壁掛爐主換熱器設計與制造要點

麥永德

（廣東萬和新電氣股份有限公司 廣東佛山 528305）

1 引言

換熱器是當兩種或多種流體存在溫差時進行內部熱量傳遞的傳熱設備。大部分換熱器內部的流體被傳熱面分開，理想情況下相互之間是不發生混合的，獨立流動。壁掛爐的主換熱器是壁掛爐產品的核心零件，它性能的好壞直接影響到壁掛爐的使用要求和能效等級，對壁掛爐的等級判定起到決定性的作用。

2 主換熱器設計

2.1 設計流程

當我們進行換熱器設計時，一般可以按以下步驟進行（如圖1所示）。由于涉及的內容較多，下面我們只從其中的幾個方面進行討論。

2.2 熱力流體力學設計，換熱面積的確定

在設計換熱器時首先要明確它的使用要求、制作工藝要求、成本要求和傳熱流體的特性要求等。充分考慮傳熱流體的溫度、壓力、相態、物理性質、毒性、腐蝕性、結垢性等。換熱器通過換熱片進行換熱，無論從客觀或微觀上來講，熱力學第一定律都是必須滿足的。對二流體的換熱器，總的能量平衡為：

在理想情況下滿足“宏觀”能量平衡，可用作換熱器的設計基礎。同時它遵循能量轉換和熱傳遞率方程。二流體具有任意流動布置方式的換熱器能量轉換方程是q（換熱傳遞率），即：

最大可能的熱傳率：

式中：

Δtm ：實際的平均溫差，取決于換熱器二流體的流動布置方式和每一流體流路橫截面內流體的橫向混合流動程度；

Cc——冷流體熱容率（MCp）c ；

Ch——熱流體熱容率（MCp）h；

tco和tci——冷流體終端溫度（進口和出口）；

tho和thi——熱流體終端溫度（進口和出口）；

C

p——流體比熱；

M——流體質量流率。

總熱傳遞UA的倒數稱為總熱阻RO，是一系列的各部分相串聯的熱阻之和，即：

式（5）的右邊的參數Rh為熱側對流膜阻，R1為熱側污垢熱阻，Rw為傳熱壁面的熱阻，對于平壁為：

對于圓管壁為：Rw=ln(d/di)/2π·kw·L·Nt

式中：

δ——傳熱壁面的壁厚；Aw——傳熱壁面積；

kw——傳熱壁面材料的導熱率；d——傳熱管外徑；

di——傳熱管內徑；L——傳熱管長；

Nt——傳熱管總數。

總的傳熱面積（平壁傳熱面）為：

式中：

L1、L2——分別為傳熱壁面長和寬；

Np——總的傳熱壁面的數量；

R2——冷側污垢熱阻；

Rc——冷側流體對流膜阻。

熱交換器效率ε定義為實際傳熱率q對熱力學熱動力最大熱傳遞率qmax：

ε值在0～1之間，應用方程式（2）的實際傳遞率q和方程式（4）的qmax，則方程式（8）的熱交換器效率ε為：

換熱器的設計意味著為滿足特定的傳熱和壓降需求選擇合適的換熱器結構類型、流動布置方式、管子和翅片材料及換熱器的外形尺寸。如圖2所示。換熱器設計中兩個最常見的問題是校核和定尺寸問題。在通常情況下，使用ε-NTU法來進行反復進行校核，確定尺寸。確定尺寸問題是確定換熱器的外形尺寸（如長度、寬度、高度、每側的傳熱面積）、流體的入口、出口溫度、流率、污垢因子以及兩側壓降等。另一方面，也可以嘗試先確定尺寸，然后來預測性能參數，如果計算得到的結果不符合給定值，則需重新假設選擇尺寸并重新計算。在壁掛爐設計時可參考以下參數：

а1——煙氣側對流換熱系數，可取40W/（m2·℃）；

λ——肋片導熱系數，紫銅取395（m2·℃）；

b——肋片厚度，可取0.3X10-3m；

a——肋片間距；可取2.5X10-3m。

2.3 橢圓管長度設計與脹接

（1）橢圓管與換熱片、端片的脹接是一種冷加工工藝，它是換熱器制作的關鍵操作。要在橢圓管與板材件連接產生希望的界面壓力，那么就要求幾點要求：①橢圓管必須達到完全塑性變形；②在橢圓管施加的壓力下，周圍板材必須是彈性的；③壓力釋放后，板材的變形必須大于管子變形的恢復量。否則，換熱器就會產生松動（欠脹）或產生彎曲變形（過脹）。在脹接過程中可以添加潤滑油（肥皂水）。

（2）長度設計。橢圓管在脹接后長度會縮短，所以在設計其長度過程中須考慮。

在整個脹接過程中，可視橢圓管的總體積是不變的。如圖（3）所示，假設在脹接前，橢圓管的截面積為A，長度為L0，脹接后的截面積為B，長度為L1，則：

其中，A，B，L0為可知參數，L1便可計算出來。也就是說，橢圓管的縮減量便可計算出來。

（3）脹管度的度量準則

壁厚縮減率作為脹管度的準則，測量用管前孔和管子的尺寸以及脹管后管子內徑的變化來計算。

百分縮減率=[d’i-(di+C)]×100/2(ut,t) (11)

式中，d’i是脹管后的內徑，di是脹管前的管子內徑，d是測量的管子外徑，C是測量的板孔徑D與d之差，ut是未脹管時測量的客子壁厚。

由方程（11）得知，所期望的脹管后管子內徑為：

式中，D是管板孔徑，t是未脹管時的管子壁厚，X是管壁減薄的百分比。

通過檢測的數據可以清楚地表明管子是否達到正確的脹接。此外，在計算管子脹管后的尺寸時，管子外徑、管板孔徑、以及管子壁厚都必須考慮公差。

常用的材料的百分率管壁減薄量如下：

碳鋼 5%～8%

不銹鋼 3%～5%

合金鋼 4%～6%

銅合金 4%～8%

2.4 進出水接頭設計

進出水接頭在裝配過程中要求它與橢圓管端面能緊貼在一起進行焊接。如圖4所示，在設計時，我們可以對它進行優化設計，在裝配端面位置設計一凸臺以保證橢圓管、進出水接頭以及焊環都能緊貼在一起進行后續的焊接。這樣可大大地提高焊接的合格率。

3 焊接制造

在焊接工藝上，換熱器的焊接應該在脹接完成之后進行，這樣的順序可使焊縫不受脹管操作引起的應變的影響，同時可以測試到管子脹接的完整性。

目前，生產壁掛爐主換熱器大多采用硬釬焊的方法，最常用的有焊炬式釬焊、爐式釬焊、浸鍍式釬焊等。硬釬焊采用將填充金屬加熱到液化溫度840℉（450℃）以上，但低于母材固化溫度的方式，將兩種相同的或不同的金屬或非金屬結合在一起。熔融的填充金屬通過毛細效應分布到兩個緊密配合的表面。

（1）進出水接頭以及U管的焊接考慮因素

A.接頭的間隙決定了毛細力的大小，而毛細力吸引熔化的填充金屬（焊環）深入接頭的間隙之中，接頭的間隙必須在規定的范圍內。

B.避免焊劑夾帶，焊劑的夾帶可能造成接頭易于在使用中產生腐蝕，過分緊密的接頭間隙約束了填充金屬的流動，而太大的間隙造成填充金屬在焊劑周圍流動造成虛焊。

C.當不同的金屬相結合時，它們的熱膨脹系數之間的差別至關重要。

（2）填充金屬（焊環、焊膏）

是一種熔點低于母材熔點的有色金屬或合金。它們在一定的溫度范圍發生熔化。當熔化時，焊環必須能夠濕潤母材金屬、能夠流動并且分散母體間隙。期望的熔融焊環特性是具有低的接觸角、高的流體表面張力以及低的粘度（θ<90°）。如圖5。

A.鋁填充金屬

鋁填充金屬常用于鋁材的硬釬焊，為了減小可能的電化學腐蝕，硬釬焊填充金屬是鋁合金而非其他金屬，大多數硬釬焊合金是以鋁-硅低共熔系統為基礎的，含硅量為7%~12%，熔點為1070℉（577℃）。如表1。

B.銅填充金屬

銅填充金屬（BCu）常用于鐵基和鎳基合金的硬釬焊。

銅磷填充金屬（BCuP）系列最常用于連接銅及其合金以及不銹鋼。但不應用于鐵基合金、鎳基合金以及鎳量大于10%的銅合金。其釬焊接頭的最佳間隙為0.03～0.075mm。如表2。

C.銀基填充金屬

銀基合金（BAg系列）具有多種用途，覆蓋很廣的硬釬焊范圍，即1145℉～1900℉。可以用來釬焊所有黑色和有色金屬，如不銹鋼，硬質合金等材料。如表3。

它的優點是：流動自如，具有良好的濕潤性和填充間隙的能力。強度高、塑性好，以及可以得到延性好和光滑的表面。

缺點是：價格較貴，一般還要配合銀釬劑共同使用。釬焊前必須嚴格清除釬焊處及釬料表面的油脂和氧化物等，釬焊接頭的最佳間隙為0.03～0.075mm。

4 清洗

硬釬焊后，焊劑殘留物質具有極高的腐蝕性（圖6），尤其在有濕度存在的情況下。因此釬焊后必須加以清洗。使用沸騰水可以除去氯化物型焊劑的殘留物，或強酸殘留物，隨后再采用清水洗滌。與釬焊接頭相鄰的氧化區可以采用酸洗膏、線刷或噴砂進行清洗。

表1 常用填充金屬特性1

表2 常用填充金屬特性2

表3 常用填充金屬特性3

5 結束語

綜上所述，壁掛爐主換熱器的設計與制造是比較復雜的，需要考慮的因素也很多。但如果按照以上的設計流程和設計要點進行制作，根據不同的基質選用不同的參數進行反復驗證與修正，設計工作就可以簡化。