張靖鵬 葉志鳴 包康麗 余鵬 徐象國 何業(yè)洪 王勤

1.浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 浙江杭州 310027；

2.浙江大學(xué)熱能工程研究所 浙江杭州 310027；

3.杭州佐帕斯工業(yè)有限公司 浙江杭州 310018

0 引言

蒸汽發(fā)生器是利用燃料或其他能源的熱能把水加熱成為熱水或蒸汽的機械設(shè)備，目前已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[1-5]及民用家電[6]中。對于民用的蒸汽發(fā)生器，由于空間的限制，一般采用電加熱的方式產(chǎn)生蒸汽。

目前，小型蒸汽發(fā)生器已經(jīng)作為核心部件或輔助設(shè)備，廣泛應(yīng)用于日常生活中的各類家用電器之中，如蒸汽微波爐、蒸汽洗衣機、蒸汽熨斗、蒸汽烘干機等。表1給出了目前小型蒸汽發(fā)生器的幾類常見用途及應(yīng)用場合[7-10]，主要用于烹飪、清洗、滅菌、熨燙等用途。根據(jù)用途的不同，所需蒸汽的溫度范圍為90℃～175℃，所需蒸汽的蒸汽量為2～20 kg/h。而隨著人們生活水平的提高，便攜高效越來越成為小型家電的主流特征，同時，這也就對蒸汽發(fā)生器的工作空間和蒸汽品質(zhì)提出了更高的要求。

表1 小型蒸汽發(fā)生器商業(yè)應(yīng)用

如前所述，由于應(yīng)用場合的工作空間的限制，小型蒸汽發(fā)生器一般采用電加熱的方式產(chǎn)生蒸汽，會產(chǎn)生較大的功耗。因此需要對蒸汽發(fā)生器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計上的優(yōu)化，使其具有更高的熱效率，然而有限的工作空間又要求設(shè)計上要盡可能簡單，易于加工裝配，給結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。圖1中給出了目前的小型蒸汽發(fā)生器中較為常見的幾類結(jié)構(gòu)設(shè)計[11-18]。

對于蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，是希望在有限的空間內(nèi)增大換熱系數(shù)或換熱面積，來提高換熱效率。如圖1中所示的W形管a）、螺旋形管b）、蜂窩型結(jié)構(gòu)c）都是通過管狀流道結(jié)構(gòu)來增強流體流動時的流速，以增大換熱系數(shù)，同時用螺旋或者多管并聯(lián)的方式盡可能增加管長，以增大換熱面積。蒸汽發(fā)生器在使用時，若使用非純凈水水源，管道中會產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象，當(dāng)結(jié)垢不斷積累，會導(dǎo)致傳熱惡化，阻塞管道等問題出現(xiàn)，最終使得蒸汽發(fā)生器無法繼續(xù)使用。而圖1 d）所示的使用腔體進行加熱的方式，可以有效的防止結(jié)垢阻塞流道的情況發(fā)生，但是相比于圖1 a）、b）、c）所示的管式設(shè)計，其換熱面積與換熱系數(shù)較低，熱效率較低。

圖1 幾種典型的小型蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖

因此，目前亟需一些結(jié)構(gòu)上的改進，可以利用腔體型結(jié)構(gòu)防止結(jié)垢、阻塞流道的優(yōu)勢，在此基礎(chǔ)上結(jié)合增大換熱面積或增強換熱系數(shù)的方式來提高熱效率。本研究將進行一種改進型蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過模擬計算選擇合適的進出水方式進行實驗，比較改進前后的熱效率，分析改進后熱效率的提升效果及原因。

1 改進型蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的改進型加熱器對現(xiàn)有傳統(tǒng)使用腔體進行加熱的結(jié)構(gòu)進行了改進，使得其在不產(chǎn)生因流道阻塞導(dǎo)致?lián)Q熱器失效問題的同時加大換熱面積，增強換熱系數(shù)，使熱效率提高，能耗減小。

本文設(shè)計的改進型蒸汽發(fā)生器，如圖2所示：殼體上的進水口設(shè)置液體分布器，使得水流進入殼體內(nèi)腔后能夠均勻分散在金屬泡沫表面，充分利用與金屬泡沫的接觸面換熱，熱效率顯著提升，最終在出汽口形成均勻、穩(wěn)定、連續(xù)的蒸汽。

圖2 改進型蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖

在U型加熱管外包裹金屬泡沫，極大地增大了水和加熱器的換熱面積，確保能夠迅速產(chǎn)生蒸汽，出蒸汽時間短且體積小、重量輕。此外，該加熱器還具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，只需對現(xiàn)有腔體型蒸汽發(fā)生器進行簡單改造即可。

不過，在一般的腔體型蒸汽發(fā)生器如圖1 d）中加設(shè)多孔介質(zhì)，由于附著表面增加，相比于腔體型加熱的蒸汽發(fā)生器會更容易結(jié)垢。但這種結(jié)構(gòu)由于流道很多，相比于管道式加熱的蒸汽發(fā)生器如圖1 a），b）這類單流道，且管道較細的結(jié)構(gòu)，不會產(chǎn)生結(jié)垢后完全堵塞流道的情況。同時這種結(jié)構(gòu)的結(jié)垢相比于管道式加熱的蒸汽發(fā)生器更容易清洗，在圖2所示的結(jié)構(gòu)中設(shè)計了相應(yīng)的清洗排污結(jié)構(gòu)（11-排污口）。

2 模擬研究

本文的模擬可以對上進上出與下進上出兩種進水方式進行模擬，并為實驗提供參考。

模擬從熱力學(xué)計算與數(shù)值模擬兩部分展開。數(shù)值模擬可以通過給定幾何參數(shù)及入口條件得到蒸汽發(fā)生器穩(wěn)定工作時的出口蒸汽溫度，熱力學(xué)計算可以通過蒸汽發(fā)生器出口溫度計算得到熱效率。

采用一款用于吸油煙機清洗的蒸汽發(fā)生器的參數(shù)進行計算，其設(shè)計參數(shù)如下：加熱功率為1700 W，入口流量為38 g/min；蒸汽發(fā)生器外觀尺寸為大約為264 mm×50 mm×69 mm，內(nèi)部腔體尺寸為185 mm×40 mm×60 mm。出入口管徑為8 mm。

2.1 Aspen plus 熱力計算

采用商用軟件Aspen plus進行不同熱效率，不同入口流量下出汽溫度及干度的熱力學(xué)計算，Aspen plus的計算流程見圖3。計算中假設(shè)加熱器的進出口壓力設(shè)置為1 atm，進口溫度設(shè)為25℃，B8模塊用于調(diào)節(jié)效率，Q為1700 W。計算結(jié)果見表2及表3。通過該結(jié)果與之后Fluent數(shù)值模擬出的出口狀態(tài)進行對比，可以反推出熱效率。

圖3 Aspen plus 物性計算

表2 不同效率下的出口溫度

表3 不同效率下的出口干度

2.2 Fluent數(shù)值模擬

圖4給出了網(wǎng)格劃分。蒸汽發(fā)生器在模擬中作二維模型處理，假設(shè)在其沿垂直于圖4截面方向上不同位置的形狀一致。對于上進上出、下進上出兩種方案，分別模擬并比較。假設(shè)條件，模型選擇及結(jié)果如下：（1）Fluent采用二維壓力基穩(wěn)態(tài)求解器，計算中考慮重力；（2）因為計算過程存在相態(tài)的轉(zhuǎn)變，所以采用多相流模型，水為主相，蒸汽為第二相；（3）計算考慮液相到氣相的質(zhì)量傳遞，傳遞的機理采用Evaporation-condensation模型；（4）邊界條件為第二類邊界條件，假設(shè)邊界熱流密度為0，即絕熱狀態(tài)；（5）進口管徑為8 mm，進水口的形狀通過二維平面類比至三維中為一個矩形進水口，水的進口溫度為25℃，入口速度為0.005 m/s，采用層流流動模型；加熱器腔體內(nèi)部下1/2部分設(shè)置多孔介質(zhì)銅：金屬泡沫銅等價導(dǎo)熱系數(shù)按文獻[19]取8.8 W/m·K，孔隙率設(shè)置為0.7。多孔介質(zhì)含均勻分布的內(nèi)熱源項，值為5.3×106W/m3；以上參數(shù)設(shè)置對應(yīng)的水流量與加熱功率的比值與實驗設(shè)置一致：為38 g/min、1700 W；（6）計算采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，動量、能量以及氣相分?jǐn)?shù)方程均采用QUICK格式，適當(dāng)調(diào)低松弛因子；計算結(jié)果殘差均收斂到10-3以下。

圖4 二維簡化幾何模型及網(wǎng)格模型

圖5～圖7分別給出了蒸汽發(fā)生器腔體的溫度、干度云圖及流線圖，分析可以得到如下結(jié)論：

圖5 溫度云圖 (K)

上進方式出口蒸汽干度為1，達到過熱狀態(tài)，溫度為140℃，參照表3的數(shù)據(jù)，熱效率在98%～100%；下進方式出口干度為0.99，出口溫度為100℃，對應(yīng)的熱效率為96%，兩種進水方式的熱效率均高于95%。參照表2、表3的38 g/min入口流速對應(yīng)的數(shù)據(jù)，熱效率在96%左右；對比來說上進方式熱效率相對更高。對于兩種進水方式的溫度分布情況：上進方式的低溫區(qū)域主要位于多孔介質(zhì)區(qū)域的上部，該處自壁面順流的水受到氣流的托舉而停留，多孔介質(zhì)區(qū)域溫度梯度?。幌逻M方式的低溫區(qū)域主要位于進口部分，多孔介質(zhì)區(qū)域有較大的溫度梯度。

圖6 干度云圖

圖7的內(nèi)部流場流線圖可以示意上部進水和底部進水兩種方式的流動特性。根據(jù)圖4的簡化模型及Fluent模擬設(shè)置可知，金屬泡沫置于腔體內(nèi)部下1/2部分。相比于底部進水的方式，上部進水的方式可以在上部靠近出口的位置形成許多渦團，渦團的作用有利于金屬泡沫中的熱量向上傳遞，同時增加氣相的熱交換，因此其流動特性有利于其換熱的進行，從而具備更高的熱效率。

圖7 內(nèi)部流場流線圖

3 實驗驗證

3.1 實驗裝置及方法

根據(jù)模擬的結(jié)果顯示，采用上部進水的方式具有更為優(yōu)良的流動與傳熱特性，蒸汽發(fā)生器出口溫度更高。因此在測試時均采用上部進水的方式。

圖8表示了兩種改進前后的一款用于蒸汽微波爐的蒸汽發(fā)生器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：在腔體底部通過U型加熱棒對水進行加熱。改進后的蒸汽發(fā)生器加入了金屬泡沫銅，其參數(shù)為：孔隙率70%（20 ppi），通孔率＞98%。

圖8 蒸汽發(fā)生器的兩種內(nèi)部結(jié)構(gòu)（改進前后）

蒸汽發(fā)生器性能測試實驗裝置如圖9所示，主要包括蒸汽發(fā)生器、電源箱、液體蠕動泵（精度0.1 mL/min）、夾持裝置、熱電偶（精度0.1℃）、溫度數(shù)顯儀、電子秤（精度0.1 g）等設(shè)備。蒸汽發(fā)生器固定在夾持裝置上，加熱棒的兩極與電源箱相連用于加熱；其進出口連接橡皮水管，通過液體蠕動泵提供動力并控制流量。熱電偶布置在蒸汽發(fā)生器出口處，測量值顯示在溫度數(shù)顯儀上。

圖9 蒸汽發(fā)生器性能測試實驗裝置

本實驗在相同條件下分別對有無金屬泡沫填充時的蒸汽發(fā)生器進行測試，比較內(nèi)置金屬泡沫的蒸汽發(fā)生器與原蒸汽發(fā)生器在性能上的差異。

實驗過程中蠕動泵流量設(shè)定為38 mL/min，電源箱電壓設(shè)定為224 V，加熱功率為1700 W。實驗中自來水的質(zhì)量變化通過電子秤稱重計量，時間及溫度通過定時器及熱電偶測量。測試過程選取蒸汽發(fā)生器穩(wěn)定發(fā)生階段（發(fā)生器開啟后10 min～20 min），每個工況重復(fù)測量三次。

3.2 實驗結(jié)果及分析

蒸汽發(fā)生器的熱效率根據(jù)式（1）進行計算：

表4所示即為得到的實驗結(jié)果，相比于無金屬泡沫填充的方式，進行金屬泡沫的填充可以有效的增大蒸汽發(fā)生器的熱效率，證明了新的結(jié)構(gòu)改變確實有利于蒸汽發(fā)生器熱效率的提高。同時實驗得到測試結(jié)果與之前理論模擬和計算的結(jié)果基本一致。

表4 實驗測試結(jié)果

在目前的實驗中，金屬泡沫的加入提高了熱效率，即相同的流量下，蒸汽發(fā)生器內(nèi)部的蒸汽溫度更高，這會帶來壓力的增高。壓力的升高需要考驗部件的耐壓以及輸送水泵的性能，目前實驗中未對壓力進行監(jiān)測，這個因素在未來生產(chǎn)設(shè)計中需進一步校核。

為了更好地闡明結(jié)構(gòu)改進提高熱效率的原因，建立了以下方程式：

式（2）中Q1為用于加熱水蒸汽的熱量，K1為內(nèi)部的換熱系數(shù)，A1為內(nèi)部換熱面積，ΔT1為加熱管表面與水蒸氣的溫差。式（3）中Q2為向環(huán)境的散熱，K2為外部的換熱系數(shù)，A2為蒸汽發(fā)生器外表面，ΔT2為加熱管表面與空氣的溫差。式（4）中W為蒸汽發(fā)生器輸入功，η(T)為電熱效率，受工作溫度影響。式（5）為熱效率的表達式。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，無論是以任何形式進行能量轉(zhuǎn)化的制熱系統(tǒng)（電加熱、燃燒加熱、熱力循環(huán)系統(tǒng)），其轉(zhuǎn)化為更高品位（高制熱溫度）熱量的效率總是低于轉(zhuǎn)化為低品位（低制熱溫度）熱量的效率（高品位向低品位的傳熱是自發(fā)進行的熵增過程）；因此當(dāng)加熱管工作溫度升高后，電熱效率η(T)會降低。同時，文獻[20]也顯示隨著工作溫度的升高，電加熱管電熱效率會降低，同時電加熱管的使用壽命會降低。因此，減少換熱溫差，加強換熱可以提高加熱系統(tǒng)的熱效率已經(jīng)成為領(lǐng)域內(nèi)的共識[14,16,18]。

對于改進后的結(jié)構(gòu)，增大了內(nèi)部換熱系數(shù)K1與換熱面積A1，則可以降低換熱溫差ΔT1，從而降低加熱管的工作溫度，這一方面使得ΔT2可以降低，從而減少向環(huán)境的散熱Q2；另一方面可以提高電熱效率η(T)。結(jié)合式（5），以上兩方面的原因?qū)е铝烁倪M后的結(jié)構(gòu)可以提高熱效率。

此外值得注意的是，對于增設(shè)金屬泡沫后的工況，其耗水量增加，即對應(yīng)的水流量增加。在蠕動泵給定前提下，流量大小會根據(jù)后端管網(wǎng)阻力而變化，采用金屬泡沫會增大阻力，理論上會減小流量。不過影響后端管網(wǎng)阻力的因素有許多，除了管網(wǎng)本身形狀結(jié)構(gòu)的因素外，流體的狀態(tài)也會對阻力產(chǎn)生很大影響。由于加入金屬泡沫后，蒸汽發(fā)生器內(nèi)部的換熱效率提高，內(nèi)部的流體中有更多的氣相及氣液兩相狀態(tài)的流體。而氣相流體的阻力會遠小于液相（粘度相差兩個數(shù)量級），兩相流中氣相組分占比大的流體也會比氣相組分占比小的流體阻力小[21]。因此推測加入金屬泡沫后，雖然結(jié)構(gòu)的改變會增大阻力，但是換熱效率提升帶來的流體的狀態(tài)改變（氣相比例提高）會使得阻力減小，兩者的共同作用最終導(dǎo)致阻力減小，從而導(dǎo)致流量的增加。

4 結(jié)論

本文針對應(yīng)用于各類家電中的小型蒸汽發(fā)生器的高功耗、易結(jié)垢的問題，在傳統(tǒng)使用腔體型結(jié)構(gòu)上進行了改進，通過增設(shè)金屬泡沫，加大換熱面積，增強換熱系數(shù)，使得熱效率進一步提高，從而減小能耗，同時可以規(guī)避一般管道型加熱方式易產(chǎn)生的水垢阻塞流道和換熱器失效的問題。對此新型蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)進行了上部進水與底部進水的熱力計算及數(shù)值模擬，同時進行了實驗驗證。主要結(jié)論如下：

（1）對于改進的新型蒸汽發(fā)生器，進行了熱力學(xué)計算，同時進行了上部進水和底部進水兩種進水方式的數(shù)值模擬，探究了其流動及傳熱特性。上部進水方式出口蒸汽干度為1，達到過熱狀態(tài)，溫度在135℃，參照熱力學(xué)計算結(jié)果，熱效率在98%～100%；下進方式出口干度為0.99，出口溫度為100℃，對應(yīng)的熱效率為96%，兩種進水方式的熱效率均高于95%，上部進水的方式具有更高的熱效率。

（2）相比于底部進水的方式，上部進水的方式可以在上部靠近出口的位置形成許多渦團，渦團的作用有利于金屬泡沫中的熱量向上傳遞，同時增加氣相的熱交換，因此其流動特性有利于其換熱的進行，從而具備更高的熱效率。

（3）對蒸汽發(fā)生器進行了設(shè)置金屬泡沫前后的性能對比實驗，參考模擬計算的結(jié)果，實驗進水方式采用上部進水。實驗得到改進結(jié)構(gòu)后蒸汽發(fā)生器的熱效率可以高達98.92%，較原腔體結(jié)構(gòu)改進前熱效率約有5%的提升，改進效果明顯。根據(jù)熱力學(xué)原理分析，熱效率的提升來自于漏熱的減少和電熱效率的提高。