圓筒狀熱交換器的結構設計分析與驗證

史 鐸 林偉雄 甘少峰

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

熱交換器是燃氣熱水器關鍵的部件，能在不同流體間實現熱量的高效傳遞，按結構分類的不同，可以將熱交換器分為管殼式、肋片管式和板式換熱等結構[1]，燃氣熱水器以肋片管式熱交換器居多。肋片管式主要由換熱管、換熱片等構成，其換熱片上開設有供水管穿插的通孔，換熱片吸收高溫煙氣中的熱量，再將熱量傳遞給穿過換熱片的水管，與水管中的冷水進行熱交換，實現換熱。在熱交換器的設計過程中，換熱片管孔布置的差異，會使煙氣流通的阻力不同，且熱效率也會有所差別，不同結構特征對換熱性能及耐久均有不同的影響。熱交換器的形態，決定了燃燒器的結構布局，在很大程度上也限定了燃氣熱水器產品的整體形態。因此想要改變熱氣熱水器的產品形態且保證產品的性能滿足相關標準要求，這就需要對關鍵部件之一的熱交換器進行結構形態上的改進設計。

1 熱交換器結構設計

1.1 熱交換器總體結構

如圖1 所示，本熱交換器組件由圓筒狀熱交換器組件、熱交換器內筒、熱交換器外筒及隔熱件等零件組成，熱交換器內筒、熱交換器外筒均為圓筒狀，翅片管熱交換器安裝于熱交換器內筒中部。燃燒器嵌入翅片管熱交換器內部，減少了燃燒器及燃燒室在燃氣熱水器占用的空間，同等額定負荷，燃氣熱水器結構可以設計得更小，本文熱交換器外輪廓尺寸 d 設計為Φ160 mm。

圖1 熱交換器總體結構示意圖

如圖2 所示，本翅片管熱交換器整體外形為圓筒狀，由換熱管、換熱片、彎頭等零件組成，12 根換熱管圓周均布，換熱管與彎頭連接后形成水路通道。由于圓環狀換熱片開料成本較大，為提高材料的有效利用，如圖3所示，本翅片管熱交換器設計成三個換熱模塊組合而成，分片式安裝，通過彎頭及固定件使3 個換熱模塊連接成整體。整個熱交換器84 片環狀換熱片按片間距2.3 mm安裝于換熱管上，兩換熱片之間的間隙形成煙氣流通通道，燃燒器燃燒產生的高溫煙氣向四周擴散，換熱后從換熱片間隙排出，流向熱交換器內筒與熱交換器外筒形成的煙氣通道內（見圖1 煙氣流動示意圖）。

圖2 翅片管熱交換器圖

圖3 換熱模塊

1.2 換熱片結構

換熱片材質選用銅，銅的導熱系數為397 ，相比不銹鋼會有更好的熱傳導性能。如圖4 所示，換熱片單片成弧形狀，結構包括安裝孔、導流孔、阻流板及導流板等。

圖4 換熱片

安裝孔為翻孔結構，換熱管穿插于孔中并固定，在每個安裝孔內側設有4 個擾流凸臺，用于增強換熱片底部對高溫煙氣的擾動以此來增大對流換熱系數，提高管前的換熱效率。兩安裝孔間設置有導流孔，導流板、阻流板均錯位設置于換熱片外側且阻流板位于導流孔后部。當換熱片疊起時，如圖4 高溫煙氣流動示意，高溫煙氣不能從阻流板處流出，換熱后的煙氣環繞管周后，從管后部的導流板流出。

高溫煙氣由導流孔兩側流向安裝孔周邊，繞換熱管一周，使熱量更好與換熱管內的冷水完成熱量傳導。利用設置的阻流板，能夠使高溫煙氣進一步朝向換熱管的中后部流動，延長了高溫煙氣與換熱片和換熱管的接觸時間，使得換熱管與高溫煙氣接觸更均勻、熱交換更充分。

本換熱片中特設計了帶傾角的導流板，導流板與換熱片板面的夾角為45 °，煙氣從導流板處流出，受導流板的導向作用，穿過熱交換器內筒上開設的孔隙進入與熱交換器外筒形成的煙氣流通腔內（見圖1 煙氣流動示意圖），煙氣在此流通腔內部分潛熱再次被吸收傳導給換熱管后部，強化了熱交換器的換熱強度，提升了整體的換熱效率。

2 仿真分析

2.1 換熱片仿真模型建立

本圓筒狀熱交換器所配套的熱水器燃燒方案為全預混式燃燒，在燃燒之前燃氣與空氣實現充分混合[2]。設計功率為25 kW，燃氣種類為天然氣。根據模型的特點如圖5 所示，為減少計算量，計算將采用如圖6 所示的幾何模型[3]。將幾何模型劃分網格后使用Ansys Fluent 進行計算，換熱片設計參數見表1，主要計算域設置如下：

圖5 幾何模型示意圖

圖6 計算用單片幾何模型

表1 設計參數

1）煙氣的物理參數根據煙氣的組分采用擬合方法得到；

2）煙氣入口設為速度入口，煙氣的速度大小與溫度根據熱水器的負荷與空氣系數計算得到；

3）煙氣出口設為壓力出口，靜壓大小設為0 Pa；

4）水管的內壁設為對流壁面條件，對流系數是基于14 L/min 的水流量采用Dittus-Boelter 公式[4]進行計算。

2.2 結果分析

燃氣與空氣在燃燒器表面燃燒產生高溫煙氣,高溫煙氣流經換熱片后的溫度及速度情況，體現了換換片的換熱能力，分析結果如圖7、8。

圖7 煙氣溫度云圖

圖8 煙氣速度云圖

從圖7、8 分析看，換熱片煙氣入口表面熱流溫度很高，換熱片表面煙氣流道狹窄的地方，煙氣流速很高，隨著煙氣速度和溫度邊界層的堆積，煙氣流速和傳熱速度逐漸變慢，對煙氣出口平均溫度及煙氣出口平均速度結果見表2。

表2 煙氣溫度及速度

煙氣出口溫度，可用來說明熱交換器的換熱效率；煙氣進、出口的壓力損失，主要用來說明煙氣排出時所受到的阻力。從計算數據可知，平均出口煙溫較低，僅160 ℃，說明高溫煙氣的熱量可以較好地被換熱片傳導至換熱管內供管內冷水吸收；通過計算煙氣進出口壓降，壓力損失為2.25 Pa，說明煙氣在換熱片間流通時受到的阻力較小。

因考慮到本圓筒狀熱交換器的使用壽命，擔心翅片表面出現局部過熱的問題，因此又對換熱片進行表面溫度分布的計算分析，計算溫度云圖如圖9 所示，導流孔周邊溫度最高，熱量在此處積聚，但局部最高溫度只有150 ℃左右，參考常規熱交換器換熱片的仿真計算經驗來看，此溫度比較安全，因此可以初步確定，本換熱片傳熱效果較好，不會出現局部高溫的問題。

圖9 換熱片表面溫度

2.3 熱交換器組件分析

本翅片管熱交換器整體為圓筒狀，將其簡化為軸對稱模型并進行計算，觀察煙氣溫度在整個熱交換器組件中的溫度分布情況，按給定的熱負荷，熱交換器組件溫度云圖見圖10。

圖10 熱交換器組件溫度云圖

從溫度云圖看，熱交換器右端局部煙溫較高，后期做樣時，已減少了此處熱交換器內筒的排煙通道，同時增加了隔熱件1（見圖1）的厚度并加強了整個燃燒室的密封程度。

通過數值模擬，得出熱交換器的煙氣速度、煙氣溫度及換熱片表面溫度分布情況，進一步了解了熱交換器的換熱性能。對熱交換器組件進行綜合計算，熱交換器組件換熱效率可達91 %。

從上述仿真分析數據可以看出，本圓筒狀熱交換器在風阻、表面溫度分布以及換熱效率等數據均表現良好，于是決定對本技術方案進行下一步的手板樣機試制以及實驗驗證工作。

3 實驗驗證分析

對換熱片、換熱管及進出水接頭進行組裝及焊接，按水壓1.5 MPa 對熱交換器進行保壓、承壓檢漏，各零部件連接良好，無漏水問題，樣件成品如圖11。

圖11 圓筒狀翅片管熱交換器

本熱水器使用柱狀金屬纖維網燃燒器，燃燒方式為全預混燃燒，在標準檢測臺上對熱水器各零部件進行組裝并測試。本次測試所用的氣種為天然氣，設定熱負荷為25 kW，燃氣進氣壓力為2 000 Pa，按GB 6932-2015標準方法[5]測試燃燒工況及熱效率，煙氣測試數據見表3：

表3 煙氣測試

從表3 可以看出，CO 及NOX排放較低，熱水器煙氣排放良好。下面進行熱水器換熱性能分析，結果見表4：

表4 熱效率測試

從表4 可知，本熱交換器熱效率達90.5 %，熱效率及熱水產率超出GB 6932-2015 標準中熱水性能要求，換熱結果與仿真數據相近。通過對新做樣的熱交換器測試，可以看出換熱片換熱效率較高，弧形換熱片設計的導流孔、阻流板及導流板等結構，能較好地完成與高溫煙氣的換熱且不會產生較大的排煙阻力。

4 結論

本文提出了一種新型翅片管熱交換器，為實現小體積及其他形狀的燃燒換熱結構提供了思路，通過對熱交換器進行了結構設計、仿真分析與實驗驗證后，得出如下結論：

1）弧形換熱片設計擾流凸臺、導流孔、阻流板及導流板等結構，具導流引風作用且減少了排煙阻力；

2）從換熱片結構上看，盡量使換熱管管周與高溫煙氣接觸更均勻且盡量減少排煙阻力，可提高熱交換器換熱效率、降低煙氣中有害氣體的排放濃度；

3）本翅片管熱交換器具有較小的外輪廓結構，且有較好的換熱效率，可滿足異型、小空間燃氣熱水器的燃燒換熱需求。