大流量、超薄型、遥控式、多功能热水器（空气能热水器）已成为家用燃气快速热水器（简称热水器）的发展趋势。传统概念的热水器已很难满足在控制、换热、排烟等方面的要求，对此国内外热水器设计新概念主要表现为：运用模糊控制理论改进控制系统，实现温度设定和运行遥控；采用鼓风式燃烧器改进燃烧系统，强化燃烧过程；设计更紧凑的热交换系统，缩小热水器的体积及降低成本；增加热水器的采暖功能，以满足南方以外省份尤其是过渡地带用户独立采暖的需要，提高热水器的价值。关于热水器烟气-水热交换器，国内已作过一些有益的探讨。主要对传统换热器的传热分析验算，或对某一方面的改良。近年国内外出版的传热手册亦未对该类肋片管作较深入的分析或推荐有关的算式、算图，而进囗新一代热水器已就热交换系统作出重大改进。由此可见，研究热水器热交换系统是十分必要的。

　　传统热水器是通过盘管水箱加肋片管束来完成烟气-水热交换的。进入热水器的冷水先经燃烧室（燃烧室为浸锡的薄铜板）外壁缠绕的盘管（一般为圆管，个别用扁管或椭圆管），吸收高温烟气辐射给燃烧室壁面的一部份热量，再进入燃烧室上方的一排或两排矩形肋片圆管接受对流换热。文献已指出该类换热器的放热性能并非最优，我们研究认为，更紧凑高效的热交换系统应当是：①以强制吸排气方式（FF）替代传统的自然排气方式；②尽量设计成绝热燃烧室；③以矩形波纹肋椭圆（扁管）管束替代矩形直肋圆管束；④换热系统的优化设计。

　　2放热性能分析

　　2.1热交换器换热的强化

　　根据传热学理论，传热过程是三种传热方式的综合，其表达式为：

　　Q=KFΔtm式中：Q―热流量；K―总传热系数；F―换热面积；Δtm―冷热流体的平均温差。

　　上式指明了强化传热的方向和途径，即提高等式左边三项中任何一项，均能强化换热。下面为热交换器换热的强化因素。

　　2.1.1强制吸排气

　　强制吸排气方式是通过鼓风扩散燃烧排出烟气，同时从室外吸入并预热助燃空气。其优点如下。

　　（1）提高烟气流速，提高了烟气侧对流传热系数。

　　（2）预热空气，提高了理论燃烧温度及燃气燃烧速度，提高了Δtm。空气和燃气的预热温度越高，带入燃烧室的物理热越多，燃烧反应越快，火焰传播速度越大，燃烧温度越高，这有利于温差换热。

　　（3）鼓风式强制吸排气，强化燃烧过程，提高燃烧温度，提高了Δtm.在设计鼓风燃烧器时，只要使燃料的高浓度区与空气流的高速度梯度区相重合，非预混的方式也可获得强化燃烧。强化燃烧直接带来两个好处，首先是燃烧室尺寸的缩小，其材料耗量明显减少，在相同热负荷下，其燃烧室容积仅为现有大气式燃气热水器的几分之一。第二是强化燃烧时过剩空气系数可以减少（扩散式为2.2，大气式为1.7，鼓风式为1.1），直接导致燃烧室温度提高，排烟损失减少，有利于对流换热。当然，将工业鼓风式燃烧器用于家用热水器尚需解决一些技术难题。

　　2.1.2设计成绝热燃烧室

　　将厚约10mm的隔热材料镶嵌在铁皮的表面作为燃燃烧室内壁，替代盘管水箱式燃烧室。文献证明，在现有热水器受热面布置条件下，辐射受热面用去了约40的材料，但吸收的热量约占15，它的使用是不经济的，一种可行的方法是在热水器上尽可能多的采用高换热强度的对流受热面。因此，以隔热保温壁替代盘管水箱作燃烧室壁面，提高了燃烧室烟气的温度，有利于换热。不但如此，还可避免通过水箱至外壳约2～5的热损失。这样，低温（1350℃以下）低效辐射换热基本可避免，新型换热系统仅有烟气对肋片管束的辐射换热，约占热负荷的7左右。此外，采用绝热燃烧室，加工方便，既节省贵重的铜材，又降低制造成本。

　　2.1.3矩形波纹肋椭圆（扁管）管束

　　肋片管束放热是多种因素的函数，它包括肋的几何形状、管束几何形状、排数、物性、载热体的流速。最广泛的近似关联式是指数形式：

　　Nu=mRen式中：

　　Nu―努谢尔特数；Re―雷诺数（速度取最小自由流通截面处的最大流速，特性尺寸是肋根部管的直径）；m，n―与系统几何形状有关的常数。

　　肋片管束放热系数的高低主要取决于气体横掠管束的流态，由于形阻的影响，可能会引起肋表面的流动加速和管后的流动分离以及由此产生低速涡流区，波纹肋往往伴随二次流，而百叶窗式肋则往往伴有流动的分离和再附。由局部放热系数的研究证实，处于涡流区的肋片表面放热系数是较低的。而肋的几何形状、管束几何形状、排列方式及载热体的流速影响流动的分离和涡流区的大小。

　　（1）椭圆管（扁管）

　　从椭圆管的气动分析可知，椭圆管的分离点随长短轴之比aΠb的值的增大而后移，从而减少了管后的旋涡区，对放热有利。

　　不同aΠb值物形的分离点和过渡点示意图椭圆管具有有利的流动形态阻力，可提高风速来提高放热系数，在同时提高风速的情况下，椭圆管的放热效果较圆管更为明显。椭圆管在截面相同的条件下，其圆周较圆管大，因而管内热阻较小，在低Re时更是如此，一般限用于低压工况。异形管与光管相比，其管内换热系数可提高20～200。

　　（2）波纹肋

　　Goldstein和Sparrow经研究波纹肋的局部传系数，证明了几个涡系的存在，并断定波纹肋的迎风面对强化放热系数起主要作用；而波纹肋的背面的放热系数较低，且受流动分离的强烈影响。波纹肋的平均放热系数与类似的平直肋平均放热系数的比较表明：由于波纹肋引起的强化作用，随着Re数的增加而增强。在低Re时是很小的（在Re=1000时，约增25），但在低Re紊流区则是可观的（在Re为6000至8000时，约增200）.这是因流体流过凹进的波纹表面时产生Goertler涡系。

　　与平直肋相比，波纹肋可增加热换器的比表面积。例如，德国Junkers热水器（11kW）和同类国产热水器相比，Junkers热水器波纹肋椭圆管束换热器的比表面积为877m2Πm3，而国产热水器直肋圆管束换热器的比表面积一般为680m2Πm3。

　　（3）波纹椭圆管束

　　Kays和London对带平直肋扁管束及带有波纹肋扁管束的研究表明，波纹肋扁管（椭圆管）束的放热系数要比平直肋扁管（椭圆管）束高30.

　　2.2换热系统的优化

　　换热器是为不同的应用背景而设计的，因此可能涉及许多不同性能指标，如最小初始投资，最小生产成本和运行费用，最小重量或最少材料，最小体积和传热表面积、最小平均温差等。当定量地定义了一个将要使其最小或最大的性能参量时，就称该性能参量为优化设计中的“目标函数”。对某一特殊设计还可以受到下面一些要求的约束：如规定的换热量，允许的压降，换热器高度、宽度和（或）长度限制等等，这些要求称为优化设计中的“约束条件”。此外，工作时的流动工况和温度亦会改变，因此在一个换热器的设计中有大量的“设计变量”。换热器的优化设计是在施加的约束条件下调节设计变量，从而得出具有最优目标函数的设计。在换热器的热工设计和机械设计的不同阶段中存在着许多基于经验的判断，即便在热工设计阶段，如果有许多约束条件，不可能使所有这些约束条件都得以满足。设计者的任务是决定哪些约束条件可以降低，而又能获得良好的设计。这里，我们将探讨有关设计变量的确定。

　　（1）顺列与叉排

　　以带肋圆管束为例，叉排与顺排带肋管束流动现象的一个基本差别是：顺排布置中第二排和后续各排圆管上游流动区域是低速涡流区，这导致了这些管子上的低换热能力，同时存在一个流阻最小的通道，使相当一部分流体不与换热面接触而旁流过去了，产生“旁流效应”；但在叉排布置中，这两个引起低放热和低压降的现象基本不会出现。故两排以上热水器换热器肋片管束应叉排。

　　（2）管排数

　　由于旁流效应，顺排时，随着管排数的增加，换热系数将降低；但在叉排情况下，由于离开管子的流体紊流旋涡在下游管排肋片区起良好的混合作用，而产生“管排效应”，换热系数随管排数的增加而增大。为寻求在叉排管束中各排管的放热情况及管排的影响，李妩进行了矩形肋椭圆管单排管试验，对于矩形肋片椭圆管，第一排放热系数值比稳定值低20，第二排起，趋于稳定，第六排，即最后一排的放热系数值比稳定值低6左右。对于8～12升热水器，从技术经济考虑，两组叉排管应能满足要求。

　　（3）肋片密度

　　Briggs和Young研究指出，肋片管的换热性能随单位长度肋片数目的增加而降低，换热主要取决于肋片间隙与肋高（sΠh）之比，sΠh值越大，气流在肋片根部不易形成一个滞止（涡流）区，使基管和肋片根部受到紊流的冲刷，对换热性能有利。对于强排式或强制吸排气式热水器波纹肋椭圆管束肋片密度，建议参考德国Junkers强排热水器的肋片密度（0.37片Πmm）；为便于排烟，自然排气式热水器的肋片密度相对要低，国产热水器直肋圆管束肋片密度一般在0.34片Πmm左右。

　　2.3计算公式

　　管内水侧对流放热可参考文献按Dittus-Boelter推荐的紊流放热公式计算；高温烟气对矩形波纹肋椭圆管束（视为平板）的辐射换热可参考文献

　　推荐的公式或文献给出的算式、算图计算；我们最感兴趣的是烟气侧的对流放热，理论上，可通过对多种矩形波纹肋椭圆管束放热和阻力性能试验数据的线性回归分析和F水平显著性检验，求得其“最佳”关联式。在目前，建议参考矩形肋椭圆管束在空冷器上的应用、研究结果，对文献Nu进行管排数和变物性修正后引用，文献曾作初步探讨。

　　3阻力性能分析

　　流过肋片管束的压降是流动速度、管束几何形状、肋片几何参数、载热体物性的函数。习惯上用得最广泛的关系式是指数形式：Eu=mRen式中：Eu―欧拉数；m，n―与几何形状有关的常数。

　　从阻力损失（摩擦损失、形状阻力损失、膨胀收缩损失）来看，肋片管束的阻力主要是形状阻力损失，在管子后形成的涡流区，代表了大部份流动中的能量损失。涡流区越小，损失越少。Rich关于圆管束平直肋的数据整理表明，圆管束的形阻大约是总压力损失的40～60，依肋片的密度而定。比较而言，使用扁管（带有圆角或锐拐角的矩形管），由于形阻较低而会得到较低的压力损失，并能避免管后涡流区的低放热性能。

　　对于排管，一般地，前排管道上的流动与内排管道的流动之间存在明显的差别，与前排相比，内排管道的分离点向下游移动，回流区体积较小，流动结构更为复杂。因旁流效应，顺排管较叉排管压力损失要低。

　　4结语

　　（1）矩形波纹肋椭圆管束具有在阻力不大时传热性能较好及紧凑度高的优点，有利于热水器的超薄型设计。

　　（2）鼓风吸排气方式能强化燃烧和放热，并能配合对控制系统和外形尺寸的改进。

　　（3）布置成更绝热的燃烧室，既有利于放热，亦可降低热水器的制造成本。