创新锅炉设计实现更高效益

Stefano Argenton,意大利圣博尼法乔Ferroli公司产品研发经理

燃气冷凝锅炉以热烟气与换热器管内水流之间的成功传热为基础。Ferroli是一家锅炉及可再生能源产品制造商,该公司使用Ansys Fluent来设计产品,以满足市场对高效换热器的需求。Fluent帮助其工程师对产品进行优化设计,获得稳健、性能优良的冷凝式热发生器。

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savings boil over

燃气锅炉正被广泛应用于为家庭及为商业集中供热系统提供能量。冷凝式锅炉技术与常规锅炉设计不同,它可以回收热损耗。由于冷凝式锅炉能效更高,对环境产生的污染较低,部分国家强制要求在新设施上使用这种锅炉。

Ferroli是一家供暖设备制造商,于1955年成立于意大利维罗那附近。公司已向全球市场投放大量供暖产品,其中包括一系列燃气冷凝式锅炉。凭借创新的设计,这些锅炉的热效率能达到100%,热效率是在燃烧过程中产生的热量传递到锅炉中的水或蒸汽过程中衡量换热器传热能力的指标。

velocity profile comparison

新设计(左)与旧设计的速度曲线对比

市场营销与研发总监在完成基准案例分析后,确定市场需要新的锅炉,其中一项主要目标就是提高锅炉效率和鲁棒性。Ferroli的工程师利用Ansys Fluent计算流体动力学(CFD)软件来设计锅炉,有了仿真分析结果,工程师可设计出能同时满足效率及耐久性要求的、性能优良的锅炉。

boiler heat exchange

锅炉传热工作原理图

深入锅炉内部

Ferroli的冷凝式锅炉作为一种壳管式换热器,其模型由不锈钢外壳中的垂直管道阵列构成,该锅炉输出功率为320kW,主要用于为医院、购物商场等商用设施的集中供暖系统供热。

供热过程从燃烧室开始。在这里由火炉点燃天然气,壳体中的流向采用反向设计,即高热燃气的流向与流经管道的水流向相反,锅炉给水来自经供暖系统循环后冷却过的水,从锅炉底部的管道进入,水流在经换热器时被重新加热,随后热水从锅炉顶部的“供水”管流出,继续在供暖系统中循环。

燃气从燃烧室出发,自上而下流经壳体时,其热量也传递给冷却后的锅炉给水。燃气温度下降时,其中包含的水蒸汽会逐渐冷凝,冷凝水通过废水管排出。因此冷凝技术能够回收本来会随燃气排放到环境中的热量。

管板和挡板是换热器中对两种流体间传热成功与否起关键作用的组件。管板是固定在换热器两端的板件,将它焊接在壳体上,其上有孔,用于安装水流通过的管道。挡板位于壳体内部,其设计用于支撑管道并引导穿过管束 的燃气,以实现高效传热。

Ferroli使用Ansys Fluent后,立即节省了7.5万欧元的设备和人力成本,而加快市场投放速度所产生的效益更是无法估量。

velocity profile of new boiler

新挡板形状新型锅炉的速度曲线

velocity profile of previous boiler

之前锅炉挡板设计的速度曲线

设备改进的关键

在开始着手新锅炉的设计时,Ferroli工程师遇到的首个问题是换热器内产生水垢的可能性。水垢来自硬水,与所在地有关,在当今的世界中,水可分为硬水和软水。硬水含有大量溶解矿物质,比如钙和镁,它们会沉积在管道内,形成坚硬的白垩沉淀物,换热器中的水垢累积导致水流不畅和过热,进而提高钢制管板的温度。

Ferroli工程师采用Ansys Fluent软件分析换热器内部的水分布,他们的目标是提高管板下的传热系数,从而加快水流的速度。

为了预测水进入换热器时的流体流动行为及其在穿越管道时的分布情况,使用Fluent求解流动速度、流动路径和传热的各种方程。特别强调一点,工程师一般使用K-epsilon湍流模型预测管道内湍流流动。

simulation of the temperature of upper boiler plate after redesign

重新设计之前(左)及之后上板的温度仿真

解决此问题所采取的步骤

工程师从分析之前的锅炉设计开始,开展新锅炉的设计研究。Ferroli除了使用Ansys网格划分技术创建的网格化虚拟模型之外,其测试实验室中同时还测试了物理锅炉模型,然后将实验室里的测试结果与仿真结果进行对比。利用实验室测试得到的传热和散热边界条件结果对仿真模型进行了更新。

有了仿真结果,再加上多年锅炉设计所积累的工程专业技术,工程团队决定更新挡板的形状,锅炉新模型分析显示出锅炉的流动行为及传热行为均得到大幅改善。

还对该设计做了进一步的改动,以缩小管板和挡板间的空间,增大部分区域挡板的孔径,同时缩小另一些区域挡板的孔径。通过这项改动实现了最理想的流分布,提高了管板和挡板之间的水流速度,一旦水流速度超过特定值,就不会形成水垢。此外,上板下的水流速度提升还会降低钢板温度,从而延长该锅炉的使用寿命。

工程师仅用了三次仿真就为锅炉找到了理想设计。2018年8月,在Ferroli的测试实验室对该设计的原型进行制作与安装,经过为期一年的物理测试后,采用原型对Ansys分析结果进行了确认。

cycle lab test

极端工作条件下循环实验室测试期间的失效图,该条件在实地运行中极少遇到

既省时又省钱

以前,为了寻找提高锅炉效率、延长锅炉寿命的最优解决方案,曾构建过四台物理样机。然而,通过利用Fluent CFD软件,对于新锅炉模型而言,只需一台物理样机就足够了,考虑到制作并测试四个原型样机所用的时间,Ferroli估计仿真技术至少让产品设计和研发时间缩短了一年,而这一年损失的机会成本及销售收入更是无法估量。

除了能节省宝贵的时间之外,仿真技术还帮助公司节省了可观的设备及劳动力成本,一台物理样机建造成本为2万欧元(约2.2万美元),因此,Ferroli在锅炉项目上利用仿真技术即可节省6万欧元,随后至少两位操作人员会用5天时间来准备测试并分析物理测试数据,估计成本会在1.5万欧元或者更高。

Fluent CFD软件由于在锅炉项目上节省了大量的时间与成本,目前正将其用于Ferroli的更多项目上。例如,Fluent软件正用于热泵和生物质燃烧产品等新设计的仿真中,此外,仿真应用范围还在扩展,以解决更多问题,并提高现有产品的性能。

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