壁挂炉换热器冷凝结构形式与方式浅析----渤尔科技

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壁挂炉换热器冷凝结构形式与方式浅析

大连渤尔科技有限公司 刘培明            

一、概述

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，尤以壁挂炉的改变显著。各品牌纷纷推出具有冷凝换热效果的机型，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，有描述不到位或妄言之处，还请指正。

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水。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。

二、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；铸铝式换热器有些不同，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，传热系数高，结构紧凑体积小的共同特点。使用介质含水蒸气的管壳式换热器，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：

1、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的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，在这段有限的时间内，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，典型代表铸铝式换热器。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，附加一个换热器，位于烟道的末端。这种结构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。附加的换热器从理论上适用于各种主换热器，但受限于设备的结构布局，或者需要改变烟道。

2、烟气湍流

流体有序的低速流动，呈现层流状态，层流流体存在温度梯度，主要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。随着流速的增加，速度边界层出现波动甚至被打破，会出现小的旋流，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。所以湍流对于换热起到积极的作用，湍流作用强，换热速度快，烟气温度下降快，能够较早的发生冷凝换热。

壁挂炉中常见的换热器对于烟气流动的影响各有特点。

1）光管式换热器，依靠管与管之间的狭小缝隙，加快烟气的流动速度，达到湍流的作用，湍流流动的空间有限；

2）铸铝式换热器，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，对于烟气的流动具有导向作用，烟气每时每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。

3、“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。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。折流板两侧可以看作主换热区和冷凝换热区，燃烧室所在一侧为主换热区。这种设计对于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）铸铝式换热器，仅从流动形式上，我认为是单管程、单壳程。如其内部有折流板的结构，水在其中来回穿梭，是多壳程结构。该类型换热器对烟气引导作用明显，但其材质本身膨胀变质的影响，使介质的流动产生不可预测的改变，影响换热行程；

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。其烟气从换热器中快速通过，不利于充分换热；

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会马上进入临近的翅片缝隙中继续螺旋流动，延长了烟气与换热器表面接触的时间，可以看作是多壳程流动。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。

三、冷凝的实现

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）原铸铝式换热器，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。

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。换热面积大、烟气湍流程度高、双管程多壳程有利于换热，热效率高，节省燃气。