摘要：本文通過對波紋管熱交換器的換熱面積設計進行理論推導，并對波紋管換熱器與翅片式銅換熱器在常規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行耐腐蝕性驗證，從而進一步了解不銹鋼波紋管換熱器在常規冷凝壁掛爐上應用優勢。

關鍵詞：壁掛爐不銹鋼波紋管冷凝換熱器強化傳熱耐腐蝕熱效率

1背景隨著我國家電節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/臺的節能補貼。目前只有冷凝式壁掛爐能達到這一標準而獲得補貼，這對加快冷凝式壁掛爐在國內市場的推廣普及有重要作用。隨著冷凝機的銷售占比上升，壁掛爐行業的產業結構將迎來新的調整，向著節能減排的大趨勢發展。

冷凝壁掛爐主要分為兩種：

一種是全預混冷凝機，其熱效率高達108%，具有超低污染物排放。由于全預混冷凝技術在國內還處于一個發展初期，且核心部件主要以進口為主，造價昂貴，未能廣泛推廣

另一種是常規冷凝機是在普通機型上增加一個二級冷凝換熱器，其熱效率可達105%以上，由于該冷凝機技術成熟，成本低且對高效節能，因此大力發展常規冷凝機最符合當前國情。

二級冷凝換熱器防酸性冷凝液的腐蝕是常規冷凝壁掛爐的一個重大技術問題，現行的解決方法有兩種：

一種是采用傳統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。而近年來很多生產燃氣熱水器的企業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氣熱水器二級冷凝換熱器，而應用在壁掛爐上還比較少，由于壁掛爐功率大，連續運行時間長，使用壽命要求更高，因此其設計技術及工藝要求更高。

2強化換熱結構波紋管特殊的波峰與波谷設計使管內流道截面連續不斷地突變，管內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生強烈擾動，流動狀態達到充分湍流時，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，因此管內外傳熱被同時強化，因而傳熱系數很高，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、導流板、冷凝殼蓋板等組成。

其工作原理：高溫煙氣經主換熱器首次換熱后，溫度降到140℃以下進入冷凝換熱器煙氣進口，沿著設定的通道流動，(圖中箭頭所示方向)，經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行換熱，然后流經煙氣出口由排煙管排出低溫煙氣，煙氣中的水蒸氣同時冷凝成水滴下落進集水盒，經排水口和中和器處理后排入下水道。采暖回水經冷凝換熱器吸收煙氣液化產生的潛熱后被加熱再進入主換熱器。

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，以設計最大換熱面積并形成簡單、緊湊的水路通道。

2)增加導流板讓煙氣按設定的路徑流動，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，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機抽力。

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到所需要功率的能效要求，是設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，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的常規冷凝壁掛爐冷凝換熱器進行推算，其設計熱效率97%(按供暖出水溫度80℃，回水溫度60℃計算)，煙氣經過主換熱器一次換熱后溫度降為140℃，經冷凝換熱器后煙氣溫度降為85℃，根據傳熱方程式Q=km△tm進行推算。設計采用管徑￠12，壁厚0.3mm波紋管，采用同管徑的光管來代替波紋管進行簡化計算。

(1)綜合傳熱系數根據傳熱學原理，光管總阻值公式：

(1)式中a1水側對流換熱系數，取1x104W/(m℃)a2煙氣側對流換熱系數，取150W/(m℃)不銹鋼波紋客壁厚，取0.不銹鋼熱導率，取15W/(m℃)將上述參數代入式(1)，則參考有關資料[3]和[4]，波紋管的傳熱系數按光管的154%進行計算。k=220.2W/(m℃)Q按30kW常規壁掛爐能效90%提升到97%所需要的熱負荷，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℃傳熱溫差公式：

(2)取校正系數0.8，則校正溫差為：△tm=46.20.8=36.96℃根據傳熱方程式：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，換熱面積A=0.238m進行整機性能測試，測試條件按GB25034-2010相關規定，試驗結果如表1,樣機的各項性能符合國標要求，能效等級達到1級標準。圖5銅換熱器與波紋管換熱器壓力與流量關系通過調節采暖回水溫度，測試排煙溫度對熱效率的影響如圖3,當煙氣溫度降到60℃以下時，熱效率明顯升高，當排煙溫度低于煙氣露點時(天燃氣為57℃)煙氣中出現部分冷凝，進一步釋放出其潛熱。采用輸入功率為30kW常規冷凝壁掛爐在保持主換熱器、燃燒器、風機等關鍵配件及結構不變的情況下，采用了￠16單管4回程，換熱面積為0.22m翅片式銅換熱器進行測試，實驗結果如表1，性能符合國標要求，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倍額定熱負荷下采用黃火界限氣代替測試(3m同軸煙管)進行了抽樣測試，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倍的額定熱負荷下依然能滿足供氧燃燒。

4耐腐蝕試驗由于燃氣燃燒后會產生SOx、NOx等酸性氣體，當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，對大部分有機酸和無機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。根據換熱器的使用環境和使用年限要求，通過多種實驗模擬實際使用情況對不銹鋼波紋管冷凝換熱器應用的穩定性和可靠性進行了驗證。

4.1耐酸性試驗

實驗目的：驗證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10min，檢查是否有滲漏和變形現象。試驗結果：經過120h的浸泡PH值為3～3.5冷凝水，檢查冷凝器總成發現表面無腐蝕現象，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象。4.2鹽霧試驗試驗目的：鹽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。如經過48h的加速腐蝕可能相當于在天然暴露環境下腐蝕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。實驗結果：經過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整機壽命試驗試驗目的：對不銹鋼波紋管冷凝換熱器在整機上使用進行耐久性驗證。試驗方法：選用氣種為12T的24kW常規冷凝壁掛爐掛上耐久試驗臺工作循環次數5000次，每次燃燒10min，相關于連續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象，對整機的性能進行可靠性測試。

試驗結果：

1、整機換熱率由97.8%經過耐久試驗換熱效率降低1.3%，依然能達到一級能效標準。

2、波紋管表面沒出現明顯的腐蝕，管板焊接位置出現少量的腐蝕，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的耐腐蝕性，能長期抵抗高溫環境下的酸性腐蝕。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生了熱應力，容易引起應力腐蝕破裂。

(4)其他還有因焊接工藝不良引起腐蝕。通過設計良好的制造工藝及制定合理的焊接規范才能避免出現上述造成腐蝕因素的關鍵，才能保證良好焊接的質量。

3、波紋管具有良好的阻垢和自清洗特性。對連續工作了4個多月的不銹鋼冷凝換熱器經剖切發現波紋管內表面無明顯的變色及污垢。由于波紋管內的流動狀態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經濟效益

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約了我銅資源的消耗，并降低了整機成本，有利于提升產品市場的競爭力。

2、銅換熱器要抵抗冷凝水腐蝕表面需浸涂防腐蝕涂料，其處理工藝比較復雜，雖然目前技術都比較成熟，但在生產過程環節如控制不嚴會造成用戶使用機器過程中換熱器產生大量腐蝕產物生成黏附其表，造成煙道阻塞使燃燒惡化。這種影響機器使用壽命的引患難以及時的發現，當用戶使用到一定的年限問題才能呈現出來。而不銹鋼波紋管材質由本身具有優良的耐腐蝕性能，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，穩定性好。

3、由于我國北方水質較硬，壁掛爐在運行一段時間后容易產生水垢，導致換熱效果差、引起噪音等問題的出現，因此一般每兩年要對壁掛爐的換熱器的管道進行清洗維護，不銹銅波紋管換熱器具有抗垢能力強，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成本。

6結論波紋管型冷凝換熱器以其傳熱效果好、耐腐蝕性強、不結垢、不易堵同時具有結構與工藝簡單、適應性強等優點，成為常規冷凝壁掛爐的一種實用新型、高效能的二級冷凝換熱器。