不銹鋼冷凝熱交換器的研發(fā)

摘 要

摘要：研發(fā)的不銹鋼波紋管冷凝式熱交換器，具有強化換熱和耐腐蝕的特點。利用CFD進行熱交換器的仿真計算，得到了煙氣的速度和溫度分布以及換熱性能數(shù)據(jù)，與試驗結果基本吻合。進行
摘要：研發(fā)的不銹鋼波紋管冷凝式熱交換器，具有強化換熱和耐腐蝕的特點。利用CFD進行熱交換器的仿真計算，得到了煙氣的速度和溫度分布以及換熱性能數(shù)據(jù)，與試驗結果基本吻合。進行了冷凝熱交換器的實樣測試，結果表明樣機的主要性能參數(shù)符合國標要求，能效等級達到1級，具有良好的開發(fā)應用前景。
關鍵詞：冷凝；熱交換器；仿真計算
    我國是能源生產和消費的大國，節(jié)能減排、提高能源利用效率、加強環(huán)境保護是我們面臨的重要任務。熱交換器是燃氣熱水器的關鍵部件，強化熱交換器傳熱，提高傳熱效率對于提高熱水器的能效具有至關重要的作用。我們針對小型冷凝式燃氣熱水器產品，開發(fā)研究新型的不銹鋼波紋管冷凝式熱交換器，具有高效換熱、低阻力、防腐蝕、耐水高壓、耐久性好等特點。前期對該熱交換器進行了仿真計算和優(yōu)化設計，在此基礎上制造了熱交換器的樣機，經過整機試驗達到了預期設想，取得良好的效果。
    1、熱交換器結構
所研發(fā)的不銹鋼波紋管冷凝式熱交換器用于配置天然氣的12l/min冷凝式熱水器。熱交換器由波紋換熱管、煙氣導流板、冷凝水集水板、殼體和封蓋板等組成(圖1)。換熱管采取3管路4回程形式，管程之間有叉角，結構緊湊，強化傳熱效果良好。結構上將集氣罩和冷凝熱交換器設計成一個整體減少了空間體積同時外觀整體感強。
 

    波紋管冷凝式熱交換器的主要特點：
    (1) 采用Φ8×0.5的不銹鋼波紋換熱管，以小管徑多回程形式，能增加傳熱表面積66%；不銹鋼材料能很好地耐酸性冷凝水的腐蝕。
    (2) 波紋換熱管能夠有效地破壞氣體的速度邊界層，增加擾動，形成附加渦流，提高管外的對流換熱系數(shù).管內水流速度達到湍流狀態(tài)(Re=1.4×10-4)，對流換熱系數(shù)也較大。
    (3) 設置煙氣導流板，加強煙氣速度場與熱流場的協(xié)同，盡量使流體的速度梯度和熱流矢量(溫度梯度)趨于同向，有利于強化對流換熱。導流板底部有一排孔便于冷凝水流下。
    (4) 注意氣體流動的均勻性，以達到最佳的傳熱效果。
    (5) 煙氣自下而上流動，冷凝水往下流至集水板經出水管外排。
    2、數(shù)值模擬
    2.1 基本理論模型
    采用Patankar和Spalding提出的分布阻力、體積多孔度以及Sha提出的表面滲透度等處理方法。建立質量、動量和能量方程和相應的邊界條件，應用CFD的Fluent商用軟件進行熱交換器的數(shù)值模擬，計算煙氣的流場和溫度場分布，以及相應的熱交換量。
質量方程：
 
動量方程：
 
能量方程：
 
除上述基本控制方程外，還引入適合處理低雷諾數(shù)和近壁流動的RNG模型方程：
 
   2.2 模型求解
   熱交換器的幾何模型如圖2。利用Gambit創(chuàng)建三維物理模型并劃分網格。排煙管的對稱結構相對簡單，其中的氣流變化較緩慢，網格參數(shù)的間距尺寸取為0.005mm；其余部分的網格參數(shù)的間距尺寸城小為0.002mm。總共約劃分7917萬個網格。
 

    物理模型簡化為無相變(不考慮冷凝)的流動-傳熱三維模型，把冷凝換熱量以提高傳熱系數(shù)來作補償。為了便于計算，幾何模型中用光管來代替波紋管，Φ8波紋管的表面積比光管大66%，實際計算時傳熱表面積則按照光管表面的166%。另外，波紋管會生成附加擾流，使傳熱系數(shù)提高，參考有關資料[2]和計算過程數(shù)據(jù)，傳熱系數(shù)比原來提高54%。
    建立計算的邊界條件。燃燒計算參數(shù)：熱輸入功率為22kW，空氣過剩系數(shù)a=2.0。燃燒后的濕煙氣的容積%成分為：N2=75.03，C02=5.07，O2=10.00，H2O=9.90。煙氣體積流量(標準狀態(tài)下)39.9Nm3/h。假設流入冷凝熱交換器的煙氣速度和溫度都是均勻的，煙氣溫度為150℃。冷水的進口溫度為20℃。計算的對數(shù)平均溫差為100.6℃。在計算過程中，考慮煙氣的密度和比熱等物性參數(shù)隨溫度變化而作實時修正。外殼壁面為絕熱邊界條件。
    設置監(jiān)視器進行迭代計算，直至計算收斂，分析其殘差曲線、流速和溫度分布等。速度和k值的迭代收斂因子設為1×10-3，能量的迭代收斂因子設為1×10-5，每個工況計算，大約迭代2000次左右達到收斂結果。
    3、仿真計算結果及其分析
    3.1 煙氣流速分布
    兩個垂直的中心截面沿X方向和Y方向的煙氣速度分布如圖3和圖4。從圖中可以看出流過換熱管的煙氣速度總體還比較均勻，下部換熱管由于阻力較大因而速度稍小。在排煙管的中心區(qū)域，由于截面收小，所以氣流速度較大。但到出口處基本上混合均勻。計算得到煙氣進口的平均速度為1.11m/s，煙氣出口的平均速度為5.37m/s。
 

   3.2 煙氣溫度分布
   兩個垂直的中心截面沿X方向和Y方向的煙氣溫度分布如圖5和圖6。從圖中可以看出，由于煙氣流過下部換熱管的流速較小，所以換熱量較大，管后的溫度也較低。煙氣通過左右對稱的四排管子傳遞熱量，完成傳熱過程。排煙管出口的煙氣溫度比較均勻。計算得到排煙平均溫度為76.4℃，出水溫度為21.33℃，換熱管的傳熱計算總面積為0.088m2，總傳熱量為1213W，綜合傳熱系數(shù)較高：K=137W/m2.℃。

    4、試驗結果及分析
    參考仿真計算結果，設計并制作了波紋管冷凝熱交換器，裝配于12T天然氣的13l/min冷凝式熱水器進行實樣測試，取得良好的效果，測試數(shù)據(jù)見表1。主要性能參數(shù)符合國標要求，整機的能效等級達到1級。
    雖然排煙溫度91℃對于冷凝式熱水器來說似乎偏高。但是從仿真計算溫度分布圖上可以看出，在冷卻換熱管之后，煙氣溫度50℃，低于冷凝溫度，而實測的冷凝水量也達到18g/min，可見達到局部冷凝換熱條件。這部分煙氣與未經很好冷卻的高溫煙氣相混合，排出的煙氣溫度就顯得偏高了。從這里也可看出，提高熱交換性能還有相當空間，進一步改進煙氣流的分布，降低排煙溫度，可以更加提高熱效率。
    試驗結果表明，研發(fā)的不銹鋼波紋管冷凝式熱交換器達到強化換熱和耐腐蝕的預期效果，可以用于實際產品。
表1 實樣試驗結果數(shù)據(jù)
熱輸入功率    kW
22.19
熱輸入偏差    %
0.86
產熱水能力    kg/min
12.5
熱水產率    %
96.12
熱效率    %
98.24
50%額定熱輸入下熱效率 %
100.6
排煙溫度    ℃
91.0
冷凝水量    g/min
18
煙氣成分
COa=1    %
0.O168
02      %
8.81
C02    %
7.19
    5、總結
    研發(fā)的不銹鋼波紋管冷凝式熱交換器，具有高效換熱、低阻力、防腐蝕、耐水高壓、耐久性好等特點。熱交換器的仿真計算得到了煙氣流動的速度分布、溫度分布及其換熱性能參數(shù)。計算結果與實際試驗的數(shù)據(jù)能較好地吻合，對于熱交換器的優(yōu)化設計和進一步改進具有指導參考意義。實樣的整機試驗結果表明，主要性能參數(shù)符合國標要求，能效等級為1級，達到強化換熱和耐腐蝕的預期效果，可以用于實際產品，具有良好的開發(fā)應用前景。
參考文獻
[1] 沙拉，塞庫利克著，程林譯.換熱器設計技術.北京：機械工業(yè)出版社，2010
[2] 錢頌文等編著.管式換熱器強化傳熱技術.北京：化學工業(yè)出版社，2003
[3] 陶文銓.計算傳熱學的近代發(fā)展.北京：科學比版社，2000
 
(本文作者：徐德明1 周高云2 吳妍2 魏敦崧2 1.寧波方太廚具有限公司；2.同濟大學機械工程學院)