史 铎 李新学 刘 强
（广东万和新电气股份有限公司 顺德 528305）
近年来各种原材料的价格大幅上涨，尤其是铜材料，原材料价格涨幅在（15～20）%。因为铜具有优良的耐腐蚀性能和高效的导热性能，所以铜成为整个燃气热水器行业最为推崇的热交换器材质。而热交换器是对燃气热水器整机成本影响最大的零部件，也是影响燃气热水器整机性能的核心零部件。鉴于目前国内外市场铜价居高不下的局势，各大燃气热水器生产厂家对热交换器高能效、低成本的需求就显得极为迫切。在降低材料用量的基础上又提高热交换器的换热效率，这就需要对热交换器的翅片结构进行一系列的优化。
燃气热水器工作时，固定在铜管上的翅片以及部分裸露的管外壁通过吸收高温烟气中的热量，将热量传导至铜管内壁，这一过程主要是热对流和热辐射换热；
传导至铜管内壁的高温再以热传导的形式将高温传导至管内的低温流体，通过热对流、热辐射、热传导三种热传递相结合的方式以此来实现燃烧换热。分别写出这三个过程的传热量表达式[1]，根据能量守恒定律，每一个过程在单位时间内传递的热量相等，因此整理可得：
其中：
式中：
A—换热面积；
tf1—高温流体温度；
tf2—低温流体温度；
α1—高温流体对内壁的换热系数；
α2—外壁对低温流体的换热系数；
δ—壁厚；
λ—金属壁的导热系数；
对于燃气热水器而言，翅片管常用铜材料制作，且铜材料具有较高的导热系数λ，相对于其他材料具有较低的导热热阻。若要使对流热阻降低较低，可以尝试增大换热面积A和对流换热系数α。对于管外流体换热，通过增加翅片数量来增加换热面积，但是翅片数量的增加又严重影响到了产品的成本，因此，为了降低产品的成本，只能对翅片的结构进行改动以此来增强对流换热系数α。
通常评价一种翅片结构的性能优劣时，我们主要关注的在以下几点：
1）翅片的换热效率；
2）翅片表面的温度分布；
3）翅片结构对高温烟气流速的影响；
4）翅片堆叠形成的烟气流通腔内烟气进口和出口的压力差值，即翅片间的风阻。
想要在几种不同结构的翅片中找出性能最优的一种，一般需进行CFD仿真模拟计算，通过仿真分析找出最优的结构趋势，然后再着重对这种结构的翅片进行细化改进，直至满足产品的性能需求。
2.1 仿真边界条件的设定
热交换器的设计热负荷为25 kW，水流量为13 L/min，过剩空气系数为1.8，烟气成分的体积分数（二氧化碳5.51 %、水蒸气11.03 %、氧气8.82 %、氮气74.64%），烟气温度为1 685 ℃，入口烟气速度为3.86 m/s ，湍流模型采用k-w SST模型。水管侧的对流换热系数采用Dittus-Boelter[2]公式计算得到
式中：
μf—流体温度为tf时的流体动力粘度，N·s/m2；
μw—壁温为tw时的流体动力粘度，N·s/m2。
2.2 翅片结构分析及仿真数据计算
因为现有翅片结构在批量生产时表现出的换热效率余量和烟气中有害气体的排放浓度均不是很好，故首先对现有翅片结构进行了仿真分析，希望通过仿真分析找出现有翅片在结构上存在的不足，仿真烟气流速云图如图1所示。
图1 现有翅片Case0烟气流速云图
通过上图的烟气流速云图可以看出，现有翅片结构，高温烟气在管周的烟气流速较高，而且还可以很明显的看出，管后部几乎无烟气分布，高温烟气在管中上部已经与铜管出现了分离。
高温烟气与热交换器的主要换热方式为对流换热，管前迎风面是翅片管的主要换热区域，此区域可设计不同的结构来增强对高温烟气的扰动，以此来强化此区域的换热。常规结构的圆形翅片管，烟气绕过管中部以后易产生分离现象[3]，因此管中后部换热会相对比较薄弱。如果对管中后部的换热进行强化，是否会带来较好的换热转化，于是便对现有翅片结构在管前和管后部的换热区域进行了如下几种结构的优化与仿真分析，仿真计算结果如表1。
表1 不同结构翅片仿真计算数据
从压力损失计算数据可以看出原始方案Case0压力损失最大，压力损失的提高会造成空气流速的升高，四个方案中，原始方案的空气流速也是最高的，烟气流速高会使烟气与翅片壁面之间的传热温差降低，导致换热效率下降[4]，因此，四种结构方案中Case0原始结构方案的换热效率也是最低的。
三种改进结构烟气流速云图如图2所示，从图中可以看出，通过设置不同的导流结构，可以使热交换器的管中上部甚至管后部都有烟气流场分布，烟气流淌至管中后部，可以强化管后部的换热强度。
图2 三种新结构翅片烟气速度云图
2.3 工艺结构改进
综合对比四种结构方案的各项数据，Case3作为最优方案，根据现有翅片的生产加工工艺，对Case3进行了工艺改进，将管上部翻边圆孔改为爆炸孔，V型翻边处做工艺切口处理，修改如图3所示，仿真分析结果如表2。
表2 case3.1仿真计算数据
改为爆炸孔，增加工艺缺口后，通过烟气流速云图，可以看出高温烟气从缺口处流失较多，导致翅片与高温烟气之间的换热不够充分，从而降低了整体的换热效率，于是又对翅片上部的V型翻边和顶部翻边孔就行了修改，将V型翻边高度从1.8 mm增加到1.9 mm，延长高温烟气在翅片间的停留时间；
将V型翻边向下移动1 mm，使翻边的延长线与圆管孔顶部的两个圆台状翻边孔相切，目的是通过V型翻边将高温烟气引导至水管的后部，强化管后部的换热；
将圆管顶部的爆炸孔改为上小下大的圆台状翻边孔，减小工艺生产难度，修改后结构如图4所示。
图4 Case3.2
从烟气流速云图可以看出，本次修改结构后，高温烟气的分布从缺口处流失较少，向下移动V型翻边后，该烟气导流结构将高温烟气向管后部引导聚拢，强化了管后部的换热，换热效率随之提升，而且压力损失与原始翅片相比减少仅9 %，因此不必担心在现有产品上切换使用新结构翅片时出现翅片间阻力过小，同种转速的风机运转导致高温烟气流失过快的情况发生。
3.1 整机常规性能测试
从上述仿真计算数据可以看出Case3.2各项仿真性能数据均满足指标需求，于是对Case3.2方案进行了手板试制与产品性能测试，测试数据如表4。
表3 case3.2仿真计算数据
表4 试验测试数据对比
对比表中仿真和实际测试翅片的换热效率，两者之间较为接近，验证了仿真边界条件制定的合理性；
实测翅片结构优化设计后单台水箱质量下降了70 g，批量生产时，降本成果明显；
优化后换热效率提升了2 %，排放烟气中的有害气体浓度也得到了明显的改善，可以满足燃气热水器相关标准的需求，且相较于现有国家生产标准，余量较大，提高了批量生产时产品的合格率。
3.2 热交换器表面温度对比测试
此外需要注意的是，翅片两侧是贴合热交换器前后壁面的，不能让这一部分的温度过高，否则会使热交换器表面发生变色，时间久了可能会出现热交换器被烧穿的隐患。将手板试制的热交换器和原始方案的热交换器表面相同位置取6个测温点（如图5所示），在同等条件下运行燃气热水器对其表面温度进行了对比实验测试，测试结果如图6所示。
图5 热交换器表面温度分布点
图6 表面温度对比测试
从表5中数据可以看出本优化结构Case3.2翅片组装的热交换器，每一测温点的表面温度都低于现有翅片结构的表面温度，因此本优化翅片结构可满足生产需求。
本文通过一系列的翅片结构改进，通过仿真分析找出最优的翅片结构，实现了在较少的原材料使用量上获得换热效率余量更大、烟气有害气体排放浓度更低的热交换器翅片结构，得出结论如下：
1）通过在翅片上设计不同的烟气导流结构，可以实现将高温烟气引导至热交换器水管的中后部，增大此区域的换热强度，提升热交换器的整体换热效率；
2）管前部分是热交换器的主要换热区域，增大此区域的换热面积或增大扰流强度，可以提升热交换器的换热效率；
3）在翅片上设计不同的扰流结构，可以破坏流体边界层的累积，降低烟气的流阻；
4）热交换片两侧应保留较少的换热面积，加快高温烟气的流速，减少此处热交换片的吸热，可降低热交换器在翅片外壁贴合处的表面温升。
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