不銹鋼換熱器在燃?xì)鉄崴魃系膽?yīng)用問題分析

何 意

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

燃?xì)鉄崴髂壳爸饕褂勉~質(zhì)材料制作換熱器，工作使用自來水，部分地區(qū)的自來水含有較高電解質(zhì)，電解質(zhì)會(huì)對(duì)銅材質(zhì)換熱器產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。造成燃?xì)鉄崴鞲g漏水現(xiàn)象，某些嚴(yán)重地區(qū)銅質(zhì)換熱器僅使用三個(gè)月就被腐蝕穿，影響使用安全，給企業(yè)售后維護(hù)帶來損失。

為了提高燃?xì)鉄崴魇褂脡勖乐箵Q熱器腐蝕漏水，目前市場(chǎng)上已有燃?xì)鉄崴魇褂貌讳P換熱器，與傳統(tǒng)銅質(zhì)換熱器相比，不銹鋼換熱器具有更好的耐腐蝕性能。但是，沿用傳統(tǒng)翅片管式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不銹鋼換熱器，在設(shè)計(jì)測(cè)試中容易存在局部過熱、燒壞氧化現(xiàn)象，以及效率低等問題，本文對(duì)出現(xiàn)該問題的不銹鋼換熱器進(jìn)行測(cè)試并分析，提供解決方案，希望對(duì)行業(yè)工作具有促進(jìn)作用。

1 問題原因分析

對(duì)原不銹鋼換熱器進(jìn)行測(cè)試，使問題復(fù)現(xiàn)。把不銹鋼換熱器原樣件裝到13 L的強(qiáng)抽式燃?xì)鉄崴魃希~定負(fù)荷25 kW，氣源為天然氣。先進(jìn)行熱水性能測(cè)試，結(jié)果如表1，100 %負(fù)荷熱效率只有86 %，明顯低于國(guó)標(biāo)[3]89 %要求。

表1 原樣件測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

再進(jìn)行表面溫升測(cè)試。在原樣件殼體上布置測(cè)溫探頭，在100 %額定負(fù)荷下，連續(xù)工作60 min，觀察殼體外部的溫度變化并作記錄。如圖1，兩側(cè)溫度過高，部分甚至達(dá)300 ℃。測(cè)試完畢,通過對(duì)試驗(yàn)后的原樣件進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)水箱殼體被燒變色。接著再把原樣件從燃?xì)鉄崴髦胁痖_，然后觀察翅片的色變以及其是否被燒到燒壞。可以看到近燃燒器部位，即翅片下端部分變黑，明顯有被燒到的跡象。對(duì)于上述問題的出現(xiàn)，首先我們需要對(duì)該類型換熱器進(jìn)行一系列分析。

圖1 不銹鋼換熱器原樣件測(cè)試實(shí)物圖

1.1 換熱器構(gòu)成及其原理簡(jiǎn)述

燃?xì)鉄崴鲹Q熱器主要由若干翅片、殼體、盤管、換熱管、進(jìn)出管、水管組成，如圖2。翅片裝進(jìn)水箱上部殼體內(nèi)，翅片兩側(cè)面與上部殼體內(nèi)側(cè)相貼，換熱管穿過翅片的換熱孔，盤管盤繞水箱下部殼體外側(cè)。

圖2 換熱器及其翅片三維圖

從換熱器構(gòu)成及原理可以初步判斷水箱殼體被燒變色的原因，主要是盤管與殼體配合不好，也可能由于殼體存在制作問題，還有板材不平，與盤管配合部分有凹陷或凸起，之間存在較大縫隙。使殼體熱量不能很好的傳遞到盤管內(nèi)的水，造成殼體溫度過高而氧化發(fā)黑，甚至被燒焦現(xiàn)象。另外初步判斷，由于不銹的換熱系數(shù)較低，不能快速冷卻造成。

靠近燃燒器部分翅片，即翅片下端部分變黑，明顯有被燒到的跡象。此點(diǎn)問題的出現(xiàn)，可能由于在離換熱管壁過遠(yuǎn)，熱量積集，換熱管內(nèi)的水無法對(duì)其快速降溫，導(dǎo)致翅片末端溫度過高，如果長(zhǎng)時(shí)間工作，會(huì)造成翅片碎壞。也有可能與燃燒火焰長(zhǎng)短等燃燒工況有關(guān)，需進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

1.2 換熱面積計(jì)算

由于不銹鋼材料導(dǎo)熱系數(shù)較底，只是銅的（3～4）%左右。在設(shè)計(jì)中的換熱面積要比銅換熱器面積大。因此確保換熱面積是分析換熱器換熱效率基本要求。先根據(jù)公式（1）[1]進(jìn)行計(jì)算。

式中:

Q—熱負(fù)荷，W；

K—總傳熱系數(shù),W/(m2.℃)；

A—換熱器總傳熱面積，m2；

Δtm—進(jìn)行換熱的兩流體之間的平均溫度差，℃。

2）熱負(fù)荷，忽略換熱器向周圍環(huán)境的散熱損失。根據(jù)能量平衡，熱流體所放出的熱量應(yīng)等于冷流體所吸的熱量。即：

式中：

mc，mh—分別表示冷流體、熱流體的質(zhì)量流量，kg/s；

cp.c，cp,h—分別為冷流體、熱流體的定壓比熱，J/(kg.℃)；

Tc,i，Tc,o—冷流體的進(jìn)、出口溫度，℃；

Th,i，Th,o—熱流體的進(jìn)、出口溫度，℃。

3）對(duì)數(shù)平均溫度差

Δt2—較大的溫度差；

Δt1—較小的溫度差。

4）溫差修正系數(shù)FT

先按上式計(jì)算出對(duì)數(shù)平均溫度差，然后乘以修正系數(shù)，即可計(jì)算有效平均溫差Δtm：

式中：

Δtlm—逆流時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差；

FT—溫差修正系數(shù)。

本課程采用“項(xiàng)目導(dǎo)向、任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)，以過程考核為主，即在教學(xué)過程中進(jìn)行考核并評(píng)定單項(xiàng)任務(wù)成績(jī)，課程成績(jī)是各單項(xiàng)成績(jī)之和。從而使得考核方法更為客觀、公正。

忽略其它因素，通過上述公式進(jìn)行計(jì)算得到大概所需的理論換熱面積A=65萬mm2；再對(duì)原樣件進(jìn)行換熱面積實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)面積所得A′=72萬 mm2。實(shí)測(cè)面積與理論計(jì)算面積較為接近，也就是說理論上該換熱面積是夠的。因此我們需要通過對(duì)換熱翅片結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化，來使換效率達(dá)到設(shè)計(jì)值。

1.3 對(duì)不銹鋼換熱器原樣件的翅片進(jìn)行仿真

對(duì)于翅片高溫區(qū)問題,先借助仿真軟件進(jìn)行分析。把翅片原樣件的翅片三維圖進(jìn)行模似仿真，仿真結(jié)果如圖4，仿真結(jié)果顯示，翅片兩側(cè)面，即與外殼相接邊面溫度較高。還有翅片下端方向，最明顯的是從下往上第二排換熱管下邊緣，遠(yuǎn)離換熱管壁部分翅片溫度高達(dá)600 ℃。該部位處于第二排換熱管，煙氣流速加快，對(duì)流系數(shù)變大，強(qiáng)化換熱加大。翅片受到的熱量無法快速傳到換熱管，使之溫度過高。

2 問題解決實(shí)施方案

2.1 對(duì)翅片進(jìn)行新設(shè)計(jì)

根據(jù)上面問題分析，對(duì)翅片重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證理論換熱面積，確保同等換熱效果同時(shí)確保煙氣阻力不要過大為設(shè)計(jì)目標(biāo)。現(xiàn)在同時(shí)嘗試設(shè)計(jì)兩種方案：方案1為三排管（如圖3）；方案2為兩排管，設(shè)計(jì)上下相鄰兩排換熱孔使其孔位交叉錯(cuò)位分布。把翅片高溫區(qū)域裁剪掉，保證從下到上的第一排換熱孔，翅片下末端邊緣到換熱孔的壁距離小于2.5 mm。第二排換熱孔翅片下末端邊緣到換熱管壁距離小于2 mm。

圖3 煙氣溫度云圖

同排換熱孔相間的上方位置設(shè)計(jì)擾流結(jié)構(gòu)，如翻邊、翻邊孔，對(duì)邊界層起到破壞作用，同時(shí)把高溫?zé)煔鈱?dǎo)向換熱管的背風(fēng)區(qū)，增大高溫?zé)煔馀c換熱管的之間的有效換熱面積，從而達(dá)到強(qiáng)化換熱效果。另外，高溫?zé)煔饨?jīng)與翅片換熱降溫后，其體積變小，流速會(huì)變慢，換熱對(duì)流系數(shù)會(huì)下降。為保持相對(duì)穩(wěn)定的換熱對(duì)流系數(shù)，在相應(yīng)位置增加擾流結(jié)構(gòu)來達(dá)到目的。

為了降低水箱上部殼體正面溫升，翅片兩側(cè)面設(shè)有部分區(qū)域與殼體相接觸，有利于水箱上部殼體的熱量從該區(qū)域傳遞到換熱管內(nèi)的水，從而降低水箱上部殼體的表面溫升。

2.2 水箱殼盤管優(yōu)化

1）增加水箱下部殼體的盤管圈數(shù)量,增加管對(duì)殼體的覆蓋面積以達(dá)到對(duì)殼體表面降溫的作用，本次方案由原樣件的4盤管改成5盤管。

2）優(yōu)化水箱上部殼體與翅片兩端面之間配合，翅片端面與殼體之間增加隔熱板來加強(qiáng)殼體的強(qiáng)度使之平整，以至更好的保證殼體與翅片的貼合。

2.3 仿真邊界設(shè)置及仿真結(jié)果

設(shè)定，方案1的翅片之間距離為2 mm、方案2的翅片間距為1.8 mm，進(jìn)口煙溫為1 100 ℃，進(jìn)口流速3.6 m/s。

從圖4、表2仿真結(jié)果可以看出：

圖4 翅片仿真云圖

表2 仿真邊界設(shè)置及仿真結(jié)果

1）就壓損而言，方案2（兩排管）比方案1（三排管）要高，這是因?yàn)槌崞膶挾雀鞣桨甘且粯拥模桨?有一排含5根管，造成流體的通道面積變小，阻力變大；同時(shí)，方案2的翅片間距小于其他方案，一定程度上增大了阻力。兩個(gè)方案中，方案1的壓損最小。

2）就翅片最高溫度而言，方案2最小（402 ℃），方案1次之（417 ℃）；就翅片平均溫度而言，方案1是最低的。

3）就換熱功率而言，方案1最好，達(dá)到92 %，達(dá)到了國(guó)標(biāo)要求；方案2由于換熱面積過小，小于其它方案,只有80.4 %。

3 試驗(yàn)測(cè)試

跟據(jù)前面的仿真結(jié)果，對(duì)兩種方案進(jìn)行了對(duì)比，最終選用方案1進(jìn)行新樣板打樣并展開測(cè)試。分別設(shè)定100 %額定負(fù)荷、50 %額定負(fù)荷進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。

表3 新方案測(cè)試數(shù)據(jù)

在同樣的條件，對(duì)新樣板進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。首先把新?lián)Q熱器樣板安裝在同一臺(tái)燃?xì)鉄崴魃希趽Q熱器殼體外布置測(cè)溫探頭，然后通水使熱水器工作。調(diào)至100 %額定負(fù)荷下，連續(xù)燃燒60 min，觀察其殼體外部的顏色變化以及溫度變化，并做記錄。

如圖5，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示換熱器殼體顏色沒發(fā)生多大變化，溫度也比之前原樣件大幅下降，翅片下端也沒出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象，改善效果顯著，達(dá)到了目標(biāo)要求，說明該方案是可行的。

圖5 新方案換熱器外殼溫度測(cè)試照片圖

4 結(jié)論

本文對(duì)燃?xì)鉄崴魇褂貌讳P鋼換熱器出現(xiàn)的問題，通過計(jì)算、仿真分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段對(duì)其進(jìn)行了分析。當(dāng)換熱器以不銹鋼為材質(zhì)設(shè)計(jì)時(shí)，不能簡(jiǎn)單的采用銅材的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，而是需要考慮不銹鋼特性，重點(diǎn)應(yīng)關(guān)注局部過熱區(qū)域、氧化燒壞現(xiàn)象，以及效率低問題等。

1）首先翅片換熱面積要保證足夠的理論面積，通過設(shè)計(jì)擾流結(jié)構(gòu)和保持相對(duì)高的換熱對(duì)流系數(shù)，以較少的材料達(dá)到較大的有效換熱面積，進(jìn)一步達(dá)到強(qiáng)化換熱效果。

2）對(duì)于翅片的高溫區(qū)域，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真時(shí)進(jìn)行裁剪。高溫?zé)煔馐紫葲_刷的翅片邊緣與換熱管壁距離不應(yīng)過大，建議小于2～3 mm，以免因產(chǎn)生局部高溫而氧化損壞。

3） 燃燒室殼體與盤管、以及與翅片端面盡量平整貼合，可用焊料輔助焊接。盤繞燃燒室殼的盤管間的距離不宜過大，設(shè)計(jì)要合理。

本文對(duì)本型號(hào)換熱器進(jìn)行了測(cè)試及分析，當(dāng)然還會(huì)有其問題待解決，后期將進(jìn)一步驗(yàn)證。