储蓄激增

Stefano Argenton，研发产品开发，ferrli, San Bonifacio，意大利

燃气冷凝锅炉依赖于热交换器管内流动的热烟气和水之间的成功热交换。锅炉和可再生能源产品制造商Ferroli使用Ansys Fluent来满足市场对高效热交换器的需求。该结果使其工程师能够为坚固，高性能的冷凝热发生器创建优化设计。

燃气锅炉广泛用于为家庭和商业集中供暖系统提供动力。与传统的锅炉设计不同，冷凝锅炉技术可以回收热量损失。由于冷凝锅炉更节能、更环保，一些国家要求在新装置中使用冷凝锅炉。

Ferroli是一家意大利加热设备制造商，于1955年在维罗纳附近成立。该公司为全球市场带来了许多家电，包括一系列燃气冷凝锅炉。凭借创新的设计，这些锅炉提供100%的热效率-一种衡量换热器将热量从燃烧过程传递到锅炉中的水或蒸汽的能力。

新设计(左)和旧设计的速度剖面比较

经过基准分析，市场部和研发总监决定需要一台新的锅炉。主要目标之一是提高效率和健壮性。Ferroli的工程师使用Ansys Fluent计算流体动力学(CFD)软件对其进行设计。模拟的结果使工程师能够创建一个良好的设计，实现设备的效率和耐用性的要求。

锅炉内部

在加热系统中循环的冷却水，通过锅炉底部的管道进入。当它通过热交换器向上流动时，它被重新加热。然后，热水通过锅炉顶部的“供应”管道离开，继续在供暖系统周围循环。

当烟气从燃烧室通过壳体向下传导时，其热量也传递给冷却的给水。随着烟气冷却，其中的水蒸气逐渐凝结。冷凝水通过污水管道排出。因此，冷凝技术回收了原本会通过烟道散失到环境中的热量。

热交换器中对两种流体之间成功的热传递至关重要的部件是管板和挡板。管板是固定在热交换器两端的板。它被焊接到外壳上，并包括一些孔，通过这些孔插入装有流动水的管子。位于壳体内的挡板设计用于支持管道并将烟气直接穿过管束，从而实现有效的传热。

使用Ansys Fluent, Ferroli立即节省了75,000欧元的设备和劳动力成本，但使其更快进入市场的收益是不可估量的。

新型折流板形状下的新型锅炉速度分布

以前锅炉挡板的速度分布设计

设备改进的关键

当Ferroli的工程师们开始对新锅炉进行设计研究时，首先关注的是热交换器内部形成水垢的可能性。水垢是硬水的产物。根据你生活在世界上的不同地方，水的特点是硬的或软的。硬水含有大量溶解的矿物质，如钙和镁，它们会在管道中沉淀，形成坚硬的白垩沉积物。水垢在热交换器中的积累导致水被困住并过热，从而提高了钢管板的温度。

雇用的工程师Ansys流利分析换热器内部水分布的软件。他们的目标是提高管板下的热交换系数，从而提高水流速度。

为了预测水进入换热器后的流动行为及其在管内的分布情况，利用Fluent求解了流速、流道和换热等方程。特别是，工程师们使用K-epsilon湍流模型特征来预测湍流。

重新设计前(左)和重新设计后上板温度的模拟

为解决问题而采取的步骤

工程师们从分析以前的锅炉设计开始，作为新锅炉设计研究的起点。除了用Ansys网格创建的网格虚拟模型外，在Ferroli的测试实验室中还测试了一个物理锅炉模型。将实验室试验结果与仿真结果进行了比较。根据实验室测试发现的传热和热损失边界条件，对模拟模型进行了更新。

根据模拟的结果，再加上多年来设计锅炉所积累的工程专业知识，工程团队决定更新挡板的形状。对这种新模型的分析表明，锅炉的流动和换热性能有了实质性的改善。

在设计上做了进一步的改变，减少了管板和挡板之间的空间，并在某些区域增加了挡板孔的直径，而在其他区域减小了它们。这一变化使得水流分布最佳，并增加了管板和挡板之间的水流速度。水垢不会在特定的水速值以上形成。此外，上板下较高的流速降低了钢的温度，从而提高了锅炉的使用寿命。

只进行了三次模拟就找到了锅炉的正确设计。该设计的原型于2018年8月在Ferroli的测试实验室生产并安装。经过一年的物理测试，原型机证实了Ansys分析的结果。

在极端工作条件下循环实验室试验的失效图。这种情况在实际的现场作业中很少遇到。

节省时间和金钱

此前，为了找到提高锅炉效率和耐用性的最佳解决方案，已经建造了四个物理原型。然而，使用Fluent CFD软件，新的锅炉模型只需要一个物理样机。考虑到制造和测试四个原型所需的时间，法罗里估计，通过使用模拟技术，它至少节省了一年的产品设计和开发时间。在那一年里，失去的机会和销售带来的相关成本是无法估量的。

除了节省宝贵的时间，模拟还为公司节省了大量的设备和劳动力。一个实体样机的建造成本为2万欧元(约合2.2万美元)，因此，通过在锅炉项目中使用模拟技术，法罗利立即节省了6万欧元。至少两家运营商需要5天的时间来准备测试并分析物理测试数据，预计成本约为1.5万欧元。

考虑到锅炉项目节省的时间和成本，Fluent CFD软件现在正在Ferroli的更多项目中使用。例如，它被用于模拟新的设计，如热泵和生物质燃烧产品。模拟的使用也在扩大，以解决其他问题并提高现有产品的性能。