摘要：本文通過對波紋管熱交換器的換熱面積設(shè)計進(jìn)行理論推導(dǎo)，并對波紋管換熱器與翅片式銅換熱器在常規(guī)冷凝壁掛爐上的性能測試和對比，對不銹鋼波紋管換熱器進(jìn)行耐腐蝕性驗證，從而進(jìn)一步了解不銹鋼波紋管換熱器在常規(guī)冷凝壁掛爐上應(yīng)用優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：壁掛爐不銹鋼波紋管冷凝換熱器強(qiáng)化傳熱耐腐蝕熱效率
1背景隨著我國家電節(jié)能補貼政策正式出臺，一級能效(熱效率為96%以上)的壁掛爐能獲得200元/臺～400元/臺的節(jié)能補貼。目前只有冷凝式壁掛爐能達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)而獲得補貼，這對加快冷凝式壁掛爐在國內(nèi)市場的推廣普及有重要作用。隨著冷凝機(jī)的銷售占比上升，壁掛爐行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)將迎來新的調(diào)整，向著節(jié)能減排的大趨勢發(fā)展。
冷凝壁掛爐主要分為兩種：
一種是全預(yù)混冷凝機(jī)，其熱效率高達(dá)108%，具有超低污染物排放。由于全預(yù)混冷凝技術(shù)在國內(nèi)還處于一個發(fā)展初期，且核心部件主要以進(jìn)口為主，造價昂貴，未能廣泛推廣
另一種是常規(guī)冷凝機(jī)是在普通機(jī)型上增加一個二級冷凝換熱器，其熱效率可達(dá)105%以上，由于該冷凝機(jī)技術(shù)成熟，成本低且對高效節(jié)能，因此大力發(fā)展常規(guī)冷凝機(jī)最符合當(dāng)前國情。
二級冷凝換熱器防酸性冷凝液的腐蝕是常規(guī)冷凝壁掛爐的一個重大技術(shù)問題，現(xiàn)行的解決方法有兩種：
一種是采用傳統(tǒng)的銅肋片管換熱器浸涂耐溫防腐蝕涂料，以抵抗酸性冷凝液的腐蝕。
另一種是用耐酸性腐蝕的材料(如不銹鋼，鋁合金等)制作換熱器。而近年來很多生產(chǎn)燃?xì)鉄崴鞯钠髽I(yè)逐漸采用不銹鋼波紋管制作的冷凝換熱器代替銅換熱器作為冷凝燃?xì)鉄崴鞫壚淠龘Q熱器，而應(yīng)用在壁掛爐上還比較少，由于壁掛爐功率大，連續(xù)運行時間長，使用壽命要求更高，因此其設(shè)計技術(shù)及工藝要求更高。
2強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)波紋管特殊的波峰與波谷設(shè)計使管內(nèi)流道截面連續(xù)不斷地突變，管內(nèi)流動分為等直徑流速型式和弧形流速型式，冷熱液體流動時會產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動，流動狀態(tài)達(dá)到充分湍流時，會極大地破壞了邊界層的形成，流體主流中由于旋渦叢生，流體各部分相互混合使對流傳熱的主要熱阻被有效地克服，管外煙氣流過時形成許多小的局部旋流，因此管內(nèi)外傳熱被同時強(qiáng)化，因而傳熱系數(shù)很高，一般為光管的2倍。不銹鋼波紋管冷凝換熱器總成主要由冷凝殼體、波紋管冷凝換熱器、導(dǎo)流板、冷凝殼蓋板等組成。
其工作原理：高溫?zé)煔饨?jīng)主換熱器首次換熱后，溫度降到140℃以下進(jìn)入冷凝換熱器煙氣進(jìn)口，沿著設(shè)定的通道流動，(圖中箭頭所示方向)，經(jīng)二次換熱后排煙溫度降低到露點以下，煙氣中大量水蒸氣冷凝放出汽化潛熱和采暖通道里的冷水進(jìn)行換熱，然后流經(jīng)煙氣出口由排煙管排出低溫?zé)煔?，煙氣中的水蒸氣同時冷凝成水滴下落進(jìn)集水盒，經(jīng)排水口和中和器處理后排入下水道。采暖回水經(jīng)冷凝換熱器吸收煙氣液化產(chǎn)生的潛熱后被加熱再進(jìn)入主換熱器。
該冷凝換熱器具備以下特點：
1)以波浪形狀布置讓波紋管在有限的空間里，以設(shè)計最大換熱面積并形成簡單、緊湊的水路通道。
2)增加導(dǎo)流板讓煙氣按設(shè)定的路徑流動，增加煙氣流程，讓煙氣與換熱器各位置充分均勻的接觸，以提高換熱效率。
3)波紋管采用多組并聯(lián)，水流通道大，行程短，流動阻力小，由于管與管之間空隙大，形成較大的煙氣通道，避免了因煙道阻力過大而加大風(fēng)機(jī)抽力。
4)波紋管焊接部位少，工藝簡單，采用適宜的不銹鋼材料，能很好的耐酸性冷凝水腐蝕。對于采用多大的換熱面積才達(dá)到所需要功率的能效要求，是設(shè)計一個冷凝換熱器的重點，一般通過制作不同換熱面積的手板進(jìn)行測試對比，再通過推算以確定換熱器的面積，同時為了減少制作手板的次數(shù)，可以通過理論粗略計算出所需要的換熱面積。下面對輸入功率30kW的常規(guī)冷凝壁掛爐冷凝換熱器進(jìn)行推算，其設(shè)計熱效率97%(按供暖出水溫度80℃，回水溫度60℃計算)，煙氣經(jīng)過主換熱器一次換熱后溫度降為140℃，經(jīng)冷凝換熱器后煙氣溫度降為85℃，根據(jù)傳熱方程式Q=km△tm進(jìn)行推算。設(shè)計采用管徑￠12，壁厚0.3mm波紋管，采用同管徑的光管來代替波紋管進(jìn)行簡化計算。
(1)綜合傳熱系數(shù)根據(jù)傳熱學(xué)原理，光管總阻值公式：
(1)式中a1水側(cè)對流換熱系數(shù)，取1x104W/(m℃)a2煙氣側(cè)對流換熱系數(shù)，取150W/(m℃)不銹鋼波紋客壁厚，取0.不銹鋼熱導(dǎo)率，取15W/(m℃)將上述參數(shù)代入式(1)，則參考有關(guān)資料[3]和[4]，波紋管的傳熱系數(shù)按光管的154%進(jìn)行計算。k=220.2W/(m℃)Q按30kW常規(guī)壁掛爐能效90%提升到97%所需要的熱負(fù)荷，取Q=2100W通過計算則冷凝換熱后的出熱水溫度t=60+3.3=63.3℃?zhèn)鳠釡夭罟剑?/p>
(2)取校正系數(shù)0.8，則校正溫差為：△tm=46.20.8=36.96℃根據(jù)傳熱方程式：Q=km△tm
(3)傳熱面積為：
3性能測試與分析利用冷凝殼體有效空間布置最大換熱面，通過實際測試選定￠12波紋管，8組并聯(lián)，換熱面積A=0.238m進(jìn)行整機(jī)性能測試，測試條件按GB25034-2010相關(guān)規(guī)定，試驗結(jié)果如表1,樣機(jī)的各項性能符合國標(biāo)要求，能效等級達(dá)到1級標(biāo)準(zhǔn)。圖5銅換熱器與波紋管換熱器壓力與流量關(guān)系通過調(diào)節(jié)采暖回水溫度，測試排煙溫度對熱效率的影響如圖3,當(dāng)煙氣溫度降到60℃以下時，熱效率明顯升高，當(dāng)排煙溫度低于煙氣露點時(天燃?xì)鉃?7℃)煙氣中出現(xiàn)部分冷凝，進(jìn)一步釋放出其潛熱。采用輸入功率為30kW常規(guī)冷凝壁掛爐在保持主換熱器、燃燒器、風(fēng)機(jī)等關(guān)鍵配件及結(jié)構(gòu)不變的情況下，采用了￠16單管4回程，換熱面積為0.22m翅片式銅換熱器進(jìn)行測試，實驗結(jié)果如表1，性能符合國標(biāo)要求，熱效率比波紋管換熱器略高，但總重量比波紋管重60%。并對在1.05倍額定熱負(fù)荷下采用黃火界限氣代替測試(3m同軸煙管)進(jìn)行了抽樣測試，煙氣(CO)(=1)/ppm含量如圖4所示，表明采用波紋管冷凝換熱器的CO明顯低于銅換熱器的機(jī)型。由于波紋管之間的排列有較大的間隙，使得煙氣阻力小，因此在1.05倍的額定熱負(fù)荷下依然能滿足供氧燃燒。
4耐腐蝕試驗由于燃?xì)馊紵髸a(chǎn)生SOx、NOx等酸性氣體，當(dāng)這些氣體與冷凝水直接接觸時會溶于水中，使用得冷凝換熱器上產(chǎn)生的冷凝水程酸性，其PH值在4.0～5.0之間。因此冷凝換熱器要具有良好的抗酸性腐蝕能力才能保證其使用壽命。波紋管冷凝換熱器主要由不銹鋼波紋管(表面鍍鎳)、不銹鋼管板與接頭組成，兩者通過采用鎳焊或者耐腐蝕材料焊接在一起。不銹鋼316材料通用性廣，對大部分有機(jī)酸和無機(jī)酸亦具有良好的耐腐蝕能力，表面光澤度高，耐熱性好，同時具有良好的焊接性能，因此所制作的波紋管冷凝換熱器選用316材質(zhì)。根據(jù)換熱器的使用環(huán)境和使用年限要求，通過多種實驗?zāi)M實際使用情況對不銹鋼波紋管冷凝換熱器應(yīng)用的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行了驗證。
4.1耐酸性試驗
實驗?zāi)康模候炞C波紋管冷凝換熱器抗酸性腐蝕能力。試驗方法：抽取2個不銹鋼波紋管換熱器總成放入PH值為：3～3.5的冷凝水中浸泡120h，每天浸泡24h，檢查冷凝器總成是否有腐蝕現(xiàn)象。試驗前和試驗后，耐水壓檢測波紋管冷凝換熱器總成水壓上限值的1.25倍，且不低于1.0MPa的水壓下持續(xù)10min，檢查是否有滲漏和變形現(xiàn)象。試驗結(jié)果：經(jīng)過120h的浸泡PH值為3～3.5冷凝水，檢查冷凝器總成發(fā)現(xiàn)表面無腐蝕現(xiàn)象，焊接處無明顯變色，如圖6所示，耐水壓1.25MPa檢測冷凝器總成無滲漏和變形現(xiàn)象。4.2鹽霧試驗試驗?zāi)康模蝴}霧腐蝕就是一種常見和最有破壞性的大氣腐蝕。通過鹽霧試驗加速不銹鋼波紋管的腐蝕速度來考核其抗腐蝕性能。如經(jīng)過48h的加速腐蝕可能相當(dāng)于在天然暴露環(huán)境下腐蝕2年以上的腐蝕程度。
試驗條件：氯化鈉溶液濃度：5%1%，試驗溫度35℃，飽和空氣溫度：47℃，調(diào)壓閥壓力：0.07MPa溶液PH值6.5～7.2。
試驗方法：抽取2個不銹鋼波紋管換熱器(不銹鋼接頭，波紋管表面鍍鎳)置于鹽霧實驗箱里48h，檢查換熱器外表面顏色是否出明顯變化。實驗結(jié)果：經(jīng)過48h后，波紋管與管板焊接位置表面無明顯變化，其抗腐蝕性能符合要求。4.3整機(jī)壽命試驗試驗?zāi)康模簩Σ讳P鋼波紋管冷凝換熱器在整機(jī)上使用進(jìn)行耐久性驗證。試驗方法：選用氣種為12T的24kW常規(guī)冷凝壁掛爐掛上耐久試驗臺工作循環(huán)次數(shù)5000次，每次燃燒10min，相關(guān)于連續(xù)4個月工作時間，每天工作8h后,檢查冷凝換熱器是否有失效現(xiàn)象，對整機(jī)的性能進(jìn)行可靠性測試。
試驗結(jié)果：
1、整機(jī)換熱率由97.8%經(jīng)過耐久試驗換熱效率降低1.3%，依然能達(dá)到一級能效標(biāo)準(zhǔn)。
2、波紋管表面沒出現(xiàn)明顯的腐蝕，管板焊接位置出現(xiàn)少量的腐蝕，如圖7所示。通過以上試驗過看出：所采用的304不銹鋼波紋管有很強(qiáng)的耐腐蝕性，能長期抵抗高溫環(huán)境下的酸性腐蝕。在波紋管與管板之間的焊縫及其附近是最容易發(fā)生腐蝕。其原因主要有以下幾點：
(1)焊縫造成了縫隙腐蝕。
(2)焊接過程中焊縫附近的溫度達(dá)到了合金(不銹鋼)的敏化溫度，引起晶間腐蝕。
(3)焊接過程中焊縫附近因受熱不均產(chǎn)生了熱應(yīng)力，容易引起應(yīng)力腐蝕破裂。
(4)其他還有因焊接工藝不良引起腐蝕。通過設(shè)計良好的制造工藝及制定合理的焊接規(guī)范才能避免出現(xiàn)上述造成腐蝕因素的關(guān)鍵，才能保證良好焊接的質(zhì)量。
3、波紋管具有良好的阻垢和自清洗特性。對連續(xù)工作了4個多月的不銹鋼冷凝換熱器經(jīng)剖切發(fā)現(xiàn)波紋管內(nèi)表面無明顯的變色及污垢。由于波紋管內(nèi)的流動狀態(tài)不僅存在二次擾流流動，而且還存在沿波紋管軸線方向流速周期性的脈動。這就決定了其污垢生成不易穩(wěn)定，污垢熱阻值較低且容易清洗。另外，由于流體界面溫度越高，CaCO3一類逆溶解介質(zhì)溶液的熱阻生成越容易。反之，污垢熱阻生成就較慢。波紋管總傳熱系數(shù)比光管高，可以降低流體的界面溫度，這也能減少污垢的生成。
5經(jīng)濟(jì)效益
1、在我國銅資源缺泛和消費激增的這種矛盾日益突出的今天，開發(fā)資源豐富，價格低，傳熱性能好的材料來代替銅作為換熱器的原材料迫在眉睫。我國鐵礦資源儲量豐富，價格穩(wěn)定較銅價要低得多，在選用不銹鋼波紋管制作的換熱器相比銅換熱器成本降低了8.2%。因此采用不銹鋼波紋管制作的換熱器代替銅換熱器在一定程度上節(jié)約了我銅資源的消耗，并降低了整機(jī)成本，有利于提升產(chǎn)品市場的競爭力。
2、銅換熱器要抵抗冷凝水腐蝕表面需浸涂防腐蝕涂料，其處理工藝比較復(fù)雜，雖然目前技術(shù)都比較成熟，但在生產(chǎn)過程環(huán)節(jié)如控制不嚴(yán)會造成用戶使用機(jī)器過程中換熱器產(chǎn)生大量腐蝕產(chǎn)物生成黏附其表，造成煙道阻塞使燃燒惡化。這種影響機(jī)器使用壽命的引患難以及時的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用戶使用到一定的年限問題才能呈現(xiàn)出來。而不銹鋼波紋管材質(zhì)由本身具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，使用壽命長，且換熱器制造工藝簡單，因此采用波紋管換熱器可靠性強(qiáng)，穩(wěn)定性好。
3、由于我國北方水質(zhì)較硬，壁掛爐在運行一段時間后容易產(chǎn)生水垢，導(dǎo)致?lián)Q熱效果差、引起噪音等問題的出現(xiàn)，因此一般每兩年要對壁掛爐的換熱器的管道進(jìn)行清洗維護(hù)，不銹銅波紋管換熱器具有抗垢能力強(qiáng)，自清冼特性，很好的避免了水垢引起的一系列問題，從而減少了用戶的維護(hù)成本。
6結(jié)論波紋管型冷凝換熱器以其傳熱效果好、耐腐蝕性強(qiáng)、不結(jié)垢、不易堵同時具有結(jié)構(gòu)與工藝簡單、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點，成為常規(guī)冷凝壁掛爐的一種實用新型、高效能的二級冷凝換熱器。