（国家燃气用具产品质量监督检验中心（佛山） 佛山 528225 ）  林力 关健成

 

 

摘要：全预混冷凝式燃气采暖热水炉主要采用一体式换热器，其特点是既具有良好的抗腐蚀能力，又具有体积小、结构紧凑、高能效、安全可靠等优点。目前满足以上要求的一体式换热器主要有两类，分别是：不锈钢换热器和铸铝换热器。本文对这两类换热器的原理、结构和特点作了简要的介绍和分析。

 

关键词：不锈钢换热器、铸铝换热器、酸性冷凝液、换热。

 

1. 引言

燃气燃烧时产生的烟气中含有大量水蒸气，水蒸气在遇冷的情况下可凝结成水，这一过程称作水蒸气的冷凝。水蒸气的冷凝可释放出汽化潜热。冷凝式燃气采暖热水炉可以回收利用烟气中的水蒸气汽化潜热，因此，与普通燃气采暖热水炉相比，可以达到更高的热效率，但其换热器也需采用更复杂的结构。

一般来说，采用大气式燃烧器的冷凝式燃气采暖热水炉采用二级换热器结构，即通过主换热器先将烟气从高温降至露点温度以上，再通过冷凝换热器将烟气降温至露点温度以下。由于冷凝换热器部分的烟气温度低于露点温度，冷凝水主要在此产生。由于燃气中不可避免会含有硫化物，硫化物燃烧后生成SO₂，部分SO₂还会进一步氧化成SO₃，SO₃溶于冷凝水后成为硫酸，使冷凝水呈酸性，具有腐蚀作用^[1]。因此冷凝换热器通常使用耐腐蚀的不锈钢材料制造，而主换热器则使用不耐腐蚀但导热系数更高的铜材料制造。

而全预混冷凝式燃气采暖热水炉则主要采用一体式换热器，其特点是不再区分主换热器和冷凝换热器，整个换热过程由一个换热器完成，因此烟气可以在换热器的任何位置实现冷凝并产生冷凝水，这就要求整个换热器均需由抗腐蚀材料制造。同时，冷凝式燃气采暖热水炉还要求体积小，结构紧凑，因此，一体式换热器也要求体积小，结构紧凑，且兼具高能效和安全可靠。目前满足以上要求的一体式换热器主要有两类，分别是：不锈钢换热器和铸铝换热器。

以下将对这两类一体式换热器的原理、结构和特点作简要的介绍和分析。

2. 不锈钢换热器

不锈钢能够有效防止酸性冷凝液的腐蚀，是冷凝式燃气采暖热水炉换热器的理想材料。但其导热性能较差（如镍铬钢18%Cr8%Ni，导热系数16.3 J/(m·s·K)），不如铜（如纯铜，导热系数398 J/(m·s·K)）和铝（如铸铝4.5%Cu，导热系数168 J/(m·s·K)）^[2]，需要采取特殊措施强化换热，并通过合理设计换热器的结构，增大换热面积。

强化换热的措施主要是使烟气产生强烈紊流，加强换热强度。目前较通用的做法是用扁圆形（或矩形、圆形）的不锈钢管盘成螺旋形，并把燃烧器布置在螺旋形的中心，使燃烧烟气从螺旋形的中心产生后通过螺旋管间的缝隙排出。由于螺旋管间的缝隙很小，烟气在管间缝隙中以紊流状态通过，因此可大大提高传热系数。这种不锈钢管盘成螺旋形，燃烧器处于螺旋形中心的换热器称作不锈钢径向换热器。目前不锈钢径向换热器的制造工艺主要有以下几种。

（1）单层不锈钢螺旋形扁圆管工艺。就是先将不锈钢圆管盘成直径适当的螺旋形，然后通过挤压，使每一圈螺旋管压成扁圆的截面。这样既可以增加换热面积，又可以在螺旋管间形成狭长的缝隙。缝隙宽度很小，大约在0.6mm到0.8mm之间。高温烟气从燃烧器产生并通过这些狭长的缝隙时，可形成薄片状的紊流，大大提高了与不锈钢管间的传热系数。烟气在通过管间缝隙的同时，烟气温度也从数百摄氏度下降到水蒸气露点温度以下，使换热器实现了汽化潜热的回收^[3]58。经挤压后的螺旋形不锈钢扁管换热器见图1。换热器中的烟温分布和高温烟气通过不锈钢管缝隙时的温度分布模拟图分别见图2和图3。

图1 经挤压后的不锈钢螺 旋形扁管换热器[4]	图2 不锈钢径向换热器中烟温分布模拟[4]	图3 高温烟气通过不锈钢螺旋管缝隙时温度分布模拟[4]

 

这种不锈钢换热器管间缝隙虽然很小（一般为0.6mm-0.8mm），但燃气采暖热水炉燃烧后产生的烟尘飞灰直径一般在0.5mm以下，飞灰可以顺利通过管间缝隙。但飞灰也可能会因吸附冷凝酸液而相互间发生黏连，形成大朵飞灰颗粒，堵塞在不锈钢管间的缝隙中，形成“堵灰”现象。燃气采暖热水炉使用时间越长，越容易“堵灰”;在空气污染严重的地区，这种“堵灰”现象也会更显严重。由于不锈钢管外壁为圆弧形（未压扁部分），产生的飞灰、酸性冷凝液混合物无法积存在该部位，只能顺弧面回流至不锈钢管间的缝隙中。如果在缝隙间积聚了大量的“堵灰”和酸性冷凝液混合物，就会造成排烟不畅及对换热器管壁造成腐蚀。因此，使用这类换热器的用户必须每年由专业人员上门清理换热器管间的缝隙^[5]。

另外，由于这种换热器的不锈钢管是扁圆形，其管内过流横截面积较小，在硬水地区（钙、镁化合物大于450mg/L）^[6]，管内可能较容易结水垢，使不锈钢管堵塞甚至完全堵死。因此，此类换热器的水管路内建议使用专用的水垢还原剂，以延缓水垢的形成。

目前主流的全预混冷凝式燃气采暖热水炉中，有相当一部分产品使用这种扁圆形不锈钢螺旋管换热器，但换热器并非完全由一根圆管压制盘旋而成，而是由多根圆管分别压制盘旋而成的多个螺旋管并联组成。每个螺旋管称作一个单元，每个单元输出一定的功率（例如8-10kW），不同功率的燃气采暖热水炉换热器就按需要由数量不等的多个单元并联而成^[3]59。多单元并联组成换热器的优点，一是换热器组合模块化，产品配置灵活，使用方便；二是组成并联水路，即使其中一个单元结垢被堵死，其他单元仍能正常工作，提高了不锈钢换热器的可靠性。不锈钢螺旋管换热器的分解图及工作原理分别见图4和图5。

 

图4 不锈钢换热器分解图[7]	图5 不锈钢换热器螺旋管 单元并联工作原理[7]

 

不锈钢换热器还可通过合理设计的结构，增大换热面积。其中一种做法是把径向换热器用绝热隔板分割成两部分，即相当于将换热器分为一级换热和二级换热。由绝热隔板分成两部分的径向换热器内部结构见图6。在一级换热中，烟气从中心沿径向向外冲刷盘管；二级换热中，烟气从螺旋管外侧沿径向向中心冲刷盘管^[3]58。与直接让烟气通过螺旋盘管后直接排出相比，重新安排后烟气的流程可充分利用不锈钢盘管的所有表面，相当于增大了换热的面积。分成两部分的不锈钢径向换热器的烟气流程见图7。

 

 

（2）单层不锈钢螺旋形方管工艺。其特点是换热器不使用不锈钢圆管，而是将不锈钢板进行剪裁，裁成长条形，进行折边，制作成方形管材，然后用圆盘机，盘成螺旋型桶状。盘成螺旋形的不锈钢方管换热器见图8。方管管壁的典型厚度为1.2mm，管间缝隙0.8mm。每个换热器由一条方管盘旋而成，无拼接焊缝。由于方管过流横截面积较大，水流量大，因此水管路内较不容易结垢^[5]。为增强换热器的抗腐蚀能力，该类换热器采用钼钛合金不锈钢生产（常见牌号316Ti，相当于国标06Cr18Ni12Mo2Ti）。钼钛合金不锈钢是在钼合金不锈钢（常见牌号316，相当于国标06Cr17Ni12Mo2）的基础上添加钛元素（Ti），它可有效改善不锈钢的抗晶间腐蚀性能，对抗硫酸、硝酸等强酸的腐蚀，因此是制作冷凝式换热器的优良材料。

与扁圆管相比，方形管的平顶管面是非圆弧形，飞灰等杂质易于积聚于此，而不会顺着管面回流至管间缝隙中，避免了出现换热器管间缝隙被堵塞的现象。另外，换热器方管的平顶面还设有两条黑色压痕作为导流槽，便于使飞灰和酸性冷凝液等的混合物顺着导流槽滴下，并排出换热器外。这种导流槽的设计既避免了飞灰等杂质回流缝隙，同时也减少了酸性冷凝液在不锈钢表面的停留时间^[5]。冷凝液沿不锈钢方形管导流槽滴下的情况见图9。

 

图8 盘成螺旋形的不锈钢方管换热器[10]	图9 冷凝水沿方形管导流槽滴下[10]

 

（3）三层不锈钢螺旋形圆管工艺。这种换热器也是由不锈钢圆管盘成螺旋管制成，但其特点是不锈钢圆管没有挤压成扁圆形，保证了换热器中的水流道有较大的过流截面积，避免因水垢的堆积而堵死水流道。为弥补由于不锈钢圆管没挤压成扁圆形而无法形成强化换热的狭长缝隙，换热器中的不锈钢管被盘成了以燃烧器为中心的三层螺旋管，通过增大换热面积的方法补偿换热强度的不足。换热器内的三层螺旋管以并联方式连接，由于距离燃烧器的距离不同，三层螺旋管内的水温由内往外依次递减，保证了高温烟气中的热量可以被三层不锈钢管依次充分吸收。换热器水管路使用的材料也是钼钛合金不锈钢（常见牌号316Ti），因此换热器具有良好的耐腐蚀性。三层不锈钢螺旋形圆管换热器的内部结构（剖面）见图10，其工作原理示意图见图11。

 

图10 三层不锈钢螺旋形圆管换热器内部结构（剖面）[11]	图11 三层管不锈钢换热器的工作原理示意图[11]

 

3. 铸铝换热器

作为冷凝式换热器材料，相对于不锈钢，铝材有其独特优势：

（1）铝的导热系数远远高于不锈钢，如铸铝4.5%Cu的导热系数为168 J/(m·s·K)，镍铬钢18%Cr8%Ni的导热系数为16.3 J/(m·s·K)^[2]，前者比后者高接近10倍，因此，铝换热器的结构设计相比不锈钢换热器，可以更简单灵活。

（2）铝具有良好的抗腐蚀性能。在常温条件下，铝会与空气中的氧气反应，在表面形成一层致密的氧化物保护层，可阻止其进一步的被氧化并有效防止酸性腐蚀。为增强铝的抗腐蚀性能，在铝换热器的铸造过程中，还会添加硅和镁等元素。用于铸造铝换热器的典型铝合金牌号是AlSi10Mg。

（3）铝材相对于不锈钢具有价格优势。

（4）铝材熔点较低，易于铸造，且加工性好。相对于不锈钢较高的加工难度和加工成本，铝材有明显优势。

从结构设计上来说，铸铝换热器也有其自有的特点：

（1）铸铝换热器一般采用铸造工艺制造，因此其管路的壁厚远远超过不锈钢管，可以承受更高的压力，对于需要长期在较高压力条件下运行的系统，可有效保证燃气采暖热水炉的运行安全和使用寿命。

（2）采用铸造工艺制造的换热器，可根据需要设计产品外形，其好处一是避免产品的同质化竞争，二是有利于充分利用燃气采暖热水炉内部空间，实现产品的小型化和紧凑性。各种外形的铸铝换热器见图12。

图12 各种外形的铸铝换热器[12]

（3）铸铝换热器由于采用铸造工艺，可方便的实现换热器与水流通道的一体化设计，且通过设计成使水管路环绕燃烧室，使燃烧产生的热量可被有效吸收，无需额外的保温材料^[12]。一种铸铝换热器内部的一体式水流通道见图13。

（4）相对于不锈钢换热器通过狭窄管间缝隙强化换热，铸铝换热器一般在换热器内部设计有大量针状扰流柱，其作用一是使高温烟气充分扰动形成紊流强化换热，二是增加换热器的有效换热面积。但在燃气含硫量较高，或空气污染严重的地区，扰流柱密集的缝隙间也容易积聚大量杂质或堵灰，因此需要专业人员每年定期对换热器进行清理^[5]。一种铸铝换热器的内部扰流柱见图14。

 

 

4. 结束语

全预混冷凝式燃气采暖热水炉采用的一体式换热器经过了多年的发展，目前被成熟采用的材料只有不锈钢和铝。针对两种材料的不同特点，各自发展出了两类多种结构独特的换热器。各种换热器均有其优势和不足，但概括起来其核心问题就是如何平衡换热器的性能和寿命。例如，对于不锈钢换热器，要强化高温烟气的换热，就要实现狭窄的管间缝隙，但这又会容易造成“堵灰”问题，使管间缝隙积聚大量酸性物质腐蚀换热器，影响换热器的寿命。又例如，在循环水路的设计上，若缩小水流道的横截面积，水流容易达到紊流状态，可强化换热，但是容易积聚水垢，堵塞水路；若增大水流道横截面积，水流量增大，结垢不易，但换热性能却可能会受影响。寻找换热器性能和寿命平衡点的依据应该是产品的使用环境。例如，在空气质量和水质较好的地区，使用的一体式换热器可以较少考虑空气粉尘和水垢对换热器寿命的影响，从而设计较窄的管间缝隙和水流道以追求更好的性能；但是，如果是在空气污染严重，或硬水地区，使用一体式换热器考虑的重点就应该是如何避免“堵灰”或防止水路结垢堵塞的问题，这时可能就需要设计较宽的管间缝隙和较大的水流通道，牺牲换热器的部分性能以保证其有合理的使用寿命。因此，对一体式换热器的设计和选型，应充分考虑换热器对使用地区环境条件的适应性问题，并采用相应的特殊结构或应对措施。

 

参考文献

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[5] 高洁.冷凝壁挂炉五种主热交换器分析与比较

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[12] 邢凡，楼英.浅谈铸铝式冷凝锅炉换热器

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