Bas Technolog丨燃气技术doi:10.3969/j.issn.1671-5152.2021.05.001
张建海1，陈玲辉2
2.浙江广涛卫厨有限公司
摘 要：由于焊接工艺的提升、市场因素的影响，不锈钢热交换器在燃气具领域日益增多本文对燃气采暖热水炉不锈钢热交换器进行了设计计算，从外形尺寸匹配选择、吸热片与吸热管 参数确定、最小烟气面积验证等方面进行了优化—采用模拟软件模拟了不锈钢热交换器的
温度场和流场，并对不锈钢热交换器与无氧铜热交换器进行了对比测试模拟结果表明：
不锈钢材质可满足材料长期工作需求和设计最高极限温度需求，热交换器整体温度基本均
匀，吸热片设计可达最大使用效应，热交换器流道流量基本均匀测试结果表明：不锈钢
热交换器的产品重量和热效率基本与无氧铜热交换器一致，不锈钢热交换器压力损失偏
小，耐久试验后热交换器无任何可视变形及影响燃烧的情况发生本文验证了不锈钢热交
换器替代紫铜热交换器的可行性_
关键词：燃'采暖热水炉；不绣钢热父换器；结构设计；PRO/E模拟；Solidworks模拟；测试验证
1热交换器原邱简述
在燃气采暖热水炉（以下简称采暖炉）中，热交 换器吸收燃烧烟气中的热量，并转移给热交换器结构 中的循环水。热交换系统设计的核心是对吸热因素、热转移因素进行分析计算。
影响热量吸收的主要因素包括热源和吸热介质。采暖炉的热源为燃气燃烧产生的热量，主要分为两部 分：一部分是燃烧释放的烟气产生的热量，另一部分 是燃烧的火焰辐射，两者占比与燃烧方式有关。有焰 燃烧，烟气对流为主、辐射为辅；无焰（红外）燃烧 时辐射占比会大幅上升。采暖炉燃烧热交换为半封闭 系统结构，对外仅进气与排烟，且多为大气式燃烧，因此主要考虑对流传热。烟气的热量传输到接水侧的 多少由接触面积、接触时间及烟气温度场梯度等因 素决定d汽车杯
在热量传输过程中，必须保证吸热部位温度不 高于材料本身可能失效的温度。影响热量转换的关键 因素有3个：传导介质的热传导率、传导距离及传导 截面。热传导率由材料的物理特性决定，传导距离越 短，有效传递热量越多，传导截面越大，传导热量速 度越快。
传统采暖炉使用的热交换器多为紫铜热交换器，由于制造的工艺改进、市场经济因素等原因，不锈钢 热交换器相比紫铜热交换器，其使用性能和经济性优 势逐步体现出来。本文将围绕不锈钢热交换器的设计 与验证展开研究。
2 不锈钢热交换器设计
不锈钢热交换器的设计主要包括热交换器设计计 算、结构设计以及产品优化。
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燃气技术Gas Technology
2.1热交换器设计计算
设计计算包含换热管壁厚选择、换热管最小面积 核定、排烟通道计算和吸热面积计算。
(I )换热管壁厚选择
宕机检测按照Cj/T469-2015《燃气热水器及采暖炉用热 交换器》承压要求，并根据以下公式计算不锈钢换热 管的安全壁厚：
T s= PDt)/2a0-Pc( 1 )
式中7；—换热管的计算壁厚，mm;
P—设计压力（按标准要求取1.5)，MPa;
D〇一换热管外径，mm;
(J一设计温度下材料的许用应力，MPa;
0—焊接接头系数，无缝管取1;
巧一管内计算压力，MPa;桥型铰链
通常热交换器的管径为18mm，根据材料查得为 25MPa，管内压力取极限1.5，计算结果为0.56mm；取整后不锈钢换热管壁厚选取0.6mm。
(2 )换热管最小表面积核定
换热管最小表面积，可根据换热器稳定传热时换 热量公式计算：
A=Q/(K■A T)(2)
式中y4—换热面积，m2;
(?一总换热量，W;
A：—f专热系数，W/ (m2 •K);
47" —热物体与冷流体的平均传热温差，T：。
传热系数按以下公式计算：
K=X/S(3)
式中；I一管壁导热系数，W/(m.k);
S_管壁厚度，m;
以设计24kW的热交换器为例，排烟温度设定 120 T，出水温设定80丈，材质选定不锈钢，不锈钢 管壁导热系数取20W/ (m.k )；管壁厚度取0.6mm。计算得出传热系数K为33 333W/ (m2 •K )；则/\为 18 000 mm2，管子表面积至少大于计算所得的换热面 积4，即管子表面>18 000mm2。
(3 )排烟通道的计算
为保证烟气流通畅通，采暖炉烟气通道截面积应 为排烟管通道截面积的4倍以上。
A,=4A2(4)
式中A—米暖炉烟气通道最小截面积，m m2;
/^一排烟管通道截面积，m m2;
目前常用的排烟管的排烟通道直径为60mm，经 计算，器具烟气通道最小截面积4至少为11 300m m2。
(4 )吸热面积的计算
吸热是烟气把热量传导到热交换器的一个过程，吸热面积可按以下公式计算：
S=Q/ (h x A T)(5)
式中S_吸热面积m2;
//的值可以表示为：
h=NuxX/L(6)
式中一对流换热系数，W/ (m2 •K);
A—导热系数，近似取做空气的。
L一烟气与换热器平均接触距离；
队一努谢尔特数。
队值由下式决定：
N u=0664x[(v/(/,)2x Z5/ ](7)
式中v—运动粘度；
v,—烟气流速；
C一普朗特数。
烟气高温区温度选9001，排烟温度按120T，选吸热片距离2.6mm，平均导热距离L为0.65mm，常规热交换器烟气流速为1.8m/s〜2.8m/s，得出凡为 0.208; A值为91.2, S值为0.675m2。
2.2结构设计
结构设计包含热交换器外形尺寸匹配选择、吸热 片数量确定、吸热管数量设计、最小烟气面积验证、吸热片高度确定与吸热管高度设计。
(丨）热交换器外形尺寸rc配选择
结合目前市面上常规机型的热交换器，水平截面 宽度为180mm，长度230mm，吸热片厚度取0.3mm，间距取2.6mm，吸热管截面宽度取6mm，吸热管与吸 热管间距取6mm。
(2 )吸热片数量确定
吸热片数量按下式计算：
9P= L J d-\(8)
式中—吸热片数量，片；
4一交换器水平截面长度，mm;
rf—吸热片间距，mm。
计算所得吸热片数量4为87片。
2 丨城市燃气2021 /05总第555期
张建海等•燃气采暖热水炉不锈钢热交换器研究
(3 )吸热管数量设计 吸热管数量按下式计算所得：
9e =H r / (H ,+H 2)
(9)
式中&一吸热管数量，个；尽一交换器水平截面宽度，mm ;//，一吸热管截面宽度；一吸热管与吸热管间距。计算所得吸热管数量&为15个。
(4 )验证是否保证最小烟气通道截面积
A =Lrx H -9gxHl x L -(H -9gxH l ) x 9pxS ( 10)
式中4一最小烟气通道截面积，m m 2;
8一吸热片厚度，mm 。
计算所得面积为18 351mm 2，大于器具烟气通道 最小截面积为11 300m m 2。
(5 )吸热片高度与吸热管高度设计 按以下公式计算吸热片高度：
S =2Hr -B p -Z +(2 (Z -2Z ,-//, )+//,• ^) • Z.r • 9g -2(H r (Z -2Z ,-//,)+2--ji ) -9e -B p
(11)
式中吸热面积，m 2;
Z ,—吸热片突出吸热管距离，mm ;Z —吸热片高度，mm ;
根据换热面积〇.675m 2，选定吸热片凸出吸热管 距离2mm ，管子数量15个，吸热片124片为条件，可计算 获得吸热片高度29.7mm ，选吸热片高度为30mm ，吸热 管高度26mm 。
2.3吸热片形状优化设计
为使吸热片更好的吸收热量，对吸热片的形状按 照图1所示设计依次进行了优化。图中（1 )为按设计 获得的吸热片图形；（2 )为在（1 )基础上调整了高 温区吸热片形状，保证了高温区吸热片温度的均衡；
(3)为按工艺需求调整了上部形状，侧部因安装需 求，调整为折弯状态；（4)为考虑了烟气排放温度均
匀，将上部高度增加了2mm ; (5)为添加焊接工艺孔 后的图形。
图1吸热片设计优化过程
izo3 模拟及U 验验证
3.1模拟验证
(1 )温度场梯度模拟验证
使用工具软件PRO /E 对吸热片温度场梯度进行模 拟验证，其中边界条件为每张吸热片吸收功率〇.28kW , 吸热面以纵向均匀向上递减方式吸收，水温801。
图2为吸热片温度模拟图；根据模拟结果，最高 温度低于3001，满足材料长期工作需求，满足设计 最高极限温度需求；整体温度基本均匀，吸热片设计
图2吸热片温度模拟图
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燃气技术 Gas Technology
压损曲线
不锈钢样品 常规无氧镧
960 1 020
水汝a 〇/h >
达到最大使用效应
(2 )热交换器水流量均匀性模拟验证
使用工具软件Snlidvvorks 对热交换器整体进行 水流量均匀性进行模拟验证，其中边界条件为流量 17L /min 。图3为热交换器水流量均匀性模拟图，如图 所示流道流量基本均匀，满足设计需求
图3热交换器水流量均匀性模拟图
3.2检测验证
(1 )产品重量验证
以某型号24kW 采暖炉为例，经过计算不锈钢热 交换产品重量为2.1kg ，传统铜质交换器重量在2.1 kg 〜 2.3kg 之间。不锈钢换热器与传统铜质换热器重量基 本一致。
(2 )压损检测
选取相同结构形式的两种材质热交换器进行压损 测试，不锈钢热交换器压力损失偏小，产品符合设计 要求。图4为两种材质热交换器的压损曲线对比图。
(3 )热效率检测
在同一台采暖炉上分别对两种材质的热交换器进
行测试，测试结果见表1数据显示，两种材质下的 热效率仅相差0.32%，不锈钢材质热交换器可以达到 传统无氧铜热交换器的换热效果。
表1两种材质热交换器测试数据
(4 )寿命测试
对不锈钢热交换器进行耐久性测试，以最大 负荷进行启动、停止的循环测试，测试过程为运行 1mm ，停止lmin ，测试10万次。耐久试验结束后其外 观如图5所示，可以看出，耐久试验后热交换器无任 何可视变形及影响燃烧的情况发生。
4 结论
本文通过对燃气采暖热水炉不锈钢热交换器进行
图4两种材质热交换器的压损曲线对比图
产品规格
无氧铜热交换器
不锈钢热交换器
燃气压力kPa 2.01 2.03排烟温度t 121.7116〇2含量％10.110.2(：02含置％
6.18 6.12N 0X 含量ppm
47.242.5燃气温度T ；2828输人功率kW 27.5827.77供暖;li 水温度T ：79.879.7
供暖回水温度t 59.959.5
供暖水温差K
19.920.2供暖水流量L/min 18.02619.945输出功率kW 25.0125.28热效率％
90.7
91.0
3
文具盒生产过程
0^00
5
4 3 2 1
4
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期
张建海等•燃气采暖热水炉不锈钢热交换器研究
燃烧侧吸热片图片 烟气侧吸热片图片
图5耐久后外观图
理论设计计算，从外形尺寸匹配选择、吸热片数量确 定、吸热管数量设计、最小烟气面积验证、吸热片高 度确定与吸热管高度等方面进行了结构设计和产品优 化，采用模拟软件对不锈钢热交换器的温度场和流场 进行了模拟验证，并对不锈钢热交换器与无氧铜热交 换器进行了实际对比测试。
模拟结果显示，不锈钢材质能够满足材料长期T 作需求，满足设计最高极限温度需求，热交换器整体 温度基本均匀，吸热片设计达到最大使用效应；热交 换器流道流量基本均匀，满足设计需求。
测试结果显示，不锈钢热交换器的产品重量和热 效率基本能够与无氧铜热交换器一致，不锈钢热交换 器压力损失偏小，耐久试验后热交换器无任何可视变 形及影响燃烧的情况发生。
壁挂炉热交换器采用不锈钢材质按照上述设计及 优化，可以做到同样性能的状态下，二者重量一致，成本上优于传统铜质换热器。另外不锈钢耐腐蚀性能 高于纯铜，产品寿命增强。
不锈钢材料价格相对纯铜比较低廉，换热器成本 主要是工业成本，随着工艺的成熟不锈钢加工与焊接 成本会降低，会逐步降低不锈钢制交换器成本；因纯 铜为贵重材料，其本身成本很难降低；一个是材料成 本，另一个是加工劳动力成本，增加就业机会。综上所 述，在壁挂炉换热器上，不锈钢制换热器完全可取代 铜质换热器，且不锈钢制作换热器将是以后的趋势。
基金项目：天津市重点研发计划项目“多能互补热利用 系统检验检测技术研究”（19YFZCCG00550 )
参考文献
[1] 朱聘冠.换热器原理及计算[M].北京：清华大学出版
社，1987.
[2] 程尚模.传热学[M].北京：高等教育出版社，1990.
[3] 王福军.计算流体动力学分析一CFD软件原理与应用
[M].北京：清华大学出版社，2004.
X程信总
江西瑞金迈入管输天然气时代
2021年3月30日，江西瑞金市管输天然气通气 仪式在黄柏乡瑞金分输站举行。
据了解，江西省天然气管网工程赣州南支线 (瑞金一会昌段）项目全长约62.7kni，瑞金境内共 设置监控阀室3座和瑞金分输场站1个，于2018年 1月28日开工建设，2020年丨丨月份基本完工。其 中，瑞金分输站一期工程已完工，二期工程计划于202丨年5月1日开工建设，年底前竣工。
截至目前，瑞金天然气居民用户3.31万户，工 商业用户195户，管输天然通气后，居民用气成本降 低520万元/年，工商业用户成本降低857万元/年，将在优化本地能源结构、保护生态环境、节能减排 等方面，带来巨大的社会效益和经济效益。
(本刊通讯员供稿）
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