燃氣冷凝鍋爐，以熱煙氣與換熱器管內水流之間的成功傳熱為基礎。燃氣鍋爐正被廣泛應用于為家庭及為商業集中供熱系統提供能量。冷凝

燃氣冷凝鍋爐，以熱煙氣與換熱器管內水流之間的成功傳熱為基礎。燃氣鍋爐正被廣泛應用于為家庭及為商業集中供熱系統提供能量。冷凝式鍋爐技術與常規鍋爐設計不同，它可以回收熱損耗。由于冷凝式鍋爐能效更高，對環境產生的污染較低，部分國家強制要求在新設施上使用這種鍋爐。

Ferroli是一家供暖設備制造商，于1955年成立于意大利，公司向全球市場提供大量供暖產品，其中包括一系列燃氣冷凝式鍋爐。憑借創新的設計，這些鍋爐的熱效率能達到100%，熱效率是在燃燒過程中產生的熱量傳遞到鍋爐中的水或蒸汽過程中衡量換熱器傳熱能力的指標。

該公司的市場營銷與研發總監在完成基準案例分析后，確定市場需要新的鍋爐，其中一項主要目標就是提高鍋爐效率和魯棒性。其工程師利用流體動力學(CFD)軟件來設計鍋爐，有了仿真分析結果，工程師可設計出能同時滿足效率及耐久性要求的、性能優良的鍋爐。

深入鍋爐內部

Ferroli的冷凝式鍋爐作為一種殼管式換熱器，其模型由不銹鋼外殼中的垂直管道陣列構成，該鍋爐輸出功率為320kW，主要用于為醫院、購物商場等商用設施的集中供暖系統供熱。

供熱過程從燃燒室開始。在這里由火爐點燃天然氣，殼體中的流向采用反向設計，即高熱燃氣的流向與流經管道的水流向相反，鍋爐給水來自經供暖系統循環后冷卻過的水，從鍋爐底部的管道進入，水流在經換熱器時被重新加熱，隨后熱水從鍋爐頂部的“供水”管流出，繼續在供暖系統中循環。

燃氣從燃燒室出發，自上而下流經殼體時，其熱量也傳遞給冷卻后的鍋爐給水。燃氣溫度下降時，其中包含的水蒸汽會逐漸冷凝，冷凝水通過廢水管排出。因此冷凝技術能夠回收本來會隨燃氣排放到環境中的熱量。

管板和擋板是換熱器中對兩種流體間傳熱成功與否起關鍵作用的組件。管板是固定在換熱器兩端的板件，將它焊接在殼體上，其上有孔，用于安裝水流通過的管道。擋板位于殼體內部，其設計用于支撐管道并引導穿過管束 的燃氣，以實現高效傳熱。

Ferroli使用Ansys Fluent后，節省了7.5萬歐元的設備和人力成本，而加快市場投放速度所產生的效益更是無法估量。

設備改進的關鍵

在開始著手新鍋爐的設計時，工程師遇到的首個問題是換熱器內產生水垢的可能性。水垢來自硬水，與所在地有關，在當今的世界中，水可分為硬水和軟水。硬水含有大量溶解礦物質，比如鈣和鎂，它們會沉積在管道內，形成堅硬的白堊沉淀物，換熱器中的水垢累積導致水流不暢和過熱，進而提高鋼制管板的溫度。

工程師采用Ansys Fluent軟件分析換熱器內部的水分布，他們的目標是提高管板下的傳熱系數，從而加快水流的速度。

為了預測水進入換熱器時的流體流動行為及其在穿越管道時的分布情況，使用Fluent求解流動速度、流動路徑和傳熱的各種方程。特別強調一點，工程師一般使用K-epsilon湍流模型預測管道內湍流流動。

解決此問題所采取的步驟

工程師從分析之前的鍋爐設計開始，開展新鍋爐的設計研究。Ferroli除了使用Ansys網格劃分技術創建的網格化虛擬模型之外，其測試實驗室中同時還測試了物理鍋爐模型，然后將實驗室里的測試結果與仿真結果進行對比。利用實驗室測試得到的傳熱和散熱邊界條件結果對仿真模型進行了更新。

有了仿真結果，再加上多年鍋爐設計所積累的工程專業技術，工程團隊決定更新擋板的形狀，鍋爐新模型分析顯示出鍋爐的流動行為及傳熱行為均得到大幅改善。

還對該設計做了進一步的改動，以縮小管板和擋板間的空間，增大部分區域擋板的孔徑，同時縮小另一些區域擋板的孔徑。通過這項改動實現了最理想的流分布，提高了管板和擋板之間的水流速度，一旦水流速度超過特定值，就不會形成水垢。此外，上板下的水流速度提升還會降低鋼板溫度，從而延長該鍋爐的使用壽命。

工程師僅用了三次仿真就為鍋爐找到了理想設計。2018年8月，在Ferroli的測試實驗室對該設計的原型進行制作與安裝，經過為期一年的物理測試后，采用原型對Ansys分析結果進行了確認。

既省時又省錢

以前，為了尋找提高鍋爐效率、延長鍋爐壽命的最優解決方案，曾構建過四臺物理樣機。然而，通過利用Fluent CFD軟件，對于新鍋爐模型而言，只需一臺物理樣機就足夠了，考慮到制作并測試四個原型樣機所用的時間，仿真技術預計至少讓產品設計和研發時間縮短了一年，而這一年損失的機會成本及銷售收入更是無法估量。

除了能節省寶貴的時間之外，仿真技術還幫助公司節省了可觀的設備及勞動力成本，一臺物理樣機建造成本為2萬歐元（約2.2萬美元），因此，該企業在鍋爐項目上利用仿真技術即可節省6萬歐元，隨后至少兩位操作人員會用5天時間來準備測試并分析物理測試數據，估計成本會在1.5萬歐元或者更高。

Fluent CFD軟件由于在鍋爐項目上節省了大量的時間與成本，目前正將其用于Ferroli的更多項目上。例如，Fluent軟件正用于熱泵和生物質燃燒產品等新設計的仿真中，此外，仿真應用范圍還在擴展，以解決更多問題，并提高現有產品的性能。

文中涉及的工具：

Ansys Fluent

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來源：Stefano Argenton，Ansys Advantge