不锈钢材质在换热器中的应用探索

钟燕春 郭 雄 赵英娜

（1、湛江科技学院，广东 湛江 524094 2、北京交通大学，北京 100044）

换热器是燃气热水器的核心部件之一，其使用的材料不仅需要具有较高的导热性能，还需具有耐高温和耐腐蚀的特性。目前包括中国在内的很多国家生产的燃气热水器换热器所选用的材质基本都是铜材，但是铜材料价格贵，在水质差的地区易腐蚀，这些缺点对企业造成了成本高及售后维修困难等问题。而不锈钢材质成本低，耐腐蚀性能好，近几年在欧美市场中，不锈钢材质的换热器已在燃气热水器产品的中得到很好的市场应用与验证。国内也有多个厂家在进行不锈钢换热器的探索和研究，但因目前技术及制造水平的限制，多数厂家都处于早期研发中[1]，相信随着技术的发展，在不久的将来国内厂家也能很好地生产出不锈钢材质的换热器。本文主要是通过将不锈钢材质与无氧铜材料进行对比，进而对不锈钢材质在换热器中的应用展开分析。

1 换热性能分析

图1 换热器工作原理示意图

整个热传递过程的总传热系数为:

其中h1——水和传热管壁面的对流换热系数；

δ——传热管的壁厚；

h2——烟气和传热管壁面的对流换热系数；

λ——传热管材料的导热系数。

2 材料性能分析

对不锈钢材料性能方面的分析主要是从力学性能、热力性能以及抗腐蚀性能三个方面将不锈钢材料与铜材料进行对比分析。

2.1 力学性能

金属材料的力学性能是指材料抵抗外力的能力。表1是无氧铜和不锈钢304材料在力学性能方面的分析比较。

表1 材料力学性能分析

通过表1的对比分析可知：塑性变形方面，不锈钢与无氧铜的塑性性能相差不大，但在强度方面，不锈钢的屈服强度和抗拉强度都比无氧铜高，因此在相同的使用情况下，不锈钢的使用寿命比无氧铜长。此外，不锈钢的硬度较高，具有很强的抗冲击性能及抗振性能。

2.2 热力性能

热力性能直接影响材料在传热过程中的使用，对材料进行热力性能方面的分析至关重要。本节通过对材料热力性能方面进行对比分析，进而判断在燃气热水器换热器中使用不锈钢材料将无氧铜替换这一方法是否可行。

在材料的热力性质方面，相对不锈钢，无氧铜在比热容、导热系数这两方面有明显的优势。但是在换热器的理论计算中发现，比热容和导热系数对于总换热系数的影响较小，因此，即使是使用不锈钢作为换热器的材料，对于热水器的换热效率影响并不大。

2.3 抗腐蚀性能

不锈钢管和铜管的抗腐蚀性能如表2所示。

表2 不锈钢管与铜管的抗腐蚀性能

由表2可知，不锈钢管与铜管相比具有的优点：抗冲击腐蚀性能好，能很好的抵抗蒸汽带水滴在高速中的冲击腐蚀；抗氨腐蚀性能好：耐水侧冲击腐蚀，可提高冷却水流速，这样既可提高总体传热系数，又可减少管内杂质的沉积。

2.4 其他

在换热器制造中，除了需要关注材料的力学性能、热力性能、使用性能以及加工工艺等方面外，还需要考虑材料的成本和外观等问题。

在成本方面，虽然不锈钢材料的成本价是无氧铜材料的一半，但由于不锈钢在焊接中所使用电焊条价格是无氧铜的3倍之多，因此在小批生产中不锈钢换热器的制造成本会比无氧铜的要高。

3 加工可行性分析

现有换热器的加工工艺多采用钎焊方式，表3是对无氧铜和不锈钢304在焊接方面的性能做出的分析对比。

表3 加工性能分析

通过分析可以看出，由于不锈钢的焊前工艺较为复杂，而且焊接温度较高，因此相对无氧铜，不锈钢的加工工艺难度更高。

4 结论

综上分析可以看出，在燃气热水器换热器的使用材料中，与无氧铜相比，不锈钢材质在换热性能方面以及热力性能方面差异不大，加工方面略显不足，但在抗腐蚀能力方面，不锈钢材质具有明显优势。由此可见，从材料的应用层面出发，不锈钢材质可应用于燃气热水器换热器中，并能有效提高燃气热水器的抗腐蚀性能力。