史 鐸 李新學(xué) 劉 強

（廣東萬和新電氣股份有限公司 順德 528305）

引言

近年來各種原材料的價格大幅上漲，尤其是銅材料，原材料價格漲幅在（15～20）%。因為銅具有優(yōu)良的耐腐蝕性能和高效的導(dǎo)熱性能，所以銅成為整個燃氣熱水器行業(yè)最為推崇的熱交換器材質(zhì)。而熱交換器是對燃氣熱水器整機成本影響最大的零部件，也是影響燃氣熱水器整機性能的核心零部件。鑒于目前國內(nèi)外市場銅價居高不下的局勢，各大燃氣熱水器生產(chǎn)廠家對熱交換器高能效、低成本的需求就顯得極為迫切。在降低材料用量的基礎(chǔ)上又提高熱交換器的換熱效率，這就需要對熱交換器的翅片結(jié)構(gòu)進行一系列的優(yōu)化。

1 翅片結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)

燃氣熱水器工作時，固定在銅管上的翅片以及部分裸露的管外壁通過吸收高溫?zé)煔庵械臒崃?，將熱量傳?dǎo)至銅管內(nèi)壁，這一過程主要是熱對流和熱輻射換熱；傳導(dǎo)至銅管內(nèi)壁的高溫再以熱傳導(dǎo)的形式將高溫傳導(dǎo)至管內(nèi)的低溫流體，通過熱對流、熱輻射、熱傳導(dǎo)三種熱傳遞相結(jié)合的方式以此來實現(xiàn)燃燒換熱。分別寫出這三個過程的傳熱量表達式[1]，根據(jù)能量守恒定律，每一個過程在單位時間內(nèi)傳遞的熱量相等，因此整理可得：

其中：

式中：

A—換熱面積；

tf1—高溫流體溫度；

tf2—低溫流體溫度；

α1—高溫流體對內(nèi)壁的換熱系數(shù)；

α2—外壁對低溫流體的換熱系數(shù)；

δ—壁厚；

λ—金屬壁的導(dǎo)熱系數(shù)；

對于燃氣熱水器而言，翅片管常用銅材料制作，且銅材料具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)λ，相對于其他材料具有較低的導(dǎo)熱熱阻。若要使對流熱阻降低較低，可以嘗試增大換熱面積A和對流換熱系數(shù)α。對于管外流體換熱，通過增加翅片數(shù)量來增加換熱面積，但是翅片數(shù)量的增加又嚴(yán)重影響到了產(chǎn)品的成本，因此，為了降低產(chǎn)品的成本，只能對翅片的結(jié)構(gòu)進行改動以此來增強對流換熱系數(shù)α。

2 翅片結(jié)構(gòu)設(shè)計仿真邊界條件設(shè)定以及數(shù)據(jù)計算

通常評價一種翅片結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)劣時，我們主要關(guān)注的在以下幾點：

1）翅片的換熱效率；

2）翅片表面的溫度分布；

3）翅片結(jié)構(gòu)對高溫?zé)煔饬魉俚挠绊懀?/p>

4）翅片堆疊形成的煙氣流通腔內(nèi)煙氣進口和出口的壓力差值，即翅片間的風(fēng)阻。

想要在幾種不同結(jié)構(gòu)的翅片中找出性能最優(yōu)的一種，一般需進行CFD仿真模擬計算，通過仿真分析找出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)趨勢，然后再著重對這種結(jié)構(gòu)的翅片進行細化改進，直至滿足產(chǎn)品的性能需求。

2.1 仿真邊界條件的設(shè)定

熱交換器的設(shè)計熱負荷為25 kW，水流量為13 L/min，過剩空氣系數(shù)為1.8，煙氣成分的體積分?jǐn)?shù)（二氧化碳5.51 %、水蒸氣11.03 %、氧氣8.82 %、氮氣74.64%），煙氣溫度為1 685 ℃，入口煙氣速度為3.86 m/s ，湍流模型采用k-w SST模型。水管側(cè)的對流換熱系數(shù)采用Dittus-Boelter[2]公式計算得到

式中：

μf—流體溫度為tf時的流體動力粘度，N·s/m2；

μw—壁溫為tw時的流體動力粘度，N·s/m2。

2.2 翅片結(jié)構(gòu)分析及仿真數(shù)據(jù)計算

因為現(xiàn)有翅片結(jié)構(gòu)在批量生產(chǎn)時表現(xiàn)出的換熱效率余量和煙氣中有害氣體的排放濃度均不是很好，故首先對現(xiàn)有翅片結(jié)構(gòu)進行了仿真分析，希望通過仿真分析找出現(xiàn)有翅片在結(jié)構(gòu)上存在的不足，仿真煙氣流速云圖如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有翅片Case0煙氣流速云圖

通過上圖的煙氣流速云圖可以看出，現(xiàn)有翅片結(jié)構(gòu)，高溫?zé)煔庠诠苤艿臒煔饬魉佥^高，而且還可以很明顯的看出，管后部幾乎無煙氣分布，高溫?zé)煔庠诠苤猩喜恳呀?jīng)與銅管出現(xiàn)了分離。

高溫?zé)煔馀c熱交換器的主要換熱方式為對流換熱，管前迎風(fēng)面是翅片管的主要換熱區(qū)域，此區(qū)域可設(shè)計不同的結(jié)構(gòu)來增強對高溫?zé)煔獾臄_動，以此來強化此區(qū)域的換熱。常規(guī)結(jié)構(gòu)的圓形翅片管，煙氣繞過管中部以后易產(chǎn)生分離現(xiàn)象[3]，因此管中后部換熱會相對比較薄弱。如果對管中后部的換熱進行強化，是否會帶來較好的換熱轉(zhuǎn)化，于是便對現(xiàn)有翅片結(jié)構(gòu)在管前和管后部的換熱區(qū)域進行了如下幾種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與仿真分析，仿真計算結(jié)果如表1。

表1 不同結(jié)構(gòu)翅片仿真計算數(shù)據(jù)

從壓力損失計算數(shù)據(jù)可以看出原始方案Case0壓力損失最大，壓力損失的提高會造成空氣流速的升高，四個方案中，原始方案的空氣流速也是最高的，煙氣流速高會使煙氣與翅片壁面之間的傳熱溫差降低，導(dǎo)致?lián)Q熱效率下降[4]，因此，四種結(jié)構(gòu)方案中Case0原始結(jié)構(gòu)方案的換熱效率也是最低的。

三種改進結(jié)構(gòu)煙氣流速云圖如圖2所示，從圖中可以看出，通過設(shè)置不同的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，可以使熱交換器的管中上部甚至管后部都有煙氣流場分布，煙氣流淌至管中后部，可以強化管后部的換熱強度。

圖2 三種新結(jié)構(gòu)翅片煙氣速度云圖

2.3 工藝結(jié)構(gòu)改進

綜合對比四種結(jié)構(gòu)方案的各項數(shù)據(jù)，Case3作為最優(yōu)方案，根據(jù)現(xiàn)有翅片的生產(chǎn)加工工藝，對Case3進行了工藝改進，將管上部翻邊圓孔改為爆炸孔，V型翻邊處做工藝切口處理，修改如圖3所示，仿真分析結(jié)果如表2。

表2 case3.1仿真計算數(shù)據(jù)

改為爆炸孔，增加工藝缺口后，通過煙氣流速云圖，可以看出高溫?zé)煔鈴娜笨谔幜魇л^多，導(dǎo)致翅片與高溫?zé)煔庵g的換熱不夠充分，從而降低了整體的換熱效率，于是又對翅片上部的V型翻邊和頂部翻邊孔就行了修改，將V型翻邊高度從1.8 mm增加到1.9 mm，延長高溫?zé)煔庠诔崞g的停留時間；將V型翻邊向下移動1 mm，使翻邊的延長線與圓管孔頂部的兩個圓臺狀翻邊孔相切，目的是通過V型翻邊將高溫?zé)煔庖龑?dǎo)至水管的后部，強化管后部的換熱；將圓管頂部的爆炸孔改為上小下大的圓臺狀翻邊孔，減小工藝生產(chǎn)難度，修改后結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 Case3.2

從煙氣流速云圖可以看出，本次修改結(jié)構(gòu)后，高溫?zé)煔獾姆植紡娜笨谔幜魇л^少，向下移動V型翻邊后，該煙氣導(dǎo)流結(jié)構(gòu)將高溫?zé)煔庀蚬芎蟛恳龑?dǎo)聚攏，強化了管后部的換熱，換熱效率隨之提升，而且壓力損失與原始翅片相比減少僅9 %，因此不必擔(dān)心在現(xiàn)有產(chǎn)品上切換使用新結(jié)構(gòu)翅片時出現(xiàn)翅片間阻力過小，同種轉(zhuǎn)速的風(fēng)機運轉(zhuǎn)導(dǎo)致高溫?zé)煔饬魇н^快的情況發(fā)生。

3 樣機測試

3.1 整機常規(guī)性能測試

從上述仿真計算數(shù)據(jù)可以看出Case3.2各項仿真性能數(shù)據(jù)均滿足指標(biāo)需求，于是對Case3.2方案進行了手板試制與產(chǎn)品性能測試，測試數(shù)據(jù)如表4。

表3 case3.2仿真計算數(shù)據(jù)

表4 試驗測試數(shù)據(jù)對比

對比表中仿真和實際測試翅片的換熱效率，兩者之間較為接近，驗證了仿真邊界條件制定的合理性；實測翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后單臺水箱質(zhì)量下降了70 g，批量生產(chǎn)時，降本成果明顯；優(yōu)化后換熱效率提升了2 %，排放煙氣中的有害氣體濃度也得到了明顯的改善，可以滿足燃氣熱水器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的需求，且相較于現(xiàn)有國家生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，余量較大，提高了批量生產(chǎn)時產(chǎn)品的合格率。

3.2 熱交換器表面溫度對比測試

此外需要注意的是，翅片兩側(cè)是貼合熱交換器前后壁面的，不能讓這一部分的溫度過高，否則會使熱交換器表面發(fā)生變色，時間久了可能會出現(xiàn)熱交換器被燒穿的隱患。將手板試制的熱交換器和原始方案的熱交換器表面相同位置取6個測溫點（如圖5所示），在同等條件下運行燃氣熱水器對其表面溫度進行了對比實驗測試，測試結(jié)果如圖6所示。

圖5 熱交換器表面溫度分布點

圖6 表面溫度對比測試

從表5中數(shù)據(jù)可以看出本優(yōu)化結(jié)構(gòu)Case3.2翅片組裝的熱交換器，每一測溫點的表面溫度都低于現(xiàn)有翅片結(jié)構(gòu)的表面溫度，因此本優(yōu)化翅片結(jié)構(gòu)可滿足生產(chǎn)需求。

4 結(jié)論

本文通過一系列的翅片結(jié)構(gòu)改進，通過仿真分析找出最優(yōu)的翅片結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了在較少的原材料使用量上獲得換熱效率余量更大、煙氣有害氣體排放濃度更低的熱交換器翅片結(jié)構(gòu)，得出結(jié)論如下：

1）通過在翅片上設(shè)計不同的煙氣導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)將高溫?zé)煔庖龑?dǎo)至熱交換器水管的中后部，增大此區(qū)域的換熱強度，提升熱交換器的整體換熱效率；

2）管前部分是熱交換器的主要換熱區(qū)域，增大此區(qū)域的換熱面積或增大擾流強度，可以提升熱交換器的換熱效率；

3）在翅片上設(shè)計不同的擾流結(jié)構(gòu)，可以破壞流體邊界層的累積，降低煙氣的流阻；

4）熱交換片兩側(cè)應(yīng)保留較少的換熱面積，加快高溫?zé)煔獾牧魉?，減少此處熱交換片的吸熱，可降低熱交換器在翅片外壁貼合處的表面溫升。