燃气采暖热水炉翅片式不锈钢换热器的研究与验证

梁展程 杨茂林

（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528325）

引言

目前在燃气采暖热水炉的行业内，换热器的材质以铜为主。因铜具有优良的导热性、延展性、可塑性，铜质换热器被广泛应用。但由于随着能源资源的不断减少，铜价在不断攀升，因此采用价格相对低廉的不锈钢材质换热器成为行业的发展趋势。近几年不锈钢换热器在全预混燃气采暖热水炉上应用的情况较多，而在常规燃气采暖热水炉上的应用的情况较少，正式推向市场的不锈钢换热器常规燃气采暖热水炉很少。因此，对不锈钢换热器进行研究是非常有必要的，本文正是以一种翅片式不锈钢换热器作为对象展开研究与验证，为后期应用于常规燃气采暖热水炉上提供参考价值。

1 研究方法

1.1 理论分析

换热主要是通过传导、对流、辐射三种形式来实现，由于燃气采暖热水炉换热器没有换热箱体和换热盘管，高温烟气的热辐射吸收较少，可忽略不计。因此，本文主要针对热传导与对流两种形式进行探讨。

在换热的计算过程中，高温烟气与换热器进行换热的计算公式如下：

式中：

Q—对流换热量；

K—对流换热系数；

△T—温差；

A—换热面积。

在公式（1）中，△T为定值，要提升Q可通过增大K和A来实现，而增大A可通过增加翅片数量来实现，对流换热系数K的计算公式如下：

式中：

α1—水与传热管的对流换热系数；

δ—传热管壁厚；

λ—导热系数；

α2—烟气与翅片的对流换热系数。

在公式（2）中，设定管壁厚度不变，δ为定值，λ为材料固有特性，也为定值，要增大K可通过增大α1与α2来实现，而增大α1可通过管内增加扰流片的方法实现，增大α2可通过优化翅片结构的方法来实现。综上所述，本文着重从增大换热面积、增大管内水体扰流、优化翅片结构的方向来设计换热器。

1.2 结构设计及数值模拟分析

1.2.1 结构设计

综合以上的理论分析，对不锈钢换热器进行设计，具体方法为保证降本的前提下适当增加翅片数量，增大换热面积；在换热管内增设扰流片，增大管内水体扰流，增加换热量；对翅片结构进行优化设计，提升换热能力。不锈钢换热器结构与翅片结构如图1、图2所示。

图1 不锈钢换热器结构图

图2 翅片结构

1.2.2 数值模拟设置

主要设置如下：

1）烟气入口设为速度入口，进气速度大小及温度见表1；

表1 换热器对应功率、烟气参数

2）烟气出口设为压力出口，静压大小设为0 Pa；

3）打开能量方程，湍流模型采用sst k-w模型；

4）水管的内壁设为对流壁面条件，特征温度与对流系数的设置见表2；

表2 各管道温度与对流系数

5）对流系数是基于水流量采用Dittus-Boelter公式进行计算。

1.2.3 计算结果

经以上数值模拟设置后，计算得到（中间截面的）烟气温度云图、速度云图、速度矢量图如图3～5所示，翅片温度云图、表面热流量云图如图6、图7所示。

图3 烟气温度云图（单位：℃）

图4 烟气速度云图

图5 烟气速度矢量图（局部）

图6 翅片温度云图（单位：℃）

图7 翅片表面热流量云图

高温烟气流经换热器后的压损、出口平均烟温、管道换热功率如表3、表4所示。

表3 压损与出口平均烟温

表4 管道换热功率

由计算结果可知，按照设定的热输入，假设高温烟气均匀流经至各翅片，换热效率可达90.1 %。

2 翅片式不锈钢换热器与翅片式铜换热器对比实验验证

以同一台额定功率为20 kW的燃气采暖热水炉为载体，分别装上翅片式不锈钢换热器与翅片式铜换热器，测试对比两种换热器的性能。实验条件为环境温度27.5 ℃，大气压102 kPa，空气湿度57 %，试验气为12 T天然气，燃气温度28 ℃。实验设备包括能效测试台、微压计、变源电源、烟气分析仪等。

2.1 换热效率测试

换热效率是检验换热器换热性能的重要指标，依据GB 25034-2020《燃气采暖热水炉》与GB 20665-2015《家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级》的要求，额定热负荷供暖热效率≥89 %，30 %额定热负荷供暖热效率≥85 %，额定热负荷热水热效率≥89 %，50 %额定热负荷热水热效率≥85 %，装上翅片式不锈钢换热器与翅片式铜换热器的燃气采暖热水炉针对换热效率的测试数据如表5所示。

表5 装有不锈钢换热器与铜换热器的燃气采暖热水炉的换热效率

实验数据表明，装有翅片式不锈钢换热器与翅片式铜换热器的燃气采暖热水炉的各状态下热效率相近，换热性能良好，满足国家标准要求。

2.2 耐久测试

参照CJ/T 469-2015《燃气热水器及采暖炉用热交换器》条款7.9.2.1对翅片式不锈钢换热器做耐烟气腐蚀测试。测试表明，在3个月耐久测试后，翅片式不锈钢换热器没有出现翅片烧蚀、碳化问题现象，密封性良好，如图8所示。再将其安装于机器进行整机热效率测试，额定热负荷供暖热效率为90.1 %，30 %额定热负荷供暖热效率为85.8 %，额定热负荷热水热效率为90.2 %，50 %额定热负荷热水热效率为85.5 %，与耐久测试前的热效率对比，换热性能偏差不大。

图8 耐久测试后换热器外观

3 结论

本文以一种翅片式不锈钢换热器作为研究对象，通过对换热器的换热原理分析，继而进行结构设计及数值模拟分析，最后进行实验验证，总结观点如下：

1）经合理设计后的翅片式不锈钢换热器通过数值模拟分析与实验验证，数据表明换热器换热性能良好，各状态下的热效率均满足GB 25034-2020《燃气采暖热水炉》与GB 20665-2015《家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级》的要求

2）翅片式不锈钢换热器经过耐久测试，满足CJ/T 469-2015《燃气热水器及采暖炉用热交换器》的要求，耐腐蚀性强，适应燃气采暖热水炉的使用环境。

3）应用于燃气采暖热水炉的翅片式不锈钢换热器各项指标均符合要求，可替换铜换热器，降低整机成本，提高整机竞争力。