一體式螺旋翅片管換熱器在燃?xì)鉄崴魃系膽?yīng)用研究

潘同基 李羅標(biāo) 張上兵 李光斌

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

前言

螺旋翅片管是一種高效可靠的換熱元件，廣泛應(yīng)用在各種換熱設(shè)備中，不僅可以強(qiáng)化換熱降低流動(dòng)阻力，而且減少金屬耗量，提高換熱設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。螺旋翅片管換熱器在國(guó)內(nèi)規(guī)模化應(yīng)用已經(jīng)超過30年歷史，近年技術(shù)進(jìn)步：采用激光焊接工藝，激光焊接優(yōu)勢(shì)在于接觸熱阻為零，和高頻焊接相比具有翅化比大，重量輕，組裝的換熱器體積緊湊的特點(diǎn)，更節(jié)能環(huán)保，換熱效率更高。全預(yù)混冷凝式燃?xì)鉄崴魇俏覈?guó)家用燃?xì)饪焖贌崴鞯陌l(fā)展方向。根據(jù)我國(guó)的國(guó)情，供熱水型的熱水器比兩用型的更有市場(chǎng)，普及容易，將螺旋翅片管應(yīng)用在全預(yù)混冷凝式燃?xì)鉄崴魇牵浒l(fā)展前景廣闊，而且節(jié)能減排符合時(shí)代發(fā)展要求。

現(xiàn)階段冷凝式燃?xì)鉄崴鞯膿Q熱器大部分都是通過采用分段換熱方式：高溫?zé)煔庀韧ㄟ^主換熱器換熱冷卻后再進(jìn)入冷凝換熱器進(jìn)行二次換熱，主換熱器一般采用無氧銅換熱器或普通不銹鋼翅片管換熱器，冷凝換熱器采用不銹鋼波紋管換熱器或不銹鋼板式換熱器，加工工藝多種復(fù)雜，而且主換熱器與冷凝換熱器之間需要密封和連接，結(jié)構(gòu)復(fù)雜密封性要求高。本文主要分析全預(yù)混冷凝式燃?xì)鉄崴鞑捎靡惑w式螺旋翅片管作為換熱器的可行性和實(shí)施，提高全預(yù)混冷凝式燃?xì)鉄崴鞯陌踩阅芎推占靶浴?/p>

1 理論分析

全預(yù)混冷凝式燃?xì)鉄崴鞑捎靡惑w式螺旋翅片管作為換熱器，其高溫?fù)Q熱和低溫冷凝二合為一，省去主換熱器與冷凝換熱器之間的密封和連接，可靠性和經(jīng)濟(jì)性得到提高。一體式螺旋翅片管換熱器除了管本身的焊接就只有進(jìn)出水口兩個(gè)地方有焊口，翅片跟管之間的焊接是采用激光將翅片熔在管上，焊透率高，能夠防止間隙腐蝕，焊接熱影響區(qū)小，金相變化小，減小傳熱熱阻，提高換熱效率，延長(zhǎng)使用壽命；整個(gè)換熱器出現(xiàn)漏水的焊口極少，安全性能大大提高。

螺旋翅片管的換熱效率主要由翅片高度、翅片距離、翅片厚度及基管等因素決定，由于國(guó)內(nèi)的燃?xì)夂涂諝赓|(zhì)量較差，翅片距離過小容易產(chǎn)生堵塞，距離過大會(huì)效率偏低，參照無氧銅換熱器多年的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，暫定為2 mm；翅片高度與換熱強(qiáng)度和熱阻關(guān)系較大，由于本螺旋翅片管的翅片與基管是采用激光焊接，傳熱熱阻比傳統(tǒng)焊接方式要低，參照無氧銅換熱器多年的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，暫定為5 mm；翅片厚度定為0.4 mm，基管根據(jù)本次研究的熱水器的熱負(fù)荷為44 kW，燃燒器的直徑60 mm，火孔到換熱片留有（50 ～60）mm的火焰空間，螺旋翅片管直徑為外徑19 mm，螺旋直徑200 mm，螺旋總?cè)?shù)7 圈。為了平衡換熱的強(qiáng)度，其中4 圈用于高溫?fù)Q熱，另3 圈用于冷凝換熱，但換熱器還是一體的。

為了使換熱效果更佳效率更高，緊貼螺旋翅片管的殼體根據(jù)翅片外面尺寸呈半包圍型，殼體上的開孔與翅片管中心在同一水平面上，讓高溫?zé)煔鈬@管壁流動(dòng)充分換熱，而且開孔的形式最好是整條的跟隨翅片管中心線的小縫，但由于結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的限制，只能開一排相互緊貼的小通孔或有間斷的一排小縫；高溫?fù)Q熱與冷凝換熱的交接處，由于水管是螺旋盤管的，除了中間隔熱的結(jié)構(gòu)外，還要增加兩管之間的隔片，防止煙氣從中間漏走。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及改進(jìn)

根據(jù)上述分析，以熱水器的熱負(fù)荷為44 kW 為例，經(jīng)過CH4氣實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 。

表1 樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)1

圖1 高溫?zé)煔馔ㄟ^二次與螺旋翅片管進(jìn)行換熱示意圖

通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，整個(gè)換熱器在大小負(fù)荷下都無冷凝水形成和排出，導(dǎo)致熱效率在最小負(fù)荷也很低，經(jīng)過排查分析，發(fā)現(xiàn)開孔的小縫尺寸過大導(dǎo)致的因素較大：小縫尺寸原型是4 mm，翅片高5 mm，由于開口太大煙氣從遠(yuǎn)離水管的翅片空間繞到小縫，與水管距離較大，較小與水管直接接觸，無法產(chǎn)生冷凝水，水蒸氣的熱量無法被吸收；不銹鋼的換熱系數(shù)比銅的小太多，換熱效率較低；低溫?fù)Q熱流速低，換熱強(qiáng)度小。針對(duì)現(xiàn)有的螺旋翅片管換熱器的不足，采取了以下幾個(gè)改進(jìn)方案對(duì)進(jìn)行測(cè)試：①只是將所有的小縫尺寸由4 mm 改為2 mm；②將所有的小縫尺寸由4 mm 改為2 mm 后，還將低溫?fù)Q熱由一次換熱改成二次換熱；③將所有的小縫尺寸由4 mm改為2 mm 后，還將低溫?fù)Q熱由一次換熱改成三次換熱。以下是具體方案的測(cè)試數(shù)據(jù)。

改進(jìn)1：只是將所有的小縫尺寸由4 mm 改為2 mm，見表2。

表2 樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)2（改進(jìn)1）

熱效率較原方案提高較多，但是總的效率不高，還未能達(dá)到一級(jí)能效98 %的要求。

改進(jìn)2：將所有的小縫尺寸由4 mm 改為2 mm 后，還將低溫?fù)Q熱由一次換熱改成二次換熱：在兩殼體中間新增一圈的擋板，低溫段螺旋翅片管內(nèi)部新增一圈的擋板，將煙氣的流向限定為：燃燒器—高溫段螺旋翅片管—兩殼體中間—低溫段螺旋翅片管—低溫段空間—低溫段螺旋翅片管—兩殼體中間—排煙，見圖2、表3。

圖2 高溫?zé)煔馔ㄟ^三次與螺旋翅片管進(jìn)行換熱示意圖

表3 樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)3（改進(jìn)2）

熱效率較改進(jìn)1 方案提高較多，總的效率已超過100 %，已超過一級(jí)能效的要求。

改進(jìn)3：將所有的小縫尺寸由4 mm 改為2 mm 后，還將低溫?fù)Q熱由一次換熱改成三次換熱。在兩殼體中間新增一圈的擋板，原中間排煙孔封閉，將煙氣的流向限定為：燃燒器—高溫段螺旋翅片管—兩殼體中間—低溫段螺旋翅片管—低溫段空間—低溫段螺旋翅片管—兩殼體中間—低溫段螺旋翅片管—低溫段空間，見圖3、表4。

圖3 高溫?zé)煔馔ㄟ^四次與螺旋翅片管進(jìn)行換熱示意圖

表4 樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)4（改進(jìn)3）

熱效率較改進(jìn)2 方案提高較小，已無多大的提升空間。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上述分析和各種實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)，全預(yù)混冷凝式燃?xì)鉄崴鞑捎靡惑w式螺旋翅片管作為換熱器是可行的：通過設(shè)置緊貼螺旋翅片管的半包圍殼體，殼體上的開有與翅片管中心在同一水平面上的小縫或小孔，讓高溫?zé)煔鈬@管壁流動(dòng)充分換熱，再將低溫?fù)Q熱部分設(shè)計(jì)讓煙氣分多次繞螺旋翅片管一體換熱，熱效率可達(dá)到100 %以上，符合一級(jí)能效的要求。但由于不銹鋼的換熱系數(shù)小，螺旋翅片管的翅片與管換熱效果不是太高，煙氣主要與翅片進(jìn)行換熱，難以產(chǎn)生冷凝水，導(dǎo)致冷凝效果不理想，效率難有很大的提升。現(xiàn)階段萬和公司采用一體式螺旋翅片管已在樣機(jī)中取得階段性成果，熱效率可達(dá)到103 %左右。

要達(dá)到更高效率，建議增加冷凝效果更佳的換熱器進(jìn)行冷凝換熱。