燃氣采暖熱水爐翅片式不銹鋼換熱器的研究與驗證

梁展程 楊茂林

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528325）

引言

目前在燃氣采暖熱水爐的行業內，換熱器的材質以銅為主。因銅具有優良的導熱性、延展性、可塑性，銅質換熱器被廣泛應用。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換熱器成為行業的發展趨勢。近幾年不銹鋼換熱器在全預混燃氣采暖熱水爐上應用的情況較多，而在常規燃氣采暖熱水爐上的應用的情況較少，正式推向市場的不銹鋼換熱器常規燃氣采暖熱水爐很少。因此，對不銹鋼換熱器進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證，為后期應用于常規燃氣采暖熱水爐上提供參考價值。

1 研究方法

1.1 理論分析

換熱主要是通過傳導、對流、輻射三種形式來實現，由于燃氣采暖熱水爐換熱器沒有換熱箱體和換熱盤管，高溫煙氣的熱輻射吸收較少，可忽略不計。因此，本文主要針對熱傳導與對流兩種形式進行探討。

在換熱的計算過程中，高溫煙氣與換熱器進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；

△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來實現，而增大A可通過增加翅片數量來實現，對流換熱系數K的計算公式如下：

式中：

α1—水與傳熱管的對流換熱系數；

δ—傳熱管壁厚；

λ—導熱系數；

α2—煙氣與翅片的對流換熱系數。

在公式（2）中，設定管壁厚度不變，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來實現，而增大α1可通過管內增加擾流片的方法實現，增大α2可通過優化翅片結構的方法來實現。綜上所述，本文著重從增大換熱面積、增大管內水體擾流、優化翅片結構的方向來設計換熱器。

1.2 結構設計及數值模擬分析

1.2.1 結構設計

綜合以上的理論分析，對不銹鋼換熱器進行設計，具體方法為保證降本的前提下適當增加翅片數量，增大換熱面積；在換熱管內增設擾流片，增大管內水體擾流，增加換熱量；對翅片結構進行優化設計，提升換熱能力。不銹鋼換熱器結構與翅片結構如圖1、圖2所示。

圖1 不銹鋼換熱器結構圖

圖2 翅片結構

1.2.2 數值模擬設置

主要設置如下：

1）煙氣入口設為速度入口，進氣速度大小及溫度見表1；

表1 換熱器對應功率、煙氣參數

2）煙氣出口設為壓力出口，靜壓大小設為0 Pa；

3）打開能量方程，湍流模型采用sst k-w模型；

4）水管的內壁設為對流壁面條件，特征溫度與對流系數的設置見表2；

表2 各管道溫度與對流系數

5）對流系數是基于水流量采用Dittus-Boelter公式進行計算。

1.2.3 計算結果

經以上數值模擬設置后，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

高溫煙氣流經換熱器后的壓損、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

由計算結果可知，按照設定的熱輸入，假設高溫煙氣均勻流經至各翅片，換熱效率可達90.1 %。

2 翅片式不銹鋼換熱器與翅片式銅換熱器對比實驗驗證

以同一臺額定功率為20 kW的燃氣采暖熱水爐為載體，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。實驗條件為環境溫度27.5 ℃，大氣壓102 kPa，空氣濕度57 %，試驗氣為12 T天然氣，燃氣溫度28 ℃。實驗設備包括能效測試臺、微壓計、變源電源、煙氣分析儀等。

2.1 換熱效率測試

換熱效率是檢驗換熱器換熱性能的重要指標，依據GB 25034-2020《燃氣采暖熱水爐》與GB 20665-2015《家用燃氣快速熱水器和燃氣采暖熱水爐能效限定值及能效等級》的要求，額定熱負荷供暖熱效率≥89 %，30 %額定熱負荷供暖熱效率≥85 %，額定熱負荷熱水熱效率≥89 %，50 %額定熱負荷熱水熱效率≥85 %，裝上翅片式不銹鋼換熱器與翅片式銅換熱器的燃氣采暖熱水爐針對換熱效率的測試數據如表5所示。

表5 裝有不銹鋼換熱器與銅換熱器的燃氣采暖熱水爐的換熱效率

實驗數據表明，裝有翅片式不銹鋼換熱器與翅片式銅換熱器的燃氣采暖熱水爐的各狀態下熱效率相近，換熱性能良好，滿足國家標準要求。

2.2 耐久測試

參照CJ/T 469-2015《燃氣熱水器及采暖爐用熱交換器》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翅片燒蝕、碳化問題現象，密封性良好，如圖8所示。再將其安裝于機器進行整機熱效率測試，額定熱負荷供暖熱效率為90.1 %，30 %額定熱負荷供暖熱效率為85.8 %，額定熱負荷熱水熱效率為90.2 %，50 %額定熱負荷熱水熱效率為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，繼而進行結構設計及數值模擬分析，最后進行實驗驗證，總結觀點如下：

1）經合理設計后的翅片式不銹鋼換熱器通過數值模擬分析與實驗驗證，數據表明換熱器換熱性能良好，各狀態下的熱效率均滿足GB 25034-2020《燃氣采暖熱水爐》與GB 20665-2015《家用燃氣快速熱水器和燃氣采暖熱水爐能效限定值及能效等級》的要求

2）翅片式不銹鋼換熱器經過耐久測試，滿足CJ/T 469-2015《燃氣熱水器及采暖爐用熱交換器》的要求，耐腐蝕性強，適應燃氣采暖熱水爐的使用環境。

3）應用于燃氣采暖熱水爐的翅片式不銹鋼換熱器各項指標均符合要求，可替換銅換熱器，降低整機成本，提高整機競爭力。