張錦梁 余浩倫

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

前言

現(xiàn)有的全預(yù)混冷凝式換熱器材質(zhì)主要有鑄鋁和不銹鋼兩種類型，其中家用熱水設(shè)備中以不銹鋼冷凝式換熱器居多。目前常見的全預(yù)混冷凝式換熱器換熱管大多為不銹鋼盤管式結(jié)構(gòu)，如圖1、圖2 所示。這兩類換熱器的共同特點在于，它們的換熱管間隙即煙氣換熱通道， 設(shè)置得非常狹小。在有限換熱面寬度上，只有當(dāng)煙氣換熱通道足夠狹窄，才能保證高溫?zé)煔饴舆^時，不會產(chǎn)生過厚的流體邊界層和偏差懸殊的溫度梯度，從而實現(xiàn)煙氣與換熱管的高效換熱。但從其實際應(yīng)用的綜合表現(xiàn)來看，在我國部分空氣環(huán)境惡劣、燃氣含硫雜質(zhì)較多的區(qū)域，該類型換熱器煙氣側(cè)容易被燃燒后的雜質(zhì)生成物、灰塵及冷凝水等多因素相互作用，產(chǎn)生污垢堵塞煙氣換熱通道，導(dǎo)致煙氣側(cè)換熱效率降低。目前，需要定期對換熱管進行較頻繁的清洗維護，以保持換熱管的換熱面光潔，尚無其他較為完善的解決方案。頻繁的養(yǎng)護周期也帶來了較高的養(yǎng)護成本。

圖1 不銹鋼螺旋扁盤管

圖2 不銹鋼螺旋圓盤管

因此，圍繞全預(yù)混冷凝式熱交換器防堵性能和熱效率提升兩方面內(nèi)容，通過結(jié)構(gòu)上的組合調(diào)整，以螺旋扭曲扁管管束作為冷凝管芯，結(jié)合不銹鋼翅片盤管，對燃氣熱水設(shè)備的換熱器整體結(jié)構(gòu)進行了新組合設(shè)計，并通過實驗室進行整機匹配作了防堵模擬及換熱性能試驗研究，以驗證新設(shè)計冷凝換熱器結(jié)構(gòu)的合理性。

1 冷凝換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 組合式冷凝換熱器結(jié)構(gòu)

針對當(dāng)前存在的堵塞腐蝕問題，圍繞冷凝換熱器防堵性能、高效換熱兩個性能要點，對換熱器進行了新的組合設(shè)計，如圖3 所示。該換熱器結(jié)構(gòu)上采用“不銹鋼螺旋翅片盤管+螺旋扭曲扁管管芯”的縱軸組合形式，其中不銹鋼螺旋翅片盤管（內(nèi)含螺旋擾流條）為高溫換熱段，變截面螺旋扭曲扁管管芯為低溫換熱段。

該換熱器基于全預(yù)混燃燒方式進行設(shè)計，采用鼓風(fēng)式全預(yù)混燃燒頭，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庀冉?jīng)過不銹鋼螺旋翅片盤管換熱，隨后均勻分流進入變截面螺旋扭曲扁管管芯，在冷凝換熱段煙氣進入管芯螺旋扭曲扁管內(nèi)壁走管程，被加熱的工質(zhì)水則在管外進行折流走殼程完成冷凝換熱，隨后再轉(zhuǎn)入螺旋翅片盤管。

變截面螺旋扭曲扁管管芯屬于火管式換熱元件，包括：外殼體和螺旋扭曲扁管管束，螺旋扭曲扁管管束上設(shè)有折流板，螺旋扭曲扁管外壁之間為工質(zhì)水的流動通道，螺旋扭曲扁管內(nèi)壁為煙氣通道，每一條螺旋扭曲扁管就是一個獨立的傳熱元件。

該換熱器主要特點在于：將變截面螺旋扭曲扁管引入設(shè)計，在低溫段采用管殼式螺旋扭曲扁管冷凝管芯，發(fā)揮螺旋扭曲扁管結(jié)構(gòu)上的紊流強化換熱作用和旋流沖刷抗堵塞性能，傳熱管內(nèi)壁不易形成液膜或污垢阻礙換熱，其速度場和溫度場能夠高度協(xié)調(diào)，從而在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)水-氣雙側(cè)高效換熱、不易堵塞的性能特點。螺旋扭曲扁管冷凝管芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 冷凝管芯結(jié)構(gòu)

1.2 換熱單元結(jié)構(gòu)參數(shù)

該換熱器預(yù)期設(shè)計的熱負荷指標為35 kW，換熱由螺旋翅片盤管換熱單元與螺旋扭曲扁管換熱單元兩部分完成，換熱單元拆解如圖5 所示。各換熱單元首次設(shè)定的結(jié)構(gòu)參數(shù)參見表1。

圖5 換熱單元分解示意圖

表1 換熱單元結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 試驗與分析

2.1 試驗設(shè)備與條件

試驗設(shè)備：冷凝式燃氣采暖熱水爐樣機、燃氣采暖熱水爐整機試驗臺、熱電偶溫度計。

試驗條件：使用12 T 天然氣，燃氣壓力2 000 Pa，環(huán)境溫度21.5 ℃，大氣壓力101.3 kPa，燃氣溫度21.5 ℃。

冷凝式燃氣采暖熱水爐作為載體樣機，將本文所述冷凝換熱器安裝于其內(nèi)，進行防堵塞性能、換熱效率測試，并按GB 25034-2020《燃氣采暖熱水爐》所要求進行采暖爐安裝測試。

2.2 防堵性能試驗

2.2.1 試驗方式

在實驗室基礎(chǔ)條件下，考慮到現(xiàn)有全預(yù)混燃燒冷凝式熱交換器煙氣側(cè)在空氣惡劣、燃氣雜質(zhì)復(fù)雜的環(huán)境中容易結(jié)垢阻塞的現(xiàn)實情況，試驗以模擬煙氣側(cè)風(fēng)沙粉塵條件為主，試驗過程中在空氣供給端摻雜一定比例的沙塵，形成風(fēng)塵條件；在氣源端使用摻雜一定比例H2S 的天然氣。注意適度模擬條件，不能致使機器故障停機，其余設(shè)備按正常條件運行。按上述條件持續(xù)試運行一周，觀察整機運行情況。

2.2.2 試驗結(jié)果分析

經(jīng)過試運行一周時間后，拆解各換熱單元檢查內(nèi)部情況。從拆解觀察的情況來看，換熱器經(jīng)模擬沙塵條件試運行測試后，無論是螺旋翅片管還是螺旋扭曲扁管冷凝管芯，煙氣側(cè)表面并無出現(xiàn)積垢堵塞現(xiàn)象，都保持了相對整潔的換熱表面。圖6 為燃燒測試后的螺旋翅片盤管，圖7 為冷凝管芯底部的排煙集水盤。

圖6 螺旋翅片管

圖7 排煙集水盤

拆解檢查分析的情況與預(yù)期相符，沒有出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，初步印證換熱單元的結(jié)構(gòu)特點具備其合理性。如圖6 螺旋翅片盤管，其內(nèi)圈包圍燃燒器形成燃燒腔，高溫?zé)煔馑闹軝M掠過翅片及盤管表面，在合理的翅片間距下，煙氣可高速沖刷翅片管表面，防止污垢停留淤積，實現(xiàn)高效對流換熱。當(dāng)煙氣到達螺旋扭曲扁管時，仍具備較高的流速進入各條螺旋扭曲扁管。煙氣在扭曲管內(nèi)不斷形成紊流向下沖刷換熱扁管，將煙氣中的雜質(zhì)污垢隨冷凝水在重力加持下一并快速向下沖刷帶走，有效防止積垢產(chǎn)生。如圖7 排煙集水盤所示，大量的雜質(zhì)污垢可被有效沖刷下來，匯集于底部的冷凝水集水盤處，說明螺旋扭曲扁管冷凝管芯很大程度上可實現(xiàn)合理的防堵自清洗作用，保證換熱管的換熱效率。

2.3 換熱性能試驗

2.3.1 試驗方式

按照GB 25034-2020 中第7.7 項要求的熱效率試驗方法，在相應(yīng)熱負荷下分別測試燃氣采暖熱水爐采暖、熱水狀態(tài)下的熱效率，同時檢測排煙溫度和觀察冷凝水情況。

2.3.2 試驗結(jié)果分析

按所述標準7.7 條款熱效率試驗要求進行測試，相關(guān)測試數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 載體樣機熱效率測試數(shù)據(jù)

試驗分析：通過測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，本文所述換熱器基本能滿足GB 20665-2015 中的冷凝式燃氣采暖熱水爐的能效要求。由測試數(shù)據(jù)分析可知，在采暖狀態(tài)50 ℃/30 ℃和生活熱水狀態(tài)下，載體樣機熱效率相對較高，而在采暖狀態(tài)80 ℃/60 ℃時，樣機熱效率則相對較低。這是由于在采暖狀態(tài)50 ℃/30 ℃這類運行狀態(tài)時，系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)回水水溫相對較低，煙氣與換熱器容易發(fā)生冷凝換熱，煙氣側(cè)可釋放潛熱產(chǎn)生大量冷凝水，熱效率相對較高；在采暖狀態(tài)80 ℃/60 ℃時，系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)回水溫度較高，煙氣與換熱器不發(fā)生冷凝換熱，排煙溫度較高，故而使得熱效率相對較低，幾乎無冷凝水產(chǎn)生。

總體而言，該型換熱器基本符合冷凝式熱交換器性能要求，但試驗數(shù)據(jù)相對目前現(xiàn)有成熟的全預(yù)混冷凝式熱交換器來說，其熱效率還是相對較低。在換熱面上，綜合的有效換熱面積其實已經(jīng)足夠，但從數(shù)據(jù)看依然有待優(yōu)化改善。

3 性能提升與優(yōu)化措施

試驗過程中，試驗樣機主要體現(xiàn)出兩個方面不足：一是采暖水循環(huán)系統(tǒng)水阻偏大，搭載的揚程水泵循環(huán)動力表現(xiàn)不足；二是各負荷下熱效率仍然偏低，排煙溫度仍相對較高，煙氣流出過快，冷凝換熱量小。下面就可能存在的不足進行分析改進并驗證。

首次試驗選型搭載的7 m 循環(huán)水泵運行起來動力匹配不足，系統(tǒng)循環(huán)水流量稍微偏小，容易導(dǎo)致超溫熄火保護。該換熱器整體上因為采用立式結(jié)構(gòu)，螺旋扭曲扁管外壁的水流需克服重力繞流向上，折流阻力比傳統(tǒng)換熱器大，而且高溫段的螺旋翅片盤管內(nèi)加裝了螺旋擾流條，加上兩個換熱單元間轉(zhuǎn)接頭的局部阻力，使得換熱器的循環(huán)水阻力問題突出明顯。顯然，這是水循環(huán)動力與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)間的匹配問題，需要從循環(huán)水泵動力選型及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上去改善優(yōu)化。其次，通過測量螺旋扭曲扁管管芯外殼體進水口及中轉(zhuǎn)接口處水溫，發(fā)現(xiàn)在冷凝段水溫提升能力偏低。檢查螺旋扭曲扁管結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，在前述設(shè)計尺寸下的單根扭曲扁管扭轉(zhuǎn)成型后中心還存在較大豎直可視的中心通孔，管芯扭曲扁管扭曲通道偏大。換言之，煙氣在螺旋扁管中只有部分與螺旋扁管進行了紊流接觸，另一部分未與傳熱管壁接觸便從中心通孔向下排出。對此，需要改善煙氣與換熱管間的湍流接觸，比如可進一步把扭曲扁管扁小化并重新優(yōu)化各尺寸參數(shù)，或者可以采取快速手段，在螺旋扭曲扁管內(nèi)增加合適的煙氣擾流件。

為快速測試驗證所述問題及改進優(yōu)化的方向，避免長時間的重新做樣時間，在改進試驗中簡要做了如下測試措施：

1）循環(huán)泵選型上換用大揚程循環(huán)水泵以提升循環(huán)動力。

2）換熱單元間改用圓弧形轉(zhuǎn)接頭轉(zhuǎn)接以改善局部阻力。

3）針對冷凝段煙氣過快逸出問題在扭曲扁管內(nèi)加裝螺旋擾流條，縮小煙氣流動間隙以使煙氣與換熱扁管間形成雙重螺旋擾動。

按前述測試要求進行整機匹配重新測試熱效率，表3 是優(yōu)化后的載體樣機測試數(shù)據(jù)。

表3 優(yōu)化后載體樣機熱效率測試數(shù)據(jù)

通過對比改進前、改進后的測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，改進后的換熱器熱交換效率提升，換熱性能得到明顯提升。這說明前述問題點的改進措施具有一定的指導(dǎo)可行性，可遵循這些問題指向針對諸如翅片高度、盤管管徑、管芯扭曲扁管結(jié)構(gòu)參數(shù)及扭曲管的組織排布情況等，在后續(xù)優(yōu)化設(shè)計過程中繼續(xù)做細致的研究試驗，以確定最佳的結(jié)構(gòu)布置參數(shù)。

4 結(jié)論

本文以螺旋扭曲扁管管束作為冷凝管芯，結(jié)合不銹鋼翅片盤管，對全預(yù)混冷凝式換熱器結(jié)構(gòu)進行了新的組合設(shè)計，并通過實驗室搭載整機匹配運行作了防堵模擬及換熱性能試驗研究。經(jīng)過試驗分析得出以下結(jié)論：

1） 本文提供的組合式冷凝換熱器能有效提升防堵塞能力，可一定程度上提高冷凝換熱器在不同區(qū)域環(huán)境條件下的可靠性和穩(wěn)定性。

2）該組合式冷凝換熱器可實現(xiàn)高效的冷凝換熱，應(yīng)用于整機設(shè)備匹配運行能滿足冷凝式燃氣采暖熱水爐一級能效，符合產(chǎn)品能效要求。

3）該組合式冷凝換熱器相較于傳統(tǒng)大氣式燃燒機型產(chǎn)品的主換熱器，其結(jié)構(gòu)上存在較大的系統(tǒng)水阻力，應(yīng)用于整機產(chǎn)品時需要在結(jié)構(gòu)上注意優(yōu)化阻力設(shè)計并匹配合適的動力循環(huán)泵，確保換熱工質(zhì)合理的流速，保證冷凝換熱器在合理的工況下運行。

4）該換熱器的冷凝管芯扁管結(jié)構(gòu)尺寸及管間布置對水流、尤其是煙氣側(cè)的湍流換熱效果起關(guān)鍵決定作用，設(shè)計過程中需要做好冷凝管芯煙氣側(cè)的擾流優(yōu)化，保證水-氣雙側(cè)流體形成良好的湍流組織，如此才能充分發(fā)揮其抗堵、高效的優(yōu)勢性能。