì)造成熱交換器的電化學(xué)腐蝕加劇，加速受熱面的損壞。

如果利用一些傳感器和檢測(cè)手段，對(duì)熱水器的水垢累積情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。當(dāng)水垢累積到影響熱水器的熱效率、壽命、安全等參數(shù)的時(shí)候，就提醒用戶(hù)聯(lián)系售后人員進(jìn)行檢測(cè)和保養(yǎng)。而保養(yǎng)的過(guò)程也十分標(biāo)準(zhǔn)化、簡(jiǎn)單化，這是一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的方案。

本文主要針對(duì)如何利用停水溫升來(lái)識(shí)別水垢嚴(yán)重程度做了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)排除掉其他影響停水溫升的因子：熱負(fù)荷、火排分段、水流量等。最終得到一個(gè)可以用于實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)的邏輯流程，從而實(shí)現(xiàn)停水溫升反映水垢嚴(yán)重程度，最終實(shí)現(xiàn)主動(dòng)提醒進(jìn)行熱交換器保養(yǎng)。

1 理論分析

停水溫升指的是當(dāng)熱水器在某一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)工作時(shí)，用戶(hù)突然關(guān)閉用水點(diǎn)，熱水器隨即停止加熱，此時(shí)高溫?zé)煔夂统崞系挠酂釙?huì)繼續(xù)被水吸收，導(dǎo)致停水之后直管內(nèi)部的水溫仍然繼續(xù)上升。把這個(gè)過(guò)程中溫度的升高部分叫做停水溫升。

一般燃?xì)鉄崴鬟x用銅作為換熱器材料。因?yàn)殂~的導(dǎo)熱系數(shù)高，有利于高溫?zé)煔夂退g的熱傳遞，而水垢的主要成分是碳酸鎂和碳酸鈣等。其導(dǎo)熱系數(shù)低，約為銅的（0.2～2）%，水垢附著在銅管內(nèi)壁會(huì)大大增加管壁的導(dǎo)熱熱阻。熱水器在產(chǎn)生恒溫?zé)崴畷r(shí)，想要達(dá)到同樣的出水溫度，需要更大的傳熱溫差，即在同樣恒定的出水溫度情況下，有水垢的熱交換器上的翅片溫度將會(huì)高于沒(méi)有水垢的熱交換器的翅片。這樣在停水之后，溫度更高的翅片留有更多的余熱，這些余熱中的很大一部分被水吸收。從而導(dǎo)致了更高的停水溫升。

通過(guò)上面的分析可知，水垢越嚴(yán)重，所需傳熱溫差越大，翅片和水管表面余熱越大，，停水溫升越高；停水前熱負(fù)荷越大，翅片和水管表面余熱越大，停水溫升越高。測(cè)試停水溫升的取測(cè)試樣點(diǎn)越接近翅片直管，停水溫升的變化表現(xiàn)越明顯。另外由于現(xiàn)在普遍的熱水器都采用了分段熱負(fù)荷恒溫燃燒，在不同分段熱負(fù)荷和水流量的時(shí)候，在停水一瞬間，取樣點(diǎn)的水溫和翅片溫度都會(huì)有差別，這個(gè)也會(huì)影響到停水溫升數(shù)據(jù)的變化。

為了能夠準(zhǔn)確的得知水垢嚴(yán)重程度與以上各個(gè)因子之間的關(guān)系。設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)對(duì)理論分析進(jìn)行驗(yàn)證。并進(jìn)一步分離出可控的影響因子，從而基于停水溫升與水垢嚴(yán)重程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到一個(gè)最終能夠應(yīng)用在熱水器上的邏輯判斷流程。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

水垢模擬生成設(shè)備如圖1所示，通過(guò)使用一定比例的鹽（碳酸氫鈉、氯化鈣、氯化鎂）將容器內(nèi)的水的總硬度調(diào)制為200 mg/L左右。利用循環(huán)泵把調(diào)制的硬水通入到燃?xì)鉄崴鲀?nèi)，經(jīng)過(guò)熱水器加熱之后，再通過(guò)一個(gè)板式換熱器，利用單獨(dú)的冷卻水（10 ℃）對(duì)循環(huán)水進(jìn)行冷卻，冷卻之后回到容器內(nèi)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不斷監(jiān)控容器內(nèi)水的硬度，并通過(guò)增加硬水鹽的方式維持其總硬度。

圖1 水垢模擬生成設(shè)備

通過(guò)這樣的設(shè)備，就能夠模擬在硬水的環(huán)境下，熱水器水垢生成情況，并且通過(guò)不斷的累計(jì)水垢，可以在不同的水垢程度下，測(cè)試出不同的數(shù)據(jù)。

對(duì)于停水溫升的測(cè)試，做了兩個(gè)取樣點(diǎn)，分別在熱交換器的最后一根直管左右，且距離直管的距離略有不同。左邊的溫度探頭T1距離直管要遠(yuǎn)一些。右邊的溫度探頭距離直管要近一些。為了加速熱水器的水垢生成，可以將循環(huán)時(shí)候的熱水器設(shè)置溫度設(shè)置為70 ℃甚至80 ℃。另外水的硬度也可以適當(dāng)提高。

為了對(duì)停水溫升的影響因子進(jìn)行研究，在水垢模擬生成之前、過(guò)程中、之后。單獨(dú)對(duì)熱水器的停水溫升進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中記錄的參數(shù)有水流量、進(jìn)水溫度、出水溫度、熱負(fù)荷、停水后T1和T2出現(xiàn)的最高溫度、停水后T1和T2出現(xiàn)最高溫度的時(shí)間點(diǎn)、火排分段、二次壓力、熱效率等。

3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)比T1和T2的停水溫升變化，由于T2更靠近直管，停水溫升的效果更明顯，后續(xù)的數(shù)據(jù)分析均以T2來(lái)進(jìn)行，見(jiàn)表1。

表1 水垢對(duì)停水溫升和熱效率的影響

在同一個(gè)熱負(fù)荷輸入和水流量情況下，水垢增加后，熱效率下降，停水溫升變高，驗(yàn)證了理論分析，如圖2所示。

圖2 水垢對(duì)停水溫升和熱效率的影響

由于一般恒溫機(jī)為了獲得較大的負(fù)荷調(diào)節(jié)比，會(huì)采用分段燃燒的方式，對(duì)應(yīng)的火排分段也影響了停水溫升的表現(xiàn)，如圖3所示分析了在同樣流量情況下，熱水器整個(gè)負(fù)荷段停水溫升與熱負(fù)荷的關(guān)系。可以看出在某一個(gè)分段，隨著熱負(fù)荷的降低，停水溫升也會(huì)跟著降低，停水溫升隨水垢變化的程度也在降低；對(duì)于不同熱負(fù)荷分段之間既受熱負(fù)荷不一樣影響，又受加熱位置的影響，表現(xiàn)出不一樣的規(guī)律。因此在后續(xù)做對(duì)停水溫升檢測(cè)的邏輯時(shí)，有必要將不同分段的數(shù)據(jù)都要進(jìn)行記錄。

圖3 火排分段對(duì)停水溫升的影響

如圖4所示，同一個(gè)熱負(fù)荷，水流量變化，在進(jìn)水溫度不變的清下，出水溫度也會(huì)變化，停水溫升也會(huì)受影響，水流量大時(shí)候停水前出水溫度更低，更容易吸收余熱，相對(duì)來(lái)說(shuō)停水溫升更高。因此后續(xù)再設(shè)置程序判斷邏輯時(shí)，也需要排除掉水流量對(duì)停水溫升影響的這個(gè)變量。

圖4 水流量對(duì)停水溫升的影響

為了能夠準(zhǔn)確的獲得停水溫升，也測(cè)試了停水溫升最高點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間，方便后續(xù)在程序上做采集數(shù)據(jù)時(shí)，知道要采集數(shù)據(jù)的大概時(shí)長(zhǎng)，見(jiàn)表2。

表2 最高停水溫升出現(xiàn)的時(shí)間

4 算法研究

通過(guò)第4節(jié)的數(shù)據(jù)分析，我們發(fā)現(xiàn)。隨著水垢的增加，停水溫升確實(shí)表現(xiàn)除了比較明顯的上升的規(guī)律，且上升幅度十分明顯。但同時(shí)停水溫升又受到很多因素的影響，一臺(tái)熱水器的在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的停水溫升并不永遠(yuǎn)是一個(gè)固定值，其中影響最明顯的就是停水前的穩(wěn)定熱負(fù)荷的大小帶來(lái)的差異。另外也受水流量大小（出水溫度）、火排分段等因素影響。

那么對(duì)停水溫升的檢測(cè)一方面不能夠直接用固定的溫升增加值來(lái)判斷，另一方面又不能在程序中預(yù)設(shè)過(guò)多的參數(shù)導(dǎo)致芯片內(nèi)存被占用。如果采用比例的關(guān)系是一個(gè)比較合理的邏輯判斷原則。當(dāng)停水溫升受水垢影響增加到了一定倍數(shù)X時(shí)，則認(rèn)為水垢已經(jīng)到了一個(gè)比較嚴(yán)重的地步，當(dāng)然如何判斷嚴(yán)重程度，還是通過(guò)熱效率的數(shù)據(jù)直管管溫、熱交換器表面溫度、翅片溫度來(lái)決定，當(dāng)水垢累計(jì)到會(huì)損壞熱水器壽命，影響用戶(hù)體驗(yàn)的時(shí)候，就認(rèn)為是水垢比較嚴(yán)重的時(shí)候了。通過(guò)此時(shí)的停水溫升數(shù)據(jù)對(duì)比。來(lái)得到這個(gè)判別系數(shù)X的值，當(dāng)然這個(gè)X的系數(shù)設(shè)定也要考慮水流量變化等一些因素對(duì)停水溫升的影響，不能夠由于正常使用過(guò)程中的某些條件因素導(dǎo)致這個(gè)服務(wù)提醒功能誤動(dòng)作。甚至更進(jìn)一步的可以將X做成熱負(fù)荷、分段、水流量、出水溫度的函數(shù)，更加智能化的處理這個(gè)提醒用的系數(shù)。

另外一個(gè)就是沒(méi)有水垢時(shí)，熱水器的停水溫升記為原始默認(rèn)值ΔT。第4節(jié)已經(jīng)證明，ΔT的值不是唯一，也是與熱負(fù)荷、出水溫度、火排分段有關(guān)。為了將數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化，ΔT則可以采用對(duì)應(yīng)熱負(fù)荷分段線性的處理。在一個(gè)固定常用水流量情況下，每個(gè)分段的最大熱負(fù)荷和最小熱負(fù)荷對(duì)應(yīng)的給出ΔT，然后線性處理其他負(fù)荷點(diǎn),將這樣一系列的數(shù)據(jù)作為停水溫升默認(rèn)值ΔT儲(chǔ)存在主控制器的芯片中,用于計(jì)算對(duì)比。

最后當(dāng)在實(shí)際使用時(shí)，如果真是的停水溫升超過(guò)了對(duì)應(yīng)負(fù)荷點(diǎn)的ΔT乘以X倍之后。可以記錄一次水垢預(yù)警。水垢的嚴(yán)重并不是涉及安全的故障，無(wú)需立即報(bào)警停機(jī)。可以讓用戶(hù)繼續(xù)使用一段時(shí)間，并且繼續(xù)監(jiān)控，當(dāng)累計(jì)了水垢預(yù)警一定次數(shù)之后，基本上可以確定的判斷熱交換器已經(jīng)到了必須要清洗的時(shí)候，此時(shí)熱水器可以報(bào)故障鎖定，并提醒用戶(hù)聯(lián)系售后團(tuán)隊(duì)進(jìn)行上門(mén)清洗水箱服務(wù)。當(dāng)然也可以再設(shè)置一些特殊操作允許用戶(hù)繼續(xù)使用一定的時(shí)間，因?yàn)槭酆蠓?wù)有時(shí)候并不是很及時(shí)，這時(shí)候也需要能夠讓用戶(hù)正常使用到熱水。

如圖5所示，為一個(gè)簡(jiǎn)易的邏輯流程框架圖。

圖5 水垢檢測(cè)邏輯流程圖

將第5節(jié)的算法應(yīng)用在第4節(jié)模擬水垢生成之后的熱水器上，熱水器在累計(jì)幾次預(yù)警之后就發(fā)出了水垢清洗的服務(wù)提醒，并停機(jī)鎖定。效果比較明顯。且在不同的負(fù)荷段、負(fù)荷點(diǎn)、水流量、設(shè)置溫度條件下測(cè)試，都能夠準(zhǔn)確的進(jìn)行服務(wù)提醒。而當(dāng)熱交換器的水垢不嚴(yán)重時(shí)，熱水器則沒(méi)有發(fā)出服務(wù)提醒，可以證明該算法可行可靠。且同樣的條件下測(cè)試了更多熱交換器的不同水垢情況。只要水垢嚴(yán)重到預(yù)先定義好的程度，熱水器都能夠主動(dòng)的發(fā)出服務(wù)提醒。

5 結(jié)論

1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了理論分析，熱交換器中的水垢對(duì)熱水器的熱效率和停水溫升有明顯的影響，隨著水垢的增加，熱水器的熱效率下降，停水溫升變高，因此可以利用停水溫升的變化來(lái)進(jìn)行水垢情況的預(yù)估。同時(shí)，停水溫升也會(huì)受熱負(fù)荷的大小、出水溫度、火排分段、取樣點(diǎn)的影響，在利用停水溫升做水垢檢測(cè)預(yù)警時(shí)要排除掉這些因素的影響。

2）通過(guò)設(shè)置合理的程序算法，利用停水溫升的受水垢影響的變化，能夠準(zhǔn)確的識(shí)別出水垢的嚴(yán)重程度，并及時(shí)提醒用戶(hù)進(jìn)行水垢清洗服務(wù)。相比于增加前置軟水或凈水裝置來(lái)抑制水垢生成而言，本文方案綜合成本要更加低，且維護(hù)比較方便。

3）對(duì)什么樣情況的水垢才算嚴(yán)重，才會(huì)導(dǎo)致熱交換器的損傷，也需要更多的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬測(cè)試，才能夠進(jìn)一步定義停水溫升的報(bào)警值，這樣預(yù)警的時(shí)機(jī)才會(huì)更加準(zhǔn)確且有意義。