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(qiáng)化換熱和耐腐蝕的特點(diǎn)。利用CFD進(jìn)行熱交換器的仿真計(jì)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(yàn)結(jié)果基本吻合。進(jìn)行
摘要：研發(fā)的不銹鋼波紋管冷凝式熱交換器，具有強(qiáng)化換熱和耐腐蝕的特點(diǎn)。利用CFD進(jìn)行熱交換器的仿真計(jì)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(yàn)結(jié)果基本吻合。進(jìn)行了冷凝熱交換器的實(shí)樣測(cè)試，結(jié)果表明樣機(jī)的主要性能參數(shù)符合國(guó)標(biāo)要求，能效等級(jí)達(dá)到1級(jí)，具有良好的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：冷凝；熱交換器；仿真計(jì)算
    我國(guó)是能源生產(chǎn)和消費(fèi)的大國(guó)，節(jié)能減排、提高能源利用效率、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)是我們面臨的重要任務(wù)。熱交換器是燃?xì)鉄崴鞯年P(guān)鍵部件，強(qiáng)化熱交換器傳熱，提高傳熱效率對(duì)于提高熱水器的能效具有至關(guān)重要的作用。我們針對(duì)小型冷凝式燃?xì)鉄崴鳟a(chǎn)品，開(kāi)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(diǎn)。前期對(duì)該熱交換器進(jìn)行了仿真計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上制造了熱交換器的樣機(jī)，經(jīng)過(guò)整機(jī)試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期設(shè)想，取得良好的效果。
    1、熱交換器結(jié)構(gòu)
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(dǎo)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(jié)構(gòu)緊湊，強(qiáng)化傳熱效果良好。結(jié)構(gòu)上將集氣罩和冷凝熱交換器設(shè)計(jì)成一個(gè)整體減少了空間體積同時(shí)外觀整體感強(qiáng)。
 

    波紋管冷凝式熱交換器的主要特點(diǎn)：
    (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(dòng)，形成附加渦流，提高管外的對(duì)流換熱系數(shù).管內(nèi)水流速度達(dá)到湍流狀態(tài)(Re=1.4×10-4)，對(duì)流換熱系數(shù)也較大。
    (3) 設(shè)置煙氣導(dǎo)流板，加強(qiáng)煙氣速度場(chǎng)與熱流場(chǎng)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(qiáng)化對(duì)流換熱。導(dǎo)流板底部有一排孔便于冷凝水流下。
    (4) 注意氣體流動(dòng)的均勻性，以達(dá)到最佳的傳熱效果。
    (5) 煙氣自下而上流動(dòng)，冷凝水往下流至集水板經(jīng)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(zhì)量、動(dòng)量和能量方程和相應(yīng)的邊界條件，應(yīng)用CFD的Fluent商用軟件進(jìn)行熱交換器的數(shù)值模擬，計(jì)算煙氣的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，以及相應(yīng)的熱交換量。
質(zhì)量方程：
 
動(dòng)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(dòng)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(wǎng)格。排煙管的對(duì)稱結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，其中的氣流變化較緩慢，網(wǎng)格參數(shù)的間距尺寸取為0.005mm；其余部分的網(wǎng)格參數(shù)的間距尺寸城小為0.002mm?？偣布s劃分7917萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格。
 

    物理模型簡(jiǎn)化為無(wú)相變(不考慮冷凝)的流動(dòng)-傳熱三維模型，把冷凝換熱量以提高傳熱系數(shù)來(lái)作補(bǔ)償。為了便于計(jì)算，幾何模型中用光管來(lái)代替波紋管，Φ8波紋管的表面積比光管大66%，實(shí)際計(jì)算時(shí)傳熱表面積則按照光管表面的166%。另外，波紋管會(huì)生成附加擾流，使傳熱系數(shù)提高，參考有關(guān)資料[2]和計(jì)算過(guò)程數(shù)據(jù)，傳熱系數(shù)比原來(lái)提高54%。
    建立計(jì)算的邊界條件。燃燒計(jì)算參數(shù)：熱輸入功率為22kW，空氣過(guò)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)39.9Nm3/h。假設(shè)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(jìn)口溫度為20℃。計(jì)算的對(duì)數(shù)平均溫差為100.6℃。在計(jì)算過(guò)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(shí)時(shí)修正。外殼壁面為絕熱邊界條件。
    設(shè)置監(jiān)視器進(jìn)行迭代計(jì)算，直至計(jì)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(shè)為1×10-3，能量的迭代收斂因子設(shè)為1×10-5，每個(gè)工況計(jì)算，大約迭代2000次左右達(dá)到收斂結(jié)果。
    3、仿真計(jì)算結(jié)果及其分析
    3.1 煙氣流速分布
    兩個(gè)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(guò)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(jì)算得到煙氣進(jìn)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(gè)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(guò)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(guò)左右對(duì)稱的四排管子傳遞熱量，完成傳熱過(guò)程。排煙管出口的煙氣溫度比較均勻。計(jì)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(jì)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(yàn)結(jié)果及分析
    參考仿真計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)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(jìn)行實(shí)樣測(cè)試，取得良好的效果，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。主要性能參數(shù)符合國(guó)標(biāo)要求，整機(jī)的能效等級(jí)達(dá)到1級(jí)。
    雖然排煙溫度91℃對(duì)于冷凝式熱水器來(lái)說(shuō)似乎偏高。但是從仿真計(jì)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(shí)測(cè)的冷凝水量也達(dá)到18g/min，可見(jiàn)達(dá)到局部冷凝換熱條件。這部分煙氣與未經(jīng)很好冷卻的高溫?zé)煔庀嗷旌?，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(dāng)空間，進(jìn)一步改進(jìn)煙氣流的分布，降低排煙溫度，可以更加提高熱效率。
    試驗(yàn)結(jié)果表明，研發(fā)的不銹鋼波紋管冷凝式熱交換器達(dá)到強(qiáng)化換熱和耐腐蝕的預(yù)期效果，可以用于實(shí)際產(chǎn)品。
表1 實(shí)樣試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)
熱輸入功率    kW
22.19
熱輸入偏差    %
0.86
產(chǎn)熱水能力    kg/min
12.5
熱水產(chǎn)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(jié)
    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(diǎn)。熱交換器的仿真計(jì)算得到了煙氣流動(dòng)的速度分布、溫度分布及其換熱性能參數(shù)。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)的數(shù)據(jù)能較好地吻合，對(duì)于熱交換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和進(jìn)一步改進(jìn)具有指導(dǎo)參考意義。實(shí)樣的整機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，主要性能參數(shù)符合國(guó)標(biāo)要求，能效等級(jí)為1級(jí)，達(dá)到強(qiáng)化換熱和耐腐蝕的預(yù)期效果，可以用于實(shí)際產(chǎn)品，具有良好的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 沙拉，塞庫(kù)利克著，程林譯.換熱器設(shè)計(jì)技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010
[2] 錢(qián)頌文等編著.管式換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003
[3] 陶文銓.計(jì)算傳熱學(xué)的近代發(fā)展.北京：科學(xué)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(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)