不銹鋼換熱器在燃?xì)鉄崴魃系膽?yīng)用研究

張上兵

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

目前在燃?xì)鉄崴黝I(lǐng)域中的熱交換器材料使用最多的是銅材，使用銅材制造熱交換器具有加工技術(shù)成熟，換熱效率高，體積較小等特點(diǎn)。但由于銅材料價(jià)格較貴，是不可再生資源，隨著新型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)銅材的消耗帶來爆發(fā)式增長，進(jìn)而帶來成本上升，這對(duì)企業(yè)長期發(fā)展不利，且銅質(zhì)換熱器在水質(zhì)差的地方存在易腐蝕損壞現(xiàn)象，給企業(yè)維護(hù)產(chǎn)品帶來成本壓力。而不銹鋼材質(zhì)具有良好的耐腐蝕性能，且資源分布多成本也具有優(yōu)勢，在歐洲市場，供熱產(chǎn)品中多數(shù)換熱器都是采用不銹鋼材質(zhì)，經(jīng)過市場幾十年的驗(yàn)證，不銹鋼換熱器具有的綜合優(yōu)勢得到充分驗(yàn)證，在國內(nèi)，已有多個(gè)廠家在摸索研究不銹鋼換熱技術(shù)，因目前技術(shù)及制造水平原因，多數(shù)廠家都處于早期研發(fā)中，相信隨著技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來國內(nèi)廠家也能很好地生產(chǎn)出不銹鋼換熱器。

1 不銹鋼換熱器的設(shè)計(jì)研究

目前國內(nèi)行業(yè)內(nèi)比較常見的是使用管殼式主換熱器，但由于不銹鋼材質(zhì)的特點(diǎn)，管殼式的結(jié)構(gòu)方式根本不適用于使用不銹鋼材料制作。故需要針對(duì)不銹鋼材質(zhì)的加工工藝，重新考慮在不銹鋼主換熱器的結(jié)構(gòu)上作創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1.1 換熱管形狀的選擇

縱觀行業(yè)中主換熱器所使用的換熱管均為紫銅圓管，鑒于不銹鋼材質(zhì)熱導(dǎo)率較紫銅差，紫銅的熱導(dǎo)率約是不銹鋼的20倍。

則根據(jù)理論公式計(jì)算不同換熱管的設(shè)計(jì)壁厚：

式中：

ts—換熱管的計(jì)算壁厚，mm；

p—設(shè)計(jì)壓力（取1.25倍的自來水壓），MPa；

D0—管子外徑，mm；

σ—設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；

φ—焊接接頭系數(shù)，無縫管取1；

pc—管內(nèi)計(jì)算壓力，MPa。

考慮壁厚減薄率，彎管壁厚的計(jì)算公式是：

式中：

δ0—彎管壁厚，mm；

C—壁厚減薄率；

R—彎管曲率半徑，mm。

可以計(jì)算出不銹鋼換熱管的安全設(shè)計(jì)壁厚為0.6 mm，而銅管為1 mm。 擬定選擇不銹鋼管壁厚為0.6 mm。

選定了換熱管的材質(zhì)以及壁厚，然后要對(duì)管的形狀進(jìn)行分析選擇，目前市面上最常見的圓管和橢圓管，換熱管的形狀會(huì)影響到高溫?zé)煔獾膶?duì)流流道以及換熱系數(shù)，故需針對(duì)其換熱系數(shù)作理論分析。

高溫?zé)煔馀c換熱器的換熱是煙氣通過換熱管與管內(nèi)的水進(jìn)行換熱，其中包括管對(duì)流體的導(dǎo)熱，即：

式中：

α—平均換熱系數(shù)；

α1—煙氣對(duì)管的換熱系數(shù)；

α2—管對(duì)水流的換熱系數(shù)；

σ—傳熱管壁厚度；

入—材料的導(dǎo)熱系數(shù)；

（tf-tt）—平均溫差；

F—有效換熱系數(shù)。

從上式可知，當(dāng)熱水器的負(fù)荷一定時(shí)，換熱系數(shù)越高，其需要的換熱面積越小。由于換熱管的導(dǎo)熱系數(shù)以及壁厚一定，因此要提高平均換熱系數(shù)，可提高煙氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)，以下對(duì)提高煙氣側(cè)的換熱系數(shù)進(jìn)行分析。

管內(nèi)換熱依靠流體的流動(dòng)來傳遞熱量。當(dāng)流體沿靜止的壁面流動(dòng)時(shí)，在鄰近壁面區(qū)域內(nèi)存在一個(gè)速度邊界層，邊界層的厚度δ隨距離l的增加逐漸增大。距離初始端距離為l處的邊界層厚度δ的計(jì)算方式：

式中：

v—沿壁面流動(dòng)的流體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，m2/s；

μ—來流速度，m/s。

沿壁面對(duì)流換熱系數(shù)α可按下式計(jì)算：

式中：入—流體導(dǎo)熱系數(shù)；Pr—普朗特?cái)?shù)。

上式也可以改寫為：

式中：

Nu—努塞爾數(shù)；

Re—雷諾數(shù)。

實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證：

通過數(shù)字仿真模擬運(yùn)算對(duì)比使用圓管以及使用橢圓管的主換熱器在工作時(shí)的熱量分布，得出熱量分布圖，為簡化表示，通過熱交換片表示，如圖1所示。

由圖1可看出，相比于圓管，由于煙氣流場包圍橢圓管更多表面積，即煙氣流場與橢圓管壁有更大換熱面積，在傳熱系數(shù)和高低溫流體溫差不變情況下，換熱管具有更大傳熱量。從表1中可看出在換熱管總質(zhì)量不變條件下，橢圓管相比圓管，在總換熱量、單位質(zhì)量換熱量上都得到強(qiáng)化。

高溫段換熱器的出口煙氣平均溫度、高溫段換熱器總換熱量、總質(zhì)量和單位質(zhì)量換熱量列于表1。

1.2 換熱管間的水路連接方式

不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)于銅的來說，相差很大，所以在保證具有同樣換熱量要求下，不銹鋼換熱器需要通過增加換熱面積來彌補(bǔ)其自身不足，這將出現(xiàn)同等換熱量需求下，不銹鋼換熱器的體積要大于銅材的。同時(shí)考慮到不銹鋼材質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度大，給成型加工帶來一定難度，如采用銅換熱器的加工方法將給制造帶來挑戰(zhàn)，故不銹鋼換熱器的換熱管間的水路連接方法亦要?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)。

對(duì)于不銹鋼換熱器中相鄰的換熱管之間的水路連接，國外產(chǎn)品已有比較好的解決方案：如圖2所示，換熱管與管板連接，由換熱管和左右兩個(gè)管板組成了換熱器的骨架，再由左右兩側(cè)的兩塊側(cè)封板與管板焊接，由側(cè)封板為換熱管的水路連接搭建空間。側(cè)封板上具有多個(gè)獨(dú)立的壓型，詳見如圖，側(cè)封板與管板焊接后側(cè)封板上每個(gè)壓型獨(dú)立封閉不相通，為相鄰的換熱管間提供了流通通道，此方案可以很好的解決不銹鋼換熱器的加工難點(diǎn)。

2 不銹鋼換熱器的水路流場分析

水路流場的均勻分布對(duì)換熱器的換熱能力提升，換熱器使用壽命延長等都有重要作用，本論文案例所研究的不銹鋼換熱器的換熱主管采用串聯(lián)設(shè)計(jì)，而腔體周圍的管路采用并聯(lián)式設(shè)計(jì)，在串聯(lián)水路段水路流速均勻性可得到保證，但水由串聯(lián)水路流入并聯(lián)水路時(shí)因并聯(lián)水路的阻力可能不同而帶來水流速度均勻分配上的影響，針對(duì)此情況假設(shè)，對(duì)原模型的水流流場通過簡化結(jié)構(gòu)，對(duì)換熱器的水路流道進(jìn)行抽取，通過CFD仿真計(jì)算來模擬水流流場分布情況，如圖3水路流線圖所示：從此流線圖可以直觀看出管道內(nèi)的流線比較混亂，具體地說水流進(jìn)口處流線比較稠密，隨著水流在熱交換器腔體周圍的并聯(lián)水管內(nèi)開始端流線就開始紊亂不均勻分布，兩條并聯(lián)管路內(nèi)流線比較稀疏且呈現(xiàn)彼此管內(nèi)流線疏密不統(tǒng)一。這是由于流場內(nèi)漩渦較多，許多從進(jìn)口出發(fā)的流線在漩渦處出現(xiàn)中斷現(xiàn)象。

圖1 熱交換片熱量分布圖

表1 管型對(duì)高溫段換熱器性能的影響對(duì)比參數(shù)

圖2 水路連接局部剖視圖

圖3 優(yōu)化前水路流線圖

表2 優(yōu)化前進(jìn)、出口端截面靜壓（單位: Pa）

表3 優(yōu)化前截面A與截面B的流量（單位：L/h）

圖4 優(yōu)化后水路流線圖

表4 優(yōu)化后進(jìn)、出口端截面靜壓（單位: Pa）

表5 優(yōu)化后截面A與截面B的流量（單位：L/h）

上述流線圖為水流在熱交換器管路內(nèi)的直觀表現(xiàn)，下面對(duì)進(jìn)口、出口端截面靜壓以及并聯(lián)水管的兩個(gè)截面的流量進(jìn)行計(jì)算，從具體數(shù)字來反應(yīng)管路內(nèi)水路流速分布情況。

從上面計(jì)算結(jié)果可看出：截面A的流量是截面B的約1.51倍，這表示頂部管道的流速比中間管道的流速要快。針對(duì)上述出現(xiàn)的情況，要對(duì)換熱管并聯(lián)水路部分的水路阻力分配進(jìn)行優(yōu)化調(diào)配，通過對(duì)側(cè)封板上的連接并聯(lián)水路的壓包形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過改變壓包形狀來使并聯(lián)水路的各個(gè)分水路的阻力進(jìn)行均勻分配，對(duì)優(yōu)化后的方案再進(jìn)行CFD仿真模擬計(jì)算，如圖4水路流線圖所示。

從圖4的流線圖可以直觀看出管道內(nèi)的流線比較均勻，水流從進(jìn)口端到出口端全程水流流線都呈現(xiàn)出均勻分布。上述流線圖為水流在熱交換器管路內(nèi)的直觀表現(xiàn)，下面對(duì)進(jìn)口、出口端截面靜壓以及并聯(lián)水管的兩個(gè)截面的流量進(jìn)行計(jì)算，從具體數(shù)字來反應(yīng)管路內(nèi)水路流速分布情況，具體如表4和表5所示。

通過CFD仿真計(jì)算后結(jié)果如下：

從改進(jìn)后仿真模擬結(jié)果可看出：截面A和截面B上的流量已趨于均勻一致性，兩者差值可或略不計(jì)，截面A的流量是截面B的約1.02倍，較原來的1.51倍有本質(zhì)的改進(jìn)，兩者流量基本在同一數(shù)量級(jí)。而進(jìn)出口的壓差為8 576 Pa，與原來的8 508 Pa相比，改進(jìn)后的進(jìn)出口壓差有所增大，但增加數(shù)量級(jí)很小。通過仿真表明改進(jìn)管道阻力大小對(duì)水路流量均勻分布有較大影響。

3 結(jié)論

1）不銹鋼換熱器在燃?xì)鉄崴魃蠎?yīng)用具有可行性，在同等換熱量下，橢圓換熱管相對(duì)圓形的有更好換熱效果。

2）通過對(duì)不銹鋼熱交換器的水路進(jìn)行CFD模擬分析，改進(jìn)后的模型中并聯(lián)水路中的流量分配較原模型有本質(zhì)性改善，表明通過改變水路管道截面來調(diào)整通道阻力大小，對(duì)流量分配改善有積極作用。

3）通過提高換熱系數(shù)，能有效的提高換熱器的換熱效果，可通過減少熱交換片的高度，增大單位體積的換熱管的換熱面積，即可使熱交換器高效換熱。