适用于中国市场的一体式冷凝换热器

钟家淞

(广东万和新电气股份有限公司，广东佛山528325)

1 概述

燃气采暖热水炉舒适灵活、节能环保的特点，使其在市场上广受欢迎[1]。统计数据显示，自2008年以来，我国燃气采暖热水炉市场销量一直保持高速增长。与常规燃气采暖热水炉(指采用大气式燃烧方式的冷凝式燃气采暖热水炉)相比，全预混冷凝式燃气采暖热水炉在热效率、污染物排放量等方面具有明显的优势[2]。

目前，市场上流行的全预混冷凝式燃气采暖热水炉技术大多来源于欧盟国家，使用的一体式冷凝换热器(结构上显热换热段与潜热换热段为一体的换热器)主要有铸硅铝换热器、不锈钢盘管式换热器[3]。两种一体式冷凝换热器在国内的应用中均出现了烟气侧盘管堵塞与腐蚀问题。本文对不锈钢盘管式换热器烟气侧盘管间隙堵塞与腐蚀成因进行分析，提出适用于中国市场的一体式冷凝换热器，对实际使用效果进行实测。

2 堵塞与腐蚀成因

2.1 换热器结构

不锈钢盘管式换热器的结构见图1，燃烧器、不锈钢盘管的剖面见图2。天然气与空气的混合气在燃烧器表面燃烧，产生的高温烟气(约900 ℃)穿过不锈钢盘管间隙，加热不锈钢盘管内循环水，烟气不断冷却降温，烟气中的水蒸气部分冷凝释放出汽化潜热，最终烟气降温至60 ℃左右。为提升换热效率和控制不锈钢盘管式换热器的体积，不锈钢盘管的间距(通过盘管间的凸点或卡条保证)一般为0.80～0.85 mm。

不锈钢盘管式换热器由欧盟企业率先研制并应用于全预混冷凝式燃气采暖热水炉中。根据欧盟企业的技术经验，不锈钢盘管一般采用牌号为SUS441(22Cr18NbTi)铁素体不锈钢、SUS304(0Cr18Ni9)奥氏体不锈钢、SUS316L(22Cr17Ni12Mo2)奥氏体不锈钢，除了含有铬、镍等元素外，还有大量的铁元素。

图1 不锈钢盘管式换热器的结构

图2 燃烧器、不锈钢盘管的剖面

2.2 堵塞与腐蚀成因

近年来，中国很多燃气采暖热水炉企业也逐渐引进欧洲全预混冷凝式燃气采暖热水炉的核心部件(其中包括不锈钢盘管式换热器)，在国内进行组装测试后，将整机推向市场，也有原装进口的全预混冷凝式燃气采暖热水炉在中国市场销售。

从近年来全预混冷凝式燃气采暖热水炉在中国市场的应用反馈来看，普遍存在烟气侧盘管积灰、腐蚀问题。在中国使用前及使用60 d后的烟气侧盘管外观分别见图3、4。由图3、4可知，运行60 d后，烟气侧盘管粘附了大量的褐色蓬松状物质(以下称为粘附物)，堵塞了烟气侧盘管间隙。

图3 在中国使用前的烟气侧盘管

图4 在中国使用60 d后的烟气侧盘管

笔者分别利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线能量色散光谱仪(EDX)分析粘附物的主要组成。

由X射线衍射仪分析得到的粘附物的主要成分及质量分数见表1。由表1可知，粘附物主要含有氧化铁(Fe2O3)、氧化铬(Cr2O3)、硫化镍(Ni4S3)等物质。经过分析，铁元素主要有两个来源：燃气输送管道、不锈钢盘管。根据工程经验，对国内输送的燃气进行过滤，可以收集到大量的含铁粉末，并且在国内燃气采暖热水炉铜管换热器表面粘附物中也检测到含铁物质。这说明燃气携带含铁物质进入燃气采暖热水炉，并在燃烧室内氧化成Fe2O3，粘附于烟气侧盘管壁面。不锈钢盘管采用的铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢含有大量铁元素，也是原因之一。

表1 由X射线衍射仪分析得到的粘附物的主要成分及质量分数

这3种牌号的不锈钢除含有大量铁元素外，还含有铬、镍元素，粘附物含有Cr氧化物、Ni硫化物意味着烟气侧盘管壁面发生了腐蚀。值得注意的是，Ni硫化物的硫分主要来自国内常用的燃气加臭剂四氢噻吩THT和硫醇混合物TBM。考虑到燃气管道与不锈钢材料的硅含量非常少，笔者认为粘附物中的硅酸盐主要来自空气所携带的灰尘、泥沙等。

从粘附物的扫描电子显微镜图谱可以看出，粘附物的颗粒细小疏松。单颗粒可以穿过不锈钢盘管间隙，但是燃气燃烧所产生的细微飞灰与燃气、空气所携带的灰尘、泥沙在酸性凝结水作用下，发生碰撞黏附，最终导致不锈钢盘管间隙堵塞。随着不锈钢盘管间隙的堵塞，酸性凝结水的疏解受阻，造成浓度增高，最终导致不锈钢盘管表面腐蚀。

笔者对粘附物进行了X射线能量色散光谱仪能谱检测，测量粘附物的元素组成。与采用X射线衍射仪分析结果一致的是，能谱检测结果也显示粘附物中含有较多的Fe、Ti、Cr，这进一步证明烟气侧盘管管壁发生了腐蚀。除此之外，粘附物中还含有少量的C，这可能是由于燃气未能充分燃烧所形成的积炭。

3 换热盘管的改进

考虑中国的燃气质量及空气质量，在不改变不锈钢盘管式换热器整体结构的前提下，对换热盘管进行改进。考虑经济性及耐腐蚀性，换热盘管选用牌号为SUS441的不锈钢。改进后的换热盘管应满足以下要求：确保长时间运行后，换热盘管间隙不应出现堵塞。整机(指全预混冷凝式燃气采暖热水炉)热效率应达到GB 20665—2015《家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级》规定的1级能效等级。氮氧化物排放限值为30 mg/(kW·h)，一氧化碳体积分数排放限值为50×10-6。

分析烟气侧盘管堵塞、腐蚀原因可知，防止烟气侧盘管堵塞、腐蚀可从加装空气与燃气过滤除尘装置、改进换热盘管结构两方面入手。

加装空气与燃气过滤除尘装置，可去除空气、燃气携带的杂质，但过滤装置的过滤精度不宜过高，否则易导致管道阻力过大。因此，过滤除尘装置不可能完全去掉空气、燃气中的杂质，更无法杜绝燃气局部不完全燃烧形成的积炭。最为关键的还是通过改进换热盘管结构，优化流场，降低堵塞、腐蚀的速率。

由分析可知，改造前的不锈钢盘管堵塞最根本的原因是盘管间隙过小(仅有0.85 mm)。根据我们对全预混冷凝式采暖热水炉的研究和试验，当燃用中国天然气时，只有不锈钢盘管间隙大于1.6 mm才不易堵塞。但当换热盘管间隙大于0.85 mm后，换热效率急剧下降。欧盟国家采用的不锈钢盘管间隙为0.80～0.85 mm，主要是由于欧盟国家的气源质量和空气质量相对清洁，以及售后服务体系的完善(可以做到每年定期保养)。

在实际应用中发现，由于翅片管换热器的翅片间隙比较大，并没有严重的堵塞现象，而且换热效率也比较理想。经过分析研究，综合不锈钢盘管与翅片管结构，将两者优势相结合，研制不锈钢翅片盘管。不锈钢翅片盘管的结构见图5，局部剖开情况见图6。图中不锈钢翅片盘管的光管外直径为17 mm，内直径为15 mm，翅片直径28 mm，相邻翅片管的间距(指两根翅片管的翅片顶端距离)为2.5 mm。从而确保烟气中的颗粒能够顺利通过不锈钢翅片盘管间隙，缓解堵塞及腐蚀的发生。

图5 不锈钢翅片盘管的结构

图6 不锈钢翅片盘管局部剖开情况

4 效果验证

采用不锈钢翅片盘管式换热器的全预混冷凝式燃气采暖热水炉样机(以下简称样机)，额定热功率为24 kW，额定热效率≥103%。氮氧化物排放限值为30 mg/(kW·h)，一氧化碳体积分数排放限值为50×10-6。

在笔者所在公司(以下简称公司)的产品研发试验室对样机进行测试，测试标准为CJ/T 395—2012《冷凝式燃气暖浴两用炉》、GB 25034—2010《燃气采暖热水炉》、GB 20665—2015。样机的整机性能测试结果见表2。由表2可知，在额定热负荷、最小热负荷条件下，样机的整机性能指标均比较理想。

表2 样机的整机性能测试结果

2016年11月，将某台相同技术参数的样机安装在河北省石家庄某用户家中试用。在试用过程中，用户没有反映质量问题。在样机使用2 a后，将产品调回公司进行整机性能测试及拆解。

使用2 a后的样机整机性能测试结果见表3。由表3可知，在使用2 a后，样机的热效率有所降低，氮氧化物排放量、一氧化碳排放体积分数均略有升高，但整体性能仍比较理想。

表3 使用2 a后的样机整机性能测试结果

整机性能测试完成后，对样机进行拆解，查看不锈钢翅片盘管的堵塞、腐蚀情况。运行2 a后的不锈钢翅片盘管见图7。由图7可知，运行2 a后的不锈钢翅片盘管的翅片表面仅有少量积灰，无明显局部腐蚀及堵塞。

图7 运行2 a后的不锈钢翅片盘管