不锈钢冷凝热交换器的研发

摘 要

摘要：研发的不锈钢波纹管冷凝式热交换器，具有强化换热和耐腐蚀的特点。利用CFD进行热交换器的仿真计算，得到了烟气的速度和温度分布以及换热性能数据，与试验结果基本吻合。进行
摘要：研发的不锈钢波纹管冷凝式热交换器，具有强化换热和耐腐蚀的特点。利用CFD进行热交换器的仿真计算，得到了烟气的速度和温度分布以及换热性能数据，与试验结果基本吻合。进行了冷凝热交换器的实样测试，结果表明样机的主要性能参数符合国标要求，能效等级达到1级，具有良好的开发应用前景。
关键词：冷凝；热交换器；仿真计算
    我国是能源生产和消费的大国，节能减排、提高能源利用效率、加强环境保护是我们面临的重要任务。热交换器是燃气热水器的关键部件，强化热交换器传热，提高传热效率对于提高热水器的能效具有至关重要的作用。我们针对小型冷凝式燃气热水器产品，开发研究新型的不锈钢波纹管冷凝式热交换器，具有高效换热、低阻力、防腐蚀、耐水高压、耐久性好等特点。前期对该热交换器进行了仿真计算和优化设计，在此基础上制造了热交换器的样机，经过整机试验达到了预期设想，取得良好的效果。
    1、热交换器结构
所研发的不锈钢波纹管冷凝式热交换器用于配置天然气的12l/min冷凝式热水器。热交换器由波纹换热管、烟气导流板、冷凝水集水板、壳体和封盖板等组成(图1)。换热管采取3管路4回程形式，管程之间有叉角，结构紧凑，强化传热效果良好。结构上将集气罩和冷凝热交换器设计成一个整体减少了空间体积同时外观整体感强。
 

    波纹管冷凝式热交换器的主要特点：
    (1) 采用Φ8×0.5的不锈钢波纹换热管，以小管径多回程形式，能增加传热表面积66%；不锈钢材料能很好地耐酸性冷凝水的腐蚀。
    (2) 波纹换热管能够有效地破坏气体的速度边界层，增加扰动，形成附加涡流，提高管外的对流换热系数.管内水流速度达到湍流状态(Re=1.4×10-4)，对流换热系数也较大。
    (3) 设置烟气导流板，加强烟气速度场与热流场的协同，尽量使流体的速度梯度和热流矢量(温度梯度)趋于同向，有利于强化对流换热。导流板底部有一排孔便于冷凝水流下。
    (4) 注意气体流动的均匀性，以达到最佳的传热效果。
    (5) 烟气自下而上流动，冷凝水往下流至集水板经出水管外排。
    2、数值模拟
    2.1 基本理论模型
    采用Patankar和Spalding提出的分布阻力、体积多孔度以及Sha提出的表面渗透度等处理方法。建立质量、动量和能量方程和相应的边界条件，应用CFD的Fluent商用软件进行热交换器的数值模拟，计算烟气的流场和温度场分布，以及相应的热交换量。
质量方程：
 
动量方程：
 
能量方程：
 
除上述基本控制方程外，还引入适合处理低雷诺数和近壁流动的RNG模型方程：
 
   2.2 模型求解
   热交换器的几何模型如图2。利用Gambit创建三维物理模型并划分网格。排烟管的对称结构相对简单，其中的气流变化较缓慢，网格参数的间距尺寸取为0.005mm；其余部分的网格参数的间距尺寸城小为0.002mm。总共约划分7917万个网格。
 

    物理模型简化为无相变(不考虑冷凝)的流动-传热三维模型，把冷凝换热量以提高传热系数来作补偿。为了便于计算，几何模型中用光管来代替波纹管，Φ8波纹管的表面积比光管大66%，实际计算时传热表面积则按照光管表面的166%。另外，波纹管会生成附加扰流，使传热系数提高，参考有关资料[2]和计算过程数据，传热系数比原来提高54%。
    建立计算的边界条件。燃烧计算参数：热输入功率为22kW，空气过剩系数a=2.0。燃烧后的湿烟气的容积%成分为：N2=75.03，C02=5.07，O2=10.00，H2O=9.90。烟气体积流量(标准状态下)39.9Nm3/h。假设流入冷凝热交换器的烟气速度和温度都是均匀的，烟气温度为150℃。冷水的进口温度为20℃。计算的对数平均温差为100.6℃。在计算过程中，考虑烟气的密度和比热等物性参数随温度变化而作实时修正。外壳壁面为绝热边界条件。
    设置监视器进行迭代计算，直至计算收敛，分析其残差曲线、流速和温度分布等。速度和k值的迭代收敛因子设为1×10-3，能量的迭代收敛因子设为1×10-5，每个工况计算，大约迭代2000次左右达到收敛结果。
    3、仿真计算结果及其分析
    3.1 烟气流速分布
    两个垂直的中心截面沿X方向和Y方向的烟气速度分布如图3和图4。从图中可以看出流过换热管的烟气速度总体还比较均匀，下部换热管由于阻力较大因而速度稍小。在排烟管的中心区域，由于截面收小，所以气流速度较大。但到出口处基本上混合均匀。计算得到烟气进口的平均速度为1.11m/s，烟气出口的平均速度为5.37m/s。
 

   3.2 烟气温度分布
   两个垂直的中心截面沿X方向和Y方向的烟气温度分布如图5和图6。从图中可以看出，由于烟气流过下部换热管的流速较小，所以换热量较大，管后的温度也较低。烟气通过左右对称的四排管子传递热量，完成传热过程。排烟管出口的烟气温度比较均匀。计算得到排烟平均温度为76.4℃，出水温度为21.33℃，换热管的传热计算总面积为0.088m2，总传热量为1213W，综合传热系数较高：K=137W/m2.℃。

    4、试验结果及分析
    参考仿真计算结果，设计并制作了波纹管冷凝热交换器，装配于12T天然气的13l/min冷凝式热水器进行实样测试，取得良好的效果，测试数据见表1。主要性能参数符合国标要求，整机的能效等级达到1级。
    虽然排烟温度91℃对于冷凝式热水器来说似乎偏高。但是从仿真计算温度分布图上可以看出，在冷却换热管之后，烟气温度50℃，低于冷凝温度，而实测的冷凝水量也达到18g/min，可见达到局部冷凝换热条件。这部分烟气与未经很好冷却的高温烟气相混合，排出的烟气温度就显得偏高了。从这里也可看出，提高热交换性能还有相当空间，进一步改进烟气流的分布，降低排烟温度，可以更加提高热效率。
    试验结果表明，研发的不锈钢波纹管冷凝式热交换器达到强化换热和耐腐蚀的预期效果，可以用于实际产品。
表1 实样试验结果数据
热输入功率    kW
22.19
热输入偏差    %
0.86
产热水能力    kg/min
12.5
热水产率    %
96.12
热效率    %
98.24
50%额定热输入下热效率 %
100.6
排烟温度    ℃
91.0
冷凝水量    g/min
18
烟气成分
COa=1    %
0.O168
02      %
8.81
C02    %
7.19
    5、总结
    研发的不锈钢波纹管冷凝式热交换器，具有高效换热、低阻力、防腐蚀、耐水高压、耐久性好等特点。热交换器的仿真计算得到了烟气流动的速度分布、温度分布及其换热性能参数。计算结果与实际试验的数据能较好地吻合，对于热交换器的优化设计和进一步改进具有指导参考意义。实样的整机试验结果表明，主要性能参数符合国标要求，能效等级为1级，达到强化换热和耐腐蚀的预期效果，可以用于实际产品，具有良好的开发应用前景。
参考文献
[1] 沙拉，塞库利克著，程林译.换热器设计技术.北京：机械工业出版社，2010
[2] 钱颂文等编著.管式换热器强化传热技术.北京：化学工业出版社，2003
[3] 陶文铨.计算传热学的近代发展.北京：科学比版社，2000
 
(本文作者：徐德明1 周高云2 吴妍2 魏敦崧2 1.宁波方太厨具有限公司；2.同济大学机械工程学院)