不銹鋼換熱器在燃氣熱水器上的應用研究

陳陽堅

摘要：目前在燃氣熱水器領域中的熱交換器材料使用最多的是銅材，使用銅材制造熱交換器具有加工技術成熟，換熱效率高，體積較小等特點。但由于銅材料價格較貴，是不可再生資源，隨著新型產業的發展，對銅材的消耗帶來爆發式增長，進而帶來成本上升，這對企業長期發展不利，且銅質換熱器在水質差的地方存在易腐蝕損壞現象，給企業維護產品帶來成本壓力。而不銹鋼材質具有良好的耐腐蝕性能，且資源分布多成本也具有優勢，在歐洲市場，供熱產品中多數換熱器都是采用不銹鋼材質，經過市場幾十年的驗證，不銹鋼換熱器具有的綜合優勢得到充分驗證，在國內，已有多個廠家在摸索研究不銹鋼換熱技術，因目前技術及制造水平原因，多數廠家都處于早期研發中，相信隨著技術的發展，在不久的將來國內廠家也能很好地生產出不銹鋼換熱器。

關鍵詞：燃氣熱水器;不銹鋼;換熱器;強化換熱;CFD;阻力分配;并聯水路

1. 不銹鋼換熱器的設計研究

目前國內行業內比較常見的是使用管殼式主換熱器，但由于不銹鋼材質的特點，管殼式的結構方式根本不適用于使用不銹鋼材料制作。故需要針對不銹鋼材質的加工工藝，重新考慮在不銹鋼主換熱器的結構上作創新設計。

1.1換熱管形狀的選擇

縱觀行業中主換熱器所使用的換熱管均為紫銅圓管，鑒于不銹鋼材質熱導率較紫銅差，紫銅的熱導率約是不銹鋼的20倍。則根據理論公式計算不同換熱管的設計壁厚：ts= （1）

式中：ts—換熱管的計算壁厚，mm;p—設計壓力（取1.25倍的自來水壓），MPa;D0—管子外徑，mm;σ—設計溫度下材料的許用應力，MPa;φ—焊接接頭系數，無縫管取1;pc—管內計算壓力，MPa。

考慮壁厚減薄率，彎管壁厚的計算公式是：δ0=ts/（1-C）（2）C=D0/（2R+D0）（3）式中：δ0—彎管壁厚，mm;C—壁厚減薄率;R—彎管曲率半徑，mm。可以計算出不銹鋼換熱管的安全設計壁厚為0.6mm，而銅管為1mm。擬定選擇不銹鋼管壁厚為0.6mm。選定了換熱管的材質以及壁厚，然后要對管的形狀進行分析選擇，目前市面上最常見的圓管和橢圓管，換熱管的形狀會影響到高溫煙氣的對流流道以及換熱系數，故需針對其換熱系數作理論分析。

高溫煙氣與換熱器的換熱是煙氣通過換熱管與管內的水進行換熱，其中包括管對流體的導熱，即：q=α（tf-tt）F;

式中：α—平均換熱系數;α1—煙氣對管的換熱系數;α2—管對水流的換熱系數;σ—傳熱管壁厚度;入—材料的導熱系數;（tf-tt）—平均溫差;F—有效換熱系數。從上式可知，當熱水器的負荷一定時，換熱系數越高，其需要的換熱面積越小。由于換熱管的導熱系數以及壁厚一定，因此要提高平均換熱系數，可提高煙氣側的對流換熱系數，以下對提高煙氣側的換熱系數進行分析。管內換熱依靠流體的流動來傳遞熱量。當流體沿靜止的壁面流動時，在鄰近壁面區域內存在一個速度邊界層，邊界層的厚度δ隨距離l的增加逐漸增大。

通過數字仿真模擬運算對比使用圓管以及使用橢圓管的主換熱器在工作時的熱量分布，得出熱量分布圖，為簡化表示，通過熱交換片表示，相比于圓管，由于煙氣流場包圍橢圓管更多表面積，即煙氣流場與橢圓管壁有更大換熱面積，在傳熱系數和高低溫流體溫差不變情況下，換熱管具有更大傳熱量。

1.2換熱管間的水路連接方式

不銹鋼的導熱系數相對于銅的來說，相差很大，所以在保證具有同樣換熱量要求下，不銹鋼換熱器需要通過增加換熱面積來彌補其自身不足，這將出現同等換熱量需求下，不銹鋼換熱器的體積要大于銅材的。同時考慮到不銹鋼材質的機械強度大，給成型加工帶來一定難度，如采用銅換熱器的加工方法將給制造帶來挑戰，故不銹鋼換熱器的換熱管間的水路連接方法亦要創新設計。對于不銹鋼換熱器中相鄰的換熱管之間的水路連接，國外產品已有比較好的解決方案：換熱管與管板連接，由換熱管和左右兩個管板組成了換熱器的骨架，再由左右兩側的兩塊側封板與管板焊接，由側封板為換熱管的水路連接搭建空間。側封板上具有多個獨立的壓型，詳見如圖，側封板與管板焊接后側封板上每個壓型獨立封閉不相通，為相鄰的換熱管間提供了流通通道，此方案可以很好的解決不銹鋼換熱器的加工難點。

2. 不銹鋼換熱器的水路流場分析

水路流場的均勻分布對換熱器的換熱能力提升，換熱器使用壽命延長等都有重要作用，本論文案例所研究的不銹鋼換熱器的換熱主管采用串聯設計，而腔體周圍的管路采用并聯式設計，在串聯水路段水路流速均勻性可得到保證，但水由串聯水路流入并聯水路時因并聯水路的阻力可能不同而帶來水流速度均勻分配上的影響，針對此情況假設，對原模型的水流流場通過簡化結構，對換熱器的水路流道進行抽取，通過CFD仿真計算來模擬水流流場分布情況，從此流線圖可以直觀看出管道內的流線比較混亂，具體地說水流進口處流線比較稠密，隨著水流在熱交換器腔體周圍的并聯水管內開始端流線就開始紊亂不均勻分布，兩條并聯管路內流線比較稀疏且呈現彼此管內流線疏密不統一。這是由于流場內漩渦較多，許多從進口出發的流線在漩渦處出現中斷現象。

上述流線圖為水流在熱交換器管路內的直觀表現，下面對進口、出口端截面靜壓以及并聯水管的兩個截面的流量進行計算，從具體數字來反應管路內水路流速分布情況。從上面計算結果可看出：截面A的流量是截面B的約1.51倍，這表示頂部管道的流速比中間管道的流速要快。針對上述出現的情況，要對換熱管并聯水路部分的水路阻力分配進行優化調配，通過對側封板上的連接并聯水路的壓包形狀進行優化設計，通過改變壓包形狀來使并聯水路的各個分水路的阻力進行均勻分配，對優化后的方案再進行CFD仿真模擬計算，如圖1水路流線圖所示。

圖1.優化后水路流線圖：

從改進后仿真模擬結果可看出：截面A和截面B上的流量已趨于均勻一致性，兩者差值可或略不計，截面A的流量是截面B的約1.02倍，較原來的1.51倍有本質的改進，兩者流量基本在同一數量級。而進出口的壓差為8576Pa，與原來的8508Pa相比，改進后的進出口壓差有所增大，但增加數量級很小。通過仿真表明改進管道阻力大小對水路流量均勻分布有較大影響。

結論：

簡而言之，通過對不銹鋼熱交換器的水路進行CFD模擬分析，改進后的模型中并聯水路中的流量分配較原模型有本質性改善，表明通過改變水路管道截面來調整通道阻力大小，對流量分配改善有積極作用。

參考文獻：

[1]錢頌文.朱冬生等編著.管式換熱器強化傳熱技術[M].北京：化學工業出版社，2018

[2]GB6932-2015，家用快速燃氣熱水器[S]