CET全热交换技术是从直接接触式水加热技术发展而来，采用了燃气与冷水“直接燃烧、全面接触、全热交换” 的加热方式，具有高热效率、低污染、安全可靠、操作方便等诸多优点，该方法即可以用于提供生活用水和取暖，也可以为食品、轻工等工业领域提供热水。本文将介绍采用CET全热交换技术的直燃热水器，并对其热平衡及热效率进行分析。

CET全热交换技术（the Complete Thermal Exchange Applications）是从直接接触式水加热技术发展而来，是一种革命性的水加热方法，采用了燃气与冷水“直接燃烧、全面接触、全热交换” 的加热方式，具有高热效率、低污染、安全可靠、操作方便等诸多优点，该方法即可以用于提供生活用水和取暖，也可以为食品、轻工等工业领域提供热水。

系统组成

CET全热交换燃气热水器包括燃烧通道、全热交换通道、排烟通道和热水收集区。燃烧通道位于热水器的顶部中央位置，由全预混超低氧化氮型高效燃烧器、鼓风机、火焰管组成，全部燃气都在位于全热交换通道中央位置的火焰管内燃烧。冷水从热水器的顶部多个螺旋喷嘴系统喷入全热交换通道并变为细小的水滴。燃气在火焰管中燃烧产生的热量从火焰管底部进入热水器下部的热水收集区，并由下向上进入全热交换通道，然后缓慢向上流动通过热交换层。这样下行的细小水滴和上升的热气以相反的方向穿过热交换层，多次互相全面接触，进行快速的高效热交换，细小的冷水雨滴变成了热水向下进入热水收集区，而燃烧产生的剩余烟气最终从热水器顶部烟道排出，而排烟温度与进水温度相比只有几度的温升，并且远低于烟气中水蒸汽的露点温度，所以烟气中的水蒸汽几乎完全凝结下来最大限度地提高了热效率。

系统构成示意图

热平衡分析

直燃热水器热平衡关系应满足输入总热量（Qi）与输出总热量（Qo）相等，即Qi=Qo。Qi为输入总热量，燃烧空气带入热、燃气带入热之和。Qi=Qa+Qg+Qg.c。其中Qa：为燃烧空气带入热：包括空气显热及其中蒸汽的热焓。Qa=Qa1+Qa2=Vg.Va.Cpa.ta+Vg.Va.da.ra。Qg为燃气显热及潜热：
Qg=Qg1+Qg2=Vg.Cpg.tg+Vg.dg.rg Qg.c为燃气燃烧的化学热： 按燃气高热值Hh计算：Qg.c=Vg.Hh。按燃气低热值HL计算：Qg.c=Vg.HL。Qo为输出总热量包括：被加热水获得的有效热热量（Qw）、烟气带出热（Qf）及设备散热损失（Qc）。Qo=Qw+Qf+Qr。其中：Qw为被加热水获得的有效热量，即水通过热水器的热焓增值：Qw=Ww.Cpw.(t2-t1)。Qf为烟气带出热：热水器出口烟气的显热及其中水蒸汽热焓。烟气中水蒸汽含量包括燃气、空气带入水蒸汽及燃烧化学反应产生的水蒸汽。Qf=Qf1+Qf2=Vg.Vf.Cpg.tf+Vg.Wf.rf。Qr为热水器向外界散热量：Qr = αF.F(tF-ta)。

根据上述分析，热平衡关系式为：Qa + Qg + Qgh = Qw + Qf + Qr 或 Qw = Qa + Qg + Qgh–Qf–Qr。式中： Vg：燃气用量；Va、Vf：空气及烟气的体积；Cpg、Cpa、Cpf、Cp：燃气、空气、烟气及水的平均定压比热；tg、ta、tf、tF：燃气、空气、烟气及设备表面温度；Vo、Vof：理论空气需要量及理论烟气量；α：燃烧的过剩空气系数；dg、da、Wf：燃气、空气及烟气中水蒸汽含量；t1、t2：水的进出口温度；W：被加热水量；rg、ra、rf：燃气、空气及烟气中水蒸汽的凝结热；Hh、HL：燃气的高热值和低热值；Qg1、Qa1、Qf1、Qg2、Qa2、Qf2分别表示燃气、空气、烟气的显热及潜热热焓；αF：热水器对环境空气的对流换热系数；F：热水器表面面积。

热效率分析

计算方法

燃气热水器热效率（η）的定义为：水通过热水器得到的有效热量与燃气输入化学热量之比。

（1）

燃气热效率还可以通过热损失计算得出，为理论效率减去各项热损失率。

按高热值计算的热效率：

（2）

——按高热值计算，由显热损失引起的热效率降低值；

——按高热值计算，由潜热损失引起的热效率降低值；

——按高热值计算，由设备散热引起的热效率降低值；

式中：Q1=Qf1-Qg1-Qa1为热水器燃烧烟气的显热损失；Q2=Qf2-Qg2-Qa2 为热水器烟气中水蒸汽的潜热损失；Qr=αF .F(tF-ta) 为热水器向外界散热量；Qh 为燃气产生的化学热。按低热值计算的热效率：

（3）

——按低热值计算，由显热损失引起的热效率降低值；

——按低热值计算，由潜热损失引起的热效率降低值；

——按低热值计算，由设备散热引起的热效率降低值；

影响因素分析

（1）排烟温度对热效率的影响

热水器实际的排烟温度不可能等于环境空气温度或回水温度，因此存在排烟的显热及潜热损失，烟气温度愈高，排烟损失愈大，热效率愈低。传统的热水器为避免凝结水对换热器产生腐蚀，一般规定排烟温度应大于110℃。在此温度下烟气中水蒸汽不会凝结，排烟损失包括烟气的显热损失和全部的水蒸气潜热损失，且Q1与Q2均较高。

直燃式热水器采用的全热交换技术可使排烟温度只有不到40℃（考虑进水温度一般在5~25℃左右）。将凝结热用于加热冷水，所以其显热及潜热效率损失均大幅下降，故其热效率比其他形式的热水器有较大提高。

（2）热水器散热损失的影响

热水器的散热损失与热水器结构形式和设备表面温度有关，因而也与排烟温度有关。直燃式热水器因为燃烧热量在设备中心部分，四周均为冷却水滴，所以热水器外壳温升相对室温只有几度的温升，热水器的散热损失一般不到0.5％。

热效率计算

取天然气的有关参数如下:

容积成分:CH4=96.2%，C2H6=1.8%，C3H8=0.3%，C4H10=0.13%，C5H12=0.125%，N2=1.44%，高热值:Hh=40270kJ/m3，低热值:Hl=36360kJ/m3，天然气和空气的原始温度为t0=20℃,空气的相对湿度为65%，理论空气量: V0=9.64m3，理论烟气量:Vf0=10.64m3，进水初始温度：t1=20，则排烟温度不超过tf=35℃,因直燃式热水器采用全预混燃烧技术，空气系数在1.05~1.1之间，可取过剩空气系数=1.1。

(1) 排烟显热损失

排烟热损失包括烟气的显热损失和排烟中水蒸气的潜热损失两部分。烟气的显热损失为236kJ/m3。Cp表示烟气在35℃时的定压容积比热。

(2) 排烟潜热损失

排烟时烟气中水蒸气处于排烟温度下的饱和状态，其饱和水蒸气量由助燃空气的含湿量和燃烧生成水蒸气量的未凝结部分组成。经试验测定，空气系数为1.1时，天然气烟气露点温度约58℃，当烟气温度降至35℃时水蒸气的凝结率可达85%左右并释放潜热。查得: 空气的含湿量da=0.0123kg/m3；饱和烟气的含湿量df=0.0631kg/m3；水蒸气的汽化潜热Qq=2361kJ/m3。烟气的潜热损失Q2为248kJ/m3

(3) 外壳散热损失

直燃式热水器因为燃烧热量在设备中心部分，四周均为冷却水滴，所以热水器外壳温升相对室温只有几度的温升，热水器的散热损失一般不到0.5％。通过壳体的散热损失为182kJ/m3

(3) 直燃式热水器的低热值热效率

热水器的热效率为有效吸热与燃气低热值的比值，按式(3)得直燃式热水器的低热值热效率为109%

(4) 直燃式热水器的高热值热效率

热水器的热效率为有效吸热与燃气低热值的比值，按式(2)得直燃式热水器的高热值热效率为98.4%

由此可知，当排烟温度控制在35℃，过剩空气系数为1.1时，天然气直燃式热水器的低热值热效率高达109%，比普通型热水器的热效率(85%)提高近24%。直燃式热水器几乎吸收了除散热损失以外的全部显热和85%以上的烟气潜热，其节能效果极其显著。