壁掛爐主換熱器設(shè)計(jì)與制造要點(diǎn)

麥永德

（廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司 廣東佛山 528305）

1 引言

換熱器是當(dāng)兩種或多種流體存在溫差時(shí)進(jìn)行內(nèi)部熱量傳遞的傳熱設(shè)備。大部分換熱器內(nèi)部的流體被傳熱面分開(kāi)，理想情況下相互之間是不發(fā)生混合的，獨(dú)立流動(dòng)。壁掛爐的主換熱器是壁掛爐產(chǎn)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(jí)，對(duì)壁掛爐的等級(jí)判定起到?jīng)Q定性的作用。

2 主換熱器設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)流程

當(dāng)我們進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，一般可以按以下步驟進(jìn)行（如圖1所示）。由于涉及的內(nèi)容較多，下面我們只從其中的幾個(gè)方面進(jìn)行討論。

2.2 熱力流體力學(xué)設(shè)計(jì)，換熱面積的確定

在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)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(tài)、物理性質(zhì)、毒性、腐蝕性、結(jié)垢性等。換熱器通過(guò)換熱片進(jìn)行換熱，無(wú)論從客觀或微觀上來(lái)講，熱力學(xué)第一定律都是必須滿足的。對(duì)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(shè)計(jì)基礎(chǔ)。同時(shí)它遵循能量轉(zhuǎn)換和熱傳遞率方程。二流體具有任意流動(dòng)布置方式的換熱器能量轉(zhuǎn)換方程是q（換熱傳遞率），即：

最大可能的熱傳率：

式中：

Δtm ：實(shí)際的平均溫差，取決于換熱器二流體的流動(dòng)布置方式和每一流體流路橫截面內(nèi)流體的橫向混合流動(dòng)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(jìn)口和出口）；

tho和thi——熱流體終端溫度（進(jìn)口和出口）；

C

p——流體比熱；

M——流體質(zhì)量流率。

總熱傳遞UA的倒數(shù)稱為總熱阻RO，是一系列的各部分相串聯(lián)的熱阻之和，即：

式（5）的右邊的參數(shù)Rh為熱側(cè)對(duì)流膜阻，R1為熱側(cè)污垢熱阻，Rw為傳熱壁面的熱阻，對(duì)于平壁為：

對(duì)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(dǎo)熱率；d——傳熱管外徑；

di——傳熱管內(nèi)徑；L——傳熱管長(zhǎng)；

Nt——傳熱管總數(shù)。

總的傳熱面積（平壁傳熱面）為：

式中：

L1、L2——分別為傳熱壁面長(zhǎng)和寬；

Np——總的傳熱壁面的數(shù)量；

R2——冷側(cè)污垢熱阻；

Rc——冷側(cè)流體對(duì)流膜阻。

熱交換器效率ε定義為實(shí)際傳熱率q對(duì)熱力學(xué)熱動(dòng)力最大熱傳遞率qmax：

ε值在0～1之間，應(yīng)用方程式（2）的實(shí)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)類(lèi)型、流動(dòng)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(shè)計(jì)中兩個(gè)最常見(jiàn)的問(wèn)題是校核和定尺寸問(wèn)題。在通常情況下，使用ε-NTU法來(lái)進(jìn)行反復(fù)進(jìn)行校核，確定尺寸。確定尺寸問(wèn)題是確定換熱器的外形尺寸（如長(zhǎng)度、寬度、高度、每側(cè)的傳熱面積）、流體的入口、出口溫度、流率、污垢因子以及兩側(cè)壓降等。另一方面，也可以嘗試先確定尺寸，然后來(lái)預(yù)測(cè)性能參數(shù)，如果計(jì)算得到的結(jié)果不符合給定值，則需重新假設(shè)選擇尺寸并重新計(jì)算。在壁掛爐設(shè)計(jì)時(shí)可參考以下參數(shù)：

а1——煙氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)，可取40W/（m2·℃）；

λ——肋片導(dǎo)熱系數(shù)，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(zhǎng)度設(shè)計(jì)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(guān)鍵操作。要在橢圓管與板材件連接產(chǎn)生希望的界面壓力，那么就要求幾點(diǎn)要求：①橢圓管必須達(dá)到完全塑性變形；②在橢圓管施加的壓力下，周?chē)宀谋仨毷菑椥缘?；③壓力釋放后，板材的變形必須大于管子變形的恢?fù)量。否則，換熱器就會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)（欠脹）或產(chǎn)生彎曲變形（過(guò)脹）。在脹接過(guò)程中可以添加潤(rùn)滑油（肥皂水）。

（2）長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。橢圓管在脹接后長(zhǎng)度會(huì)縮短，所以在設(shè)計(jì)其長(zhǎng)度過(guò)程中須考慮。

在整個(gè)脹接過(guò)程中，可視橢圓管的總體積是不變的。如圖（3）所示，假設(shè)在脹接前，橢圓管的截面積為A，長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，脹接后的截面積為B，長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，則：

其中，A，B，L0為可知參數(shù)，L1便可計(jì)算出來(lái)。也就是說(shuō)，橢圓管的縮減量便可計(jì)算出來(lái)。

（3）脹管度的度量準(zhǔn)則

壁厚縮減率作為脹管度的準(zhǔn)則，測(cè)量用管前孔和管子的尺寸以及脹管后管子內(nèi)徑的變化來(lái)計(jì)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(nèi)徑，di是脹管前的管子內(nèi)徑，d是測(cè)量的管子外徑，C是測(cè)量的板孔徑D與d之差，ut是未脹管時(shí)測(cè)量的客子壁厚。

由方程（11）得知，所期望的脹管后管子內(nèi)徑為：

式中，D是管板孔徑，t是未脹管時(shí)的管子壁厚，X是管壁減薄的百分比。

通過(guò)檢測(cè)的數(shù)據(jù)可以清楚地表明管子是否達(dá)到正確的脹接。此外，在計(jì)算管子脹管后的尺寸時(shí)，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(jìn)出水接頭設(shè)計(jì)

進(jìn)出水接頭在裝配過(guò)程中要求它與橢圓管端面能緊貼在一起進(jìn)行焊接。如圖4所示，在設(shè)計(jì)時(shí)，我們可以對(duì)它進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在裝配端面位置設(shè)計(jì)一凸臺(tái)以保證橢圓管、進(jìn)出水接頭以及焊環(huán)都能緊貼在一起進(jìn)行后續(xù)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(yīng)該在脹接完成之后進(jìn)行，這樣的順序可使焊縫不受脹管操作引起的應(yīng)變的影響，同時(shí)可以測(cè)試到管子脹接的完整性。

目前，生產(chǎn)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(jié)合在一起。熔融的填充金屬通過(guò)毛細(xì)效應(yīng)分布到兩個(gè)緊密配合的表面。

（1）進(jìn)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(xì)力的大小，而毛細(xì)力吸引熔化的填充金屬（焊環(huán)）深入接頭的間隙之中，接頭的間隙必須在規(guī)定的范圍內(nèi)。

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(chǎn)生腐蝕，過(guò)分緊密的接頭間隙約束了填充金屬的流動(dòng)，而太大的間隙造成填充金屬在焊劑周?chē)鲃?dòng)造成虛焊。

C.當(dāng)不同的金屬相結(jié)合時(shí)，它們的熱膨脹系數(shù)之間的差別至關(guān)重要。

（2）填充金屬（焊環(huán)、焊膏）

是一種熔點(diǎn)低于母材熔點(diǎn)的有色金屬或合金。它們?cè)谝欢ǖ臏囟确秶l(fā)生熔化。當(dāng)熔化時(shí)，焊環(huán)必須能夠濕潤(rùn)母材金屬、能夠流動(dòng)并且分散母體間隙。期望的熔融焊環(huán)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(xué)腐蝕，硬釬焊填充金屬是鋁合金而非其他金屬，大多數(shù)硬釬焊合金是以鋁-硅低共熔系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，含硅量為7%~12%，熔點(diǎn)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(yīng)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℉?？梢杂脕?lái)釬焊所有黑色和有色金屬，如不銹鋼，硬質(zhì)合金等材料。如表3。

它的優(yōu)點(diǎn)是：流動(dòng)自如，具有良好的濕潤(rùn)性和填充間隙的能力。強(qiáng)度高、塑性好，以及可以得到延性好和光滑的表面。

缺點(diǎn)是：價(jià)格較貴，一般還要配合銀釬劑共同使用。釬焊前必須嚴(yán)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(zhì)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(qiáng)酸殘留物，隨后再采用清水洗滌。與釬焊接頭相鄰的氧化區(qū)可以采用酸洗膏、線刷或噴砂進(jìn)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(jié)束語(yǔ)

綜上所述，壁掛爐主換熱器的設(shè)計(jì)與制造是比較復(fù)雜的，需要考慮的因素也很多。但如果按照以上的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行制作，根據(jù)不同的基質(zhì)選用不同的參數(shù)進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證與修正，設(shè)計(jì)工作就可以簡(jiǎn)化。