1970-01-01 来源：广东万和新电气股份有限公司 浏览量：8769
摘 要：本文通过对波纹管热交换器的换热面积设计进行理论推导，并对波纹管换热器与翅片式铜换热器在常规冷凝壁挂炉上的性能测试和对比，对不锈钢波纹管换热器进行耐腐蚀性验证，从而进一步了解不锈钢波纹管换热器在常规冷凝壁挂炉上应用优势。
关键词：
壁挂炉；不锈钢波纹管；冷凝换热器；强化传热；耐腐蚀；热效率
1 背景
随着我国家电节能补贴政策正式出台，一级能效（热效率为96%以上）的
壁挂炉能获得200元/台～400元/台的节能补贴。目前只有
冷凝式壁挂炉能达到这一标准而获得补贴，这对加快
冷凝式壁挂炉在国内市场的推广普及有重要作用。随着冷凝机的销售占比上升，
壁挂炉行业的产业结构将迎来新的调整，向着节能减排的大趋势发展。
冷凝
壁挂炉主要分为两种：一种是全预混冷凝机，其热效率高达108%，具有超低污染物排放。由于全预混冷凝技术在国内还处于一个发展初期，且核心部件主要以进口为主，造价昂贵，未能广泛推广；另一种是常规冷凝机是在普通机型上增加一个二级冷凝换热器，其热效率可达105%以上，由于该冷凝机技术成熟，成本低且对高效节能，因此大力发展常规冷凝机最符合当前国情。二级冷凝换热器防酸性冷凝液的腐蚀是常规冷凝
壁挂炉的一个重大技术问题，现行的解决方法有两种：一种是采用传统的铜肋片管换热器浸涂耐温防腐蚀涂料，以抵抗酸性冷凝液的腐蚀。另一种是用耐酸性腐蚀的材料（如不锈钢，铝合金等）制作换热器。而近年来很多生产燃气热水器的企业逐渐采用不锈钢波纹管制作的冷凝换热器代替铜换热器作为冷凝燃气热水器二级冷凝换热器，而应用在
壁挂炉上还比较少，由于
壁挂炉功率大，连续运行时间长，使用寿命要求更高，因此其设计技术及工艺要求更高。
2 强化换热结构
波纹管特殊的波峰与波谷设计使管内流道截面连续不断地突变，管内流动分为等直径流速型式和弧形流速型式，冷热液体流动时会产生强烈扰动，流动状态达到充分湍流时，会极大地破坏了边界层的形成，流体主流中由于旋涡丛生，流体各部分相互混合使对流传热的主要热阻被有效地克服，管外烟气流过时形成许多小的局部旋流，因此管内外传热被同时强化，因而传热系数很高，一般为光管的2倍。
不锈钢波纹管冷凝换热器总成主要由冷凝壳体、 波纹管冷凝换热器、导流板、冷凝壳盖板等组成。其工作原理：高温烟气经主换热器首次换热后，温度降到140℃以下进入冷凝换热器烟气进口，沿着设定的通道流动，（图中箭头所示方向），经二次换热后排烟温度降低到露点以下，烟气中大量水蒸气冷凝放出汽化潜热和采暖通道里的冷水进行换热，然后流经烟气出口由排烟管排出低温烟气，烟气中的水蒸气同时冷凝成水滴下落进集水盒，经排水口和中和器处理后排入下水道。采暖回水经冷凝换热器吸收烟气液化产生的潜热后被加热再进入主换热器。
该冷凝换热器具备以下特点：
1)以波浪形状布置让波纹管在有限的空间里，以设计最大换热面积并形成简单、紧凑的水路通道。
2)增加导流板让烟气按设定的路径流动，增加烟气流程，让烟气与换热器各位置充分均匀的接触，以提高换热效率。
3)波纹管采用多组并联，水流通道大，行程短，流动阻力小，由于管与管之间空隙大，形成较大的烟气通道，避免了因烟道阻力过大而加大风机抽力。
4)波纹管焊接部位少，工艺简单，采用适宜的不锈钢材料，能很好的耐酸性冷凝水腐蚀。
对于采用多大的换热面积才达到所需要功率的能效要求，是设计一个冷凝换热器的重点，一般通过制作不同换热面积的手板进行测试对比，再通过推算以确定换热器的面积，同时为了减少制作手板的次数，可以通过理论粗略计算出所需要的换热面积。下面对输入功率30kW的常规冷凝
壁挂炉冷凝换热器进行推算，其设计热效率97%（按供暖出水温度80℃，回水温度60℃计算），烟气经过主换热器一次换热后温度降为140℃，经冷凝换热器后烟气温度降为85℃，根据传热方程式Q=km△tm进行推算。设计采用管径￠12，壁厚0.3mm波纹管，采用同管径的光管来代替波纹管进行简化计算。
(1)综合传热系数
根据传热学原理，光管总阻值公式：
（1）
式中a1——水侧对流换热系数，取1x104W/(m²•℃)；
a2——烟气侧对流换热系数，取150W/(m²•℃)；
δ——不锈钢波纹客壁厚，取0.3mm；
λ——不锈钢热导率，取15W/(m•℃)；
将上述参数代入式(1)，
则
参考有关资料[3]和[4]，波纹管的传热系数按光管的154%进行计算。
k′=220.2W/(m²•℃)
Q按30kW常规
壁挂炉能效90%提升到97%所需要的热负荷，取Q=2100W
通过计算则冷凝换热后的出热水温度t=60+3.3=63.3℃
传热温差公式：
（2）
取校正系数0.8，则校正温差为：
△tm′=46.2×0.8=36.96℃
根据传热方程式：
Q=km△tm （3）
传热面积为：
3 性能测试与分析
利用冷凝壳体有效空间布置最大换热面，通过实际测试选定￠12x0.3波纹管，8组并联，换热面积A=0.238m²进行整机性能测试，测试条件按GB25034-2010相关规定，试验结果如表1,样机的各项性能符合国标要求，能效等级达到1级标准。
图5 铜换热器与波纹管换热器压力与流量关系
通过调节采暖回水温度，测试排烟温度对热效率的影响如图3,当烟气温度降到60℃以下时，热效率明显升高，当排烟温度低于烟气露点时（天燃气为57℃）烟气中出现部分冷凝，进一步释放出其潜热。
采用输入功率为30kW常规冷凝
壁挂炉在保持主换热器、燃烧器、风机等关键配件及结构不变的情况下，采用了￠16x0.8单管4回程，换热面积为0.22m²翅片式铜换热器进行测试，实验结果如表1，性能符合国标要求，热效率比波纹管换热器略高，但总重量比波纹管重60%。并对在1.05倍额定热负荷下采用黄火界限气代替测试（3m同轴烟管)进行了抽样测试，烟气(CO)(α=1)/ppm含量如图4所示，表明采用波纹管冷凝换热器的CO明显低于铜换热器的机型。由于波纹管之间的排列有较大的间隙，使得烟气阻力小，因此在1.05倍的额定热负荷下依然能满足供氧燃烧。
4 耐腐蚀试验
由于燃气燃烧后会产生SOx、NOx等酸性气体，当这些气体与冷凝水直接接触时会溶于水中，使用得冷凝换热器上产生的冷凝水程酸性，其PH值在4.0～5.0之间。因此冷凝换热器要具有良好的抗酸性腐蚀能力才能保证其使用寿命。波纹管冷凝换热器主要由不锈钢波纹管（表面镀镍）、不锈钢管板与接头组成，两者通过采用镍焊或者耐腐蚀材料焊接在一起。不锈钢316材料通用性广，对大部分有机酸和无机酸亦具有良好的耐腐蚀能力，表面光泽度高，耐热性好，同时具有良好的焊接性能，因此所制作的波纹管冷凝换热器选用316材质。根据换热器的使用环境和使用年限要求，通过多种实验模拟实际使用情况对不锈钢波纹管冷凝换热器应用的稳定性和可靠性进行了验证。
4.1 耐酸性试验
实验目的：验证波纹管冷凝换热器抗酸性腐蚀能力。
试验方法：抽取2个不锈钢波纹管换热器总成放入PH值为：3～3.5的冷凝水中浸泡120h，每天浸泡24h，检查冷凝器总成是否有腐蚀现象。试验前和试验后，耐水压检测波纹管冷凝换热器总成水压上限值的1.25倍，且不低于1.0MPa的水压下持续10min，检查是否有渗漏和变形现象。
试验结果：经过120h的浸泡PH值为3～3.5冷凝水，检查冷凝器总成发现表面无腐蚀现象，焊接处无明显变色，如图6所示，耐水压1.25MPa检测冷凝器总成无渗漏和变形现象。
4.2 盐雾试验
试验目的：盐雾腐蚀就是一种常见和最有破坏性的大气腐蚀。通过盐雾试验加速不锈钢波纹管的腐蚀速度来考核其抗腐蚀性能。如经过48h的加速腐蚀可能相当于在天然暴露环境下腐蚀2年以上的腐蚀程度。
试验条件：氯化钠溶液浓度：5%±1%，试验温度35℃，饱和空气温度：47℃，调压阀压力：0.07MPa溶液PH值6.5～7.2。
试验方法：抽取2个不锈钢波纹管换热器（不锈钢接头，波纹管表面镀镍）置于盐雾实验箱里48h，检查换热器外表面颜色是否出明显变化。
实验结果：经过48h后，波纹管与管板焊接位置表面无明显变化，其抗腐蚀性能符合要求。
4.3 整机寿命试验
试验目的：对不锈钢波纹管冷凝换热器在整机上使用进行耐久性验证。
试验方法：选用气种为12T的24kW常规冷凝
壁挂炉挂上耐久试验台工作循环次数5000次，每次燃烧10min，相关于连续4个月工作时间，每天工作8h后,检查冷凝换热器是否有失效现象，对整机的性能进行可靠性测试。
试验结果：
1、整机换热率由97.8%经过耐久试验换热效率降低1.3%，依然能达到一级能效标准。
2、波纹管表面没出现明显的腐蚀，管板焊接位置出现少量的腐蚀，如图7所示。
通过以上试验过看出：
所采用的304不锈钢波纹管有很强的耐腐蚀性，能长期抵抗高温环境下的酸性腐蚀。在波纹管与管板之间的焊缝及其附近是最容易发生腐蚀。其原因主要有以下几点：
（1）焊缝造成了缝隙腐蚀。
（2）焊接过程中焊缝附近的温度达到了合金（不锈钢）的敏化温度，引起晶间腐蚀。
（3）焊接过程中焊缝附近因受热不均产生了热应力，容易引起应力腐蚀破裂。
（4）其他还有因焊接工艺不良引起腐蚀。
通过设计良好的制造工艺及制定合理的焊接规范才能避免出现上述造成腐蚀因素的关键，才能保证良好焊接的质量。
3、波纹管具有良好的阻垢和自清洗特性。对连续工作了4个多月的不锈钢冷凝换热器经剖切发现波纹管内表面无明显的变色及污垢。由于波纹管内的流动状态不仅存在二次扰流流动，而且还存在沿波纹管轴线方向流速周期性的脉动。这就决定了其污垢生成不易稳定，污垢热阻值较低且容易清洗。另外，由于流体界面温度越高，CaCO3一类逆溶解介质溶液的热阻生成越容易。反之，污垢热阻生成就较慢。波纹管总传热系数比光管高，可以降低流体的界面温度，这也能减少污垢的生成。
5 经济效益
1、在我国铜资源缺泛和消费激增的这种矛盾日益突出的今天，开发资源丰富，价格低，传热性能好的材料来代替铜作为换热器的原材料迫在眉睫。我国铁矿资源储量丰富，价格稳定较铜价要低得多，在选用不锈钢波纹管制作的换热器相比铜换热器成本降低了8.2%。因此采用不锈钢波纹管制作的换热器代替铜换热器在一定程度上节约了我铜资源的消耗，并降低了整机成本，有利于提升产品市场的竞争力。
2、铜换热器要抵抗冷凝水腐蚀表面需浸涂防腐蚀涂料，其处理工艺比较复杂，虽然目前技术都比较成熟，但在生产过程环节如控制不严会造成用户使用机器过程中换热器产生大量腐蚀产物生成黏附其表，造成烟道阻塞使燃烧恶化。
这种影响机器使用寿命的引患难以及时的发现，当用户使用到一定的年限问题才能呈现出来。而不锈钢波纹管材质由本身具有优良的耐腐蚀性能，使用寿命长，且换热器制造工艺简单，因此采用波纹管换热器可靠性强，稳定性好。
3、由于我国北方水质较硬，
壁挂炉在运行一段时间后容易产生水垢，导致换热效果差、引起噪音等问题的出现，因此一般每两年要对
壁挂炉的换热器的管道进行清洗维护，不锈铜波纹管换热器具有抗垢能力强，自清冼特性，很好的避免了水垢引起的一系列问题，从而减少了用户的维护成本。
6 结论
波纹管型冷凝换热器以其传热效果好、耐腐蚀性强、不结垢、不易堵同时具有结构与工艺简单、适应性强等优点，成为常规冷凝
壁挂炉的一种实用新型、高效能的二级冷凝换热器。
参考文献
[1] 夏昭知等，冷凝式燃气热水器，第1版，重庆大学出版社，重庆，2008
[2] 杨世铭等，传热学，第4版，高等教育出版社，北京，2006
[3] 钱颂文等，管式换热器强化传热技术，第1版 化学工业出版社，北京，2003
[4] 谭羽非，不锈钢波纹管强化传热机理分析及在换热器中的应用，哈尔滨工业大学
