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浅析壁挂炉换热器冷凝结构形式与方式
     1970-01-01     来源:中国壁挂炉网     浏览量:1819

  如今节能减排是能源利用的发展趋势。中国的燃气采暖技术已步入冷凝时代,尤以壁挂炉的改变较为显著。理论上天然气的汽化潜热与燃气低热值(显热)的比值在10%~13%,利用冷凝换热,可使得总热效率超过100%,以节省燃气。本文对几种常见的壁挂炉用冷凝换热结构做梳理。

  燃气热水炉的热量传导过程为:燃气的化学能通过与空气中氧气反应,产生高温的火焰(辐射)和高温的烟气(内能)。火焰本身具有辐射传递热能的作用,将一部分化学能辐射到换热器表面(转化为采暖水的内能);高温烟气在与换热器表面接触时,将热量通过热传导的方式传递给采暖水(温差传导的内能)。而冷凝换热是利用高温烟气中的汽化潜热(相变释放的内能),需要在换热的过程中将烟温降低到烟气的饱和温度以下才可利用。这就需要换热器有能力将烟气温度及时降低。

 

冷凝结构形式与方式分析

 

  把壁挂炉用的换热器看作管壳式换热器,管程强制循环采暖水,壳程通过高温烟气。与管壳式换热器相同的是,壁挂炉的两种换热介质并不接触,通过隔在中间的金属壁进行热传递。利用光管、鳍片管、翅片管的换热器,比较易于理解管与壳的关系,管程走水,壳程走烟,壳包裹着管;铸造式换热器有些不同,高温烟气在内部空腔通过,壳程走水,管程走烟,或者看作“管”包裹着“壳”。这种类管壳结构,具有湍流换热、传热系数较高、结构紧凑、体积小的共同特点。在工业中,使用含水蒸气介质的管壳式换热器,为提高换热效率,一般都涉及到冷凝换热作用。可以通过以下几种途径,实现冷凝换热。

 

增大换热面积

 

  在有限的时间内(燃烧生成高温烟气到烟气排出换热器这段时间),足够的换热面积可充分使烟气与换热器表面接触,烟气体积一定,表面积越大,烟气空腔距离越薄,越有利于烟气的热量传递到换热器。若烟气空腔距离很大,有限时间内空腔中间的气体尚未与换热器表面接触就被排出换热器,势必会造成热量的损失,其表现为排烟温度高。当排烟温度高于理论烟气水蒸气的饱和温度时,烟气就不会在换热器内冷凝,无法利用冷凝释放的内能。

  常见的壁挂炉用换热器增大换热面积的方法有:

  1)表面突出式,典型代表为铸造式换热器。其中间空腔有许多金属圆柱,这些圆柱体的作用之一就是加大换热面积。

  2)鳍片式,换热管在鳍片中间往复穿梭,多为矩形管。鳍片表面积增加了换热器的换热面积,鳍片的间隙将烟气切分开,空腔距离与鳍片间距正相关。

  3)翅片式,翅片盘绕在换热管外,增大了换热面积,翅片的间隙将烟气切分开,使烟气分成多股流动,缩小烟气空腔距离。

  4)附加式,在主换热器外附加一个小换热器,位于烟道的末端。类似于大型锅炉的省煤器,在烟道尾部受热面盘绕低温水管和进气管,以预热锅炉水和空气提高热效率。附加换热器理论上适用于各种主换热器,但受限于设备的结构布局,或需要改变烟道。

 

烟气湍流

 

  流体有序的低速流动呈层流状态,层流流体存在温度梯度,依靠热传导和速度边界层的摩擦作用传热,热量传递速度慢。随着流速增加速度边界层出现波动甚至被打破,会出现小的旋流,流体进入湍流状态。湍流流体的热传递作用以对流为主,并伴随着热传导。其热传递速度快,热量分布均匀。因此湍流对换热可起到积极作用,湍流作用强,换热速度快,烟气温度下降快,能较早地发生冷凝换热作用。

  壁挂炉中常见的换热器对于烟气流动的影响各有特点,如下所示:

  1)光管式换热器,依靠管与管之间狭小缝隙,加快烟气流动速度达到湍流作用,但流动空间有限。

  2)铸造式换热器,其内部突出的圆柱对于烟气有扰动作用,迫使烟气湍流,但圆柱与圆柱之间距离较远,湍流效果有限。

  3)鳍片式换热器,烟气进入换热器时,鳍片对烟气有一定扰动作用,但作用不持续。

  4)翅片式换热器,烟气在翅片之间流动,每次经过翅片边缘都会受到翅片的扰动,湍流效果较为明显,且翅片间隙越小,越有利于换热。

  5)螺旋翅片式换热器,翅片螺旋盘绕在换热管外,对烟气流动具有导向作用,烟气时刻都在改变速度方向,又兼具翅片式的扰动特点,其对烟气的湍流效果最好。

 

管程与壳程

 

  管程与壳程是管壳式换热器用来描述工质流动形式的术语。管程越多,管内工质在换热器中往返的次数越多;壳程越多,壳内工质冲刷换热管的次数越多。管程表现的是换热要分层次,壳程的意义更在于延长工质通过换热器的时间。通过对管程和壳程的设计,可以将换热区域分为主换热区和冷凝换热区。

  壁挂炉用换热器的管程与壳程分析如下:

  1)光管式换热器,结构为单圈多层盘管,贴近换热器外壳,高温烟气从中间向四周流动,通过折流板再汇集到中心流出。该形式属于单管程、双壳程。折流板两侧可看作主换热区和冷凝换热区,燃烧室一侧为主换热区。此设计对烟气的导流作用有限,需要折流板与壳体密封良好,否则第二壳程换热效果不好。

  2)铸造式换热器,仅从流动形式上,笔者认为其结构是单管程、单壳程结构。如其内部有折流板的结构,水在其中来回穿梭,则是多壳程结构。

  3)鳍片式换热器,该换热器结构相对明了,烟气一个方向通过,单壳程结构。换热管在鳍片中间往复穿梭,多管程结构。

  4)翅片式换热器,若与光管式结构相同(单圈多层盘管+折流板),就是单管程、双壳程的结构。若与鳍片式换热器结构类似,即用翅片管代替鳍片管,就是多管程、单壳程结构。

  5)螺旋翅片管式换热器,一根翅片管螺旋盘绕两圈就是双管程结构,外圈是冷凝换热区,内圈是主换热区。螺旋盘绕的翅片限制烟气按照螺旋方向紧贴换热管外壁流动,部分从空隙中溢出的气体进入临近的翅片缝隙中继续螺旋流动,延长烟气与换热器表面接触的时间,可看作是多壳程流动。这种换热分区(双管程)烟气与换热器表面接触时间长(多壳程)的换热结构,有利于提高热效率,易于冷凝换热的发生。

 

综上所述

 

  通过以上三种方法,可以实现利用烟气中水蒸气的汽化潜热,提高热效率,节省燃气。不同的换热器又有着不同的特点,根据以上分析,做如下总结:

  1、原光管式换热器,可通过加长换热管与折流板分区,或改变烟道附加尾部换热器的方法来增大换热面积、换热分层次,达到冷凝换热的效果。

  2、原铸造式换热器,要实现冷凝换热,改变烟道附加尾部换热器是较理想的方式。

  3、原鳍片式换热器(翅片列管式换热器),可重新布置管程,分层次换热,或改变烟道附加尾部换热器的方法,达到冷凝换热的效果。

  4、螺旋翅片管式换热器,无需改变结构与形式,其设计出发点即已考虑冷凝换热。

  因而,螺旋翅片管式换热器是壁挂炉用最适宜冷凝换热的换热器,其换热面积大、烟气湍流程度高、双管程多壳程有利于换热,且热效率高,节省燃气。

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