燃?xì)獠膳療崴疇t翅片式不銹鋼換熱器的研究與驗(yàn)證

梁展程 楊茂林

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528325）

引言

目前在燃?xì)獠膳療崴疇t的行業(yè)內(nèi)，換熱器的材質(zhì)以銅為主。因銅具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性、延展性、可塑性，銅質(zhì)換熱器被廣泛應(yīng)用。但由于隨著能源資源的不斷減少，銅價在不斷攀升，因此采用價格相對低廉的不銹鋼材質(zhì)換熱器成為行業(yè)的發(fā)展趨勢。近幾年不銹鋼換熱器在全預(yù)混燃?xì)獠膳療崴疇t上應(yīng)用的情況較多，而在常規(guī)燃?xì)獠膳療崴疇t上的應(yīng)用的情況較少，正式推向市場的不銹鋼換熱器常規(guī)燃?xì)獠膳療崴疇t很少。因此，對不銹鋼換熱器進(jìn)行研究是非常有必要的，本文正是以一種翅片式不銹鋼換熱器作為對象展開研究與驗(yàn)證，為后期應(yīng)用于常規(guī)燃?xì)獠膳療崴疇t上提供參考價值。

1 研究方法

1.1 理論分析

換熱主要是通過傳導(dǎo)、對流、輻射三種形式來實(shí)現(xiàn)，由于燃?xì)獠膳療崴疇t換熱器沒有換熱箱體和換熱盤管，高溫?zé)煔獾臒彷椛湮蛰^少，可忽略不計。因此，本文主要針對熱傳導(dǎo)與對流兩種形式進(jìn)行探討。

在換熱的計算過程中，高溫?zé)煔馀c換熱器進(jìn)行換熱的計算公式如下：

式中：

Q—對流換熱量；

K—對流換熱系數(shù)；

△T—溫差；

A—換熱面積。

在公式（1）中，△T為定值，要提升Q可通過增大K和A來實(shí)現(xiàn)，而增大A可通過增加翅片數(shù)量來實(shí)現(xiàn)，對流換熱系數(shù)K的計算公式如下：

式中：

α1—水與傳熱管的對流換熱系數(shù)；

δ—傳熱管壁厚；

λ—導(dǎo)熱系數(shù)；

α2—煙氣與翅片的對流換熱系數(shù)。

在公式（2）中，設(shè)定管壁厚度不變，δ為定值，λ為材料固有特性，也為定值，要增大K可通過增大α1與α2來實(shí)現(xiàn)，而增大α1可通過管內(nèi)增加擾流片的方法實(shí)現(xiàn)，增大α2可通過優(yōu)化翅片結(jié)構(gòu)的方法來實(shí)現(xiàn)。綜上所述，本文著重從增大換熱面積、增大管內(nèi)水體擾流、優(yōu)化翅片結(jié)構(gòu)的方向來設(shè)計換熱器。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及數(shù)值模擬分析

1.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

綜合以上的理論分析，對不銹鋼換熱器進(jìn)行設(shè)計，具體方法為保證降本的前提下適當(dāng)增加翅片數(shù)量，增大換熱面積；在換熱管內(nèi)增設(shè)擾流片，增大管內(nèi)水體擾流，增加換熱量；對翅片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提升換熱能力。不銹鋼換熱器結(jié)構(gòu)與翅片結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 不銹鋼換熱器結(jié)構(gòu)圖

圖2 翅片結(jié)構(gòu)

1.2.2 數(shù)值模擬設(shè)置

主要設(shè)置如下：

1）煙氣入口設(shè)為速度入口，進(jìn)氣速度大小及溫度見表1；

表1 換熱器對應(yīng)功率、煙氣參數(shù)

2）煙氣出口設(shè)為壓力出口，靜壓大小設(shè)為0 Pa；

3）打開能量方程，湍流模型采用sst k-w模型；

4）水管的內(nèi)壁設(shè)為對流壁面條件，特征溫度與對流系數(shù)的設(shè)置見表2；

表2 各管道溫度與對流系數(shù)

5）對流系數(shù)是基于水流量采用Dittus-Boelter公式進(jìn)行計算。

1.2.3 計算結(jié)果

經(jīng)以上數(shù)值模擬設(shè)置后，計算得到（中間截面的）煙氣溫度云圖、速度云圖、速度矢量圖如圖3～5所示，翅片溫度云圖、表面熱流量云圖如圖6、圖7所示。

圖3 煙氣溫度云圖（單位：℃）

圖4 煙氣速度云圖

圖5 煙氣速度矢量圖（局部）

圖6 翅片溫度云圖（單位：℃）

圖7 翅片表面熱流量云圖

高溫?zé)煔饬鹘?jīng)換熱器后的壓損、出口平均煙溫、管道換熱功率如表3、表4所示。

表3 壓損與出口平均煙溫

表4 管道換熱功率

由計算結(jié)果可知，按照設(shè)定的熱輸入，假設(shè)高溫?zé)煔饩鶆蛄鹘?jīng)至各翅片，換熱效率可達(dá)90.1 %。

2 翅片式不銹鋼換熱器與翅片式銅換熱器對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以同一臺額定功率為20 kW的燃?xì)獠膳療崴疇t為載體，分別裝上翅片式不銹鋼換熱器與翅片式銅換熱器，測試對比兩種換熱器的性能。實(shí)驗(yàn)條件為環(huán)境溫度27.5 ℃，大氣壓102 kPa，空氣濕度57 %，試驗(yàn)氣為12 T天然氣，燃?xì)鉁囟?8 ℃。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括能效測試臺、微壓計、變源電源、煙氣分析儀等。

2.1 換熱效率測試

換熱效率是檢驗(yàn)換熱器換熱性能的重要指標(biāo)，依據(jù)GB 25034-2020《燃?xì)獠膳療崴疇t》與GB 20665-2015《家用燃?xì)饪焖贌崴骱腿細(xì)獠膳療崴疇t能效限定值及能效等級》的要求，額定熱負(fù)荷供暖熱效率≥89 %，30 %額定熱負(fù)荷供暖熱效率≥85 %，額定熱負(fù)荷熱水熱效率≥89 %，50 %額定熱負(fù)荷熱水熱效率≥85 %，裝上翅片式不銹鋼換熱器與翅片式銅換熱器的燃?xì)獠膳療崴疇t針對換熱效率的測試數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 裝有不銹鋼換熱器與銅換熱器的燃?xì)獠膳療崴疇t的換熱效率

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，裝有翅片式不銹鋼換熱器與翅片式銅換熱器的燃?xì)獠膳療崴疇t的各狀態(tài)下熱效率相近，換熱性能良好，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 耐久測試

參照CJ/T 469-2015《燃?xì)鉄崴骷安膳癄t用熱交換器》條款7.9.2.1對翅片式不銹鋼換熱器做耐煙氣腐蝕測試。測試表明，在3個月耐久測試后，翅片式不銹鋼換熱器沒有出現(xiàn)翅片燒蝕、碳化問題現(xiàn)象，密封性良好，如圖8所示。再將其安裝于機(jī)器進(jìn)行整機(jī)熱效率測試，額定熱負(fù)荷供暖熱效率為90.1 %，30 %額定熱負(fù)荷供暖熱效率為85.8 %，額定熱負(fù)荷熱水熱效率為90.2 %，50 %額定熱負(fù)荷熱水熱效率為85.5 %，與耐久測試前的熱效率對比，換熱性能偏差不大。

圖8 耐久測試后換熱器外觀

3 結(jié)論

本文以一種翅片式不銹鋼換熱器作為研究對象，通過對換熱器的換熱原理分析，繼而進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計及數(shù)值模擬分析，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，總結(jié)觀點(diǎn)如下：

1）經(jīng)合理設(shè)計后的翅片式不銹鋼換熱器通過數(shù)值模擬分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)表明換熱器換熱性能良好，各狀態(tài)下的熱效率均滿足GB 25034-2020《燃?xì)獠膳療崴疇t》與GB 20665-2015《家用燃?xì)饪焖贌崴骱腿細(xì)獠膳療崴疇t能效限定值及能效等級》的要求

2）翅片式不銹鋼換熱器經(jīng)過耐久測試，滿足CJ/T 469-2015《燃?xì)鉄崴骷安膳癄t用熱交換器》的要求，耐腐蝕性強(qiáng)，適應(yīng)燃?xì)獠膳療崴疇t的使用環(huán)境。

3）應(yīng)用于燃?xì)獠膳療崴疇t的翅片式不銹鋼換熱器各項指標(biāo)均符合要求，可替換銅換熱器，降低整機(jī)成本，提高整機(jī)競爭力。