中国经济正在快速的发展,居民的生活质量也逐步提高,燃气容积式热水器具有的精准直供热水的舒适特性越来越受到用户认可。高效率、低排放的燃气容积式热水器的普及应用,可以更好地利用清洁能源–天然气,更加节能和减少污染。目前冷凝换热技术和全预混燃烧技术在燃气快速热水器上的应用相对广泛,但在燃气容积式热水器上因内胆制作工艺、燃烧室形状等原因,限制了换热结构改进和燃烧系统优化。本课题创新性的利用燃气容积式热水器内胆外表面,作为二级换热器,结合负压式全预混燃烧系统,搭建一个具有高效换热、低污染烟气排放、不需要防爆风机的新型燃气容积式热水器系统,利用理论分析、数值模拟、模型实验相结合的方式,对新型系统的燃烧、换热设计方案进行优化和性能研究,并通过实验验证设计方案可,性能可靠。其主要内容为:首先,对燃烧过程和传热过程进行了理论分析,重点阐述了燃烧火焰稳定性,烟气中CO和NO_x产生机理和相互关系,负压式全预混燃烧系统介绍,螺纹烟管与烟气扰流板强化传热相结合的方式,结合工程实际应用,从燃烧系统、一二次换热、水路设计等方面分析,设计新型外表面换热的燃气容积式热水器模型。其次,使用计算流体力学软件FLUENT,对新型系统的模型进行数值模拟计算,计算出燃烧和换热过程具体情况。依据燃烧火焰不均匀性提出了燃烧器双文丘里结构,并确定初步过量空气系数为1.5较为合适,及合理的过量空气系数设计范围。通过换热过程分析发现螺纹烟管配合烟气扰流板后换热强化明显,换热量占整体换热量的50%,新型设计的外表面换热方式也对整机换热效率的提升起到至关作用,外表面夹层换热量占比近30%。此外,利用CFD和FEA耦合分析方法对一级换热系统高温区域进行应力分布和安全系数模拟计算,给出翻边焊接的改进方案。最后,搭建新型外表面换热式燃气热水器实验模型,对该模型的烟气排放,热效率、热水产率、维持热负荷、内胆底部搪瓷表面温度等进行实验验证,从实验数据进一步得出针对负压式全预混燃烧系统的过量空气系数合理范围为1.3到2.0及此范围内CO和NO_x的排放均可满足低排放要求。螺纹烟管结合烟气扰流板,以及内胆外表面作为二级换热器的有效性也通过实际模型热效率测试验证,该优化方案具有90%的热效率和约85%热水产出率,明显高于同类产品。结合CFD和FEA耦合分析的风险点,设计了可行的可靠性测试方案并实施,从测试方面证实焊接改进方案的可靠性。通过本课题研究证明,采用内胆外表面作为二级换热器和负压式全预混式燃烧系统的新型热水器,通过对燃烧器进口结构改进和外表面夹层肋板结构优化,达到良好的燃烧性能和换热效果性能,此项创新系统是值得推广的。