燃气热水器冷凝水生成原理与防止方案的探究

杨 湛 张 其 劳耀荣

（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305）

引言

燃气热水器在使用的过程中，当在小负荷分段运行或进水温度较低的情况下，高温烟气中的水蒸气会从热交换器翅片处析出，沿着燃烧室内壁滴落至燃烧器上，由于烟气中含有氮氧化物，硫化物，热水器生成的冷凝水会呈现偏酸性，冷凝水长时间的集聚容易导致热交换器、燃烧器等零部件腐蚀，情况严重时，会造成零部件失效和安全事故。为此，有必要对燃气热水器冷凝水的生成原理和影响因素进行深入研究，寻找影响冷凝水生成的因子，提出相应的解决措施，以达到防止冷凝水生成和延长热交换器寿命的目的。

1 冷凝水生成原理

1.1 水气分压对冷凝水的影响

燃气热水器燃烧过程中的烟气温度低于露点温度Tm时，高温烟气中的水蒸气达到临界温度液化形成小水珠，水蒸气分压需要达到饱和水气分压，气态的水蒸气就会析出冷凝水珠，为此，需要剖析饱和水气分压与露点温度两者之间的关系，根据推导公式：在标准大气压完全燃烧（α=1）下，燃烧产物中的水气分压为：

式中 ：

e—水气分压（Pa）；

m—气体碳原子数；

n—气体氢原子数。

燃气热水器运行过程中生成的水蒸气一部分来自助燃空气，主要受空气温度和湿度的影响，另一部分来自燃烧产生的高温水蒸气，其中燃气中氢元素的含量越高，生成的水蒸气越多，水气分压越高。在完全燃烧的条件下，α＞1 的水气分压为：

式中 ：

Pn—水气分压（atm）；

nH— 氢元素摩尔分数（%）；

nC— 碳元素摩尔分数（%）；

nN— 氮元素摩尔分数（%）；

α—过剩空气系数；

nO— 氧元素摩尔分数（%）。

对燃气燃烧产生的烟气进行分析可得公式中各个生成物含量，由公式（1）（2）可知，燃气成分中各元素含量百分比及燃烧中的过剩空气系数与水气分压有关，燃烧过程中的化学反应程度将会影响烃类燃料的燃烧产物生成，由式（2）可知，水气分压与过剩空气系数之间呈现反比例关系，即过剩空气系数 α 越大，水气分压越小，露点温度越低，而且烟气的露点温度并不是一个固定值。由表1可以看出：水蒸气分压降低，露点也降低；烟气中水蒸气分压增大，露点也增大。当烟气的水蒸气分压值为0.1 bar，此时烟气露点为45.5 ℃。当烟温为55 ℃则高于露点，水蒸气不会冷凝，但若把此烟气冷却到35.8 ℃，此时，烟气温度低于露点温度，烟气中的水蒸气部分冷凝析出，直到水蒸气的分压从0.1 bar降到0.06 bar，达到一个新的饱和水蒸气平衡状态。所以，烟气中的水蒸气并不是温度一旦低于露点，便会全部冷凝，而只是一部分水蒸气冷凝。

表1 烟气露点（t）

1.2 冷凝率的探究

由于烟温低于露点后烟气中的冷凝水便开始析出，根据表1.1可计算出不同烟温下水蒸气的冷凝份额，假设以干燃气CH4,α=1.0，且空气为干空气，设水蒸气冷凝率为m，当前烟气温度下饱和水蒸气分压Pn，当干燃气CH4，α=1.0时，露点温度为58.3 ℃，饱和水蒸气压为0.19 bar，可得水蒸气冷凝率公式：

根据上述公式可算得在不同温度下的水蒸气冷凝率，如表2与图1所示，在烟温（40～60）℃时，烟温与冷凝率之间呈近似线性变化，但在烟温小于40 ℃之后，冷凝率上升减缓。

图1 不同烟温下水蒸气冷凝率

表2 水蒸气冷凝率（燃气CH4,α=1.0）[2]

2 冷凝水的抑制与解决方案

上文通过对冷凝水生成机理进行分析，探究影响冷凝水生成的几个因子：排烟温度、露点温度、水蒸气分压。其他条件一定时，当排烟温度越高，排烟温度与露点温度的差值越大，冷凝水就越难生成，当其他条件一定时，水蒸气分压越低，与之对应的露点温度越低，冷凝水就越难生成。根据上述影响冷凝水生成的因素，可通过改变热交换器的水管排布方式，增设旁通水路以改变整机的旁通水流量，从而提高排烟温度来防止冷凝水生成；或者增大风机转速，从而增大风机进风量，提高过剩空气系数，减少烟气中的水蒸气分压，使烟气的露点温度降低，从而防止冷凝水的生成。

2.1 改变热交换器的水管排布方式

目前，热交换器直管排布方式，有三种排布方式，分别是逆流排布，顺流排布及混合流排布，如图2～4所示，其中高温烟气的流动方向，是由下至上经过换热片的换热过程，冷流体先绕行热交换器上方再绕行下方，换热方向与高温烟气流动方向相反称为逆流排布，冷流体先绕行热交换器下方再绕行上方，换热方向与高温烟气流动方向相同称为顺流排布,冷流体既有换热方向与高温烟气流动方向相同的部分，又有换热方向与高温烟气流动方向相反的部分称为混合流排布。

图2 逆流排布

图3 顺流排布

由于逆流排布下方局部温度过高，不利于热交换器的寿命，生产应用较少，故本文重点分析顺流排布及混合流排布，顺流排布相较于混合流排布，具有热流体出口温度较低的特点，以获得更高的排烟温度，减少冷凝水的生成。实验验证该方案，以24 L强鼓机型为例，设置温度46 ℃，进水温度为15 ℃，控制不同的水流量分别对这两种热交换器水管排布方式进行整机测试，对比分析两者的排烟温度及通过收集燃烧室内部滴落的冷凝水，比较冷凝水的生成情况。如表3、4所示。

表3 混合流排布的排烟温度及冷凝水生成量

表4 顺流排布的排烟温度及冷凝水生成量

通过对比发现，顺流排布的平均排烟温度比逆流排布的平均排烟温度低了（6～8）℃，且顺流排布的整机在不同水流量下的冷凝水生成量比逆流排布的冷凝水生成量要少。所以热交换器水管排布方式选取顺流排布可以有效防止冷凝水的生成。

2.2 改变整机的旁通水流量

燃气热水器增设旁通水路后，主水路会有一部分水分流至旁通水路，如图4所示，主水路流量减少，提高了热交换器内的水管壁温度，从而提高了排烟温度，降低了烟气中水气析出冷凝水的可能性。进入旁通水路中的水流量和进入热交换器主水路的水流量之比为整机的旁通比，测试过程中测试整机水路中三个点的水路温度即可转化得到旁通比，这三个点分别是出水端的热水温度，进水端的冷水温度，热交换器中的热水温度，根据能量守恒推导公式可知：

图4 混合流排布

图5 旁通水路原理示意图

式中：

M—旁通比；

A—热交换器中的热水温度；

B—出水端的热水温度；

C —进水端的冷水温度。

根据上述公式，可设计相关试验探究整机旁通水流量对冷凝水生成量的影响，以24 L强鼓燃气热水器机型为例，选取冷凝水生成较多的分段，最小负荷点位，控制进水流量为13 L，进水温度为（18±1）℃，分别控制进入旁通水路的水流量，以得到旁通比在0 %，10 %，15 %，20 %，25 %，30 %下收集燃烧室滴落的冷凝水生成量，如表5所示。

表5 在不同的旁通流量下各个分段下最小负荷的冷凝水生成量

通过测试对比发现，在旁通水流量增大的情况下，水箱直管的温度增大，冷凝水生成量减少，并且在旁通比大于等于25 %的时候，整机燃烧过程没有冷凝水产生，不过过大的旁通流量也会影响整机热效率，所以在设计固定旁通比比值的旁通水路时，应选取（20～25）%的旁通比比较合适。由于旁通水路的存在，部分低温水通过旁通水路中和主水路水温，当设置的出水温度一定的情况下，热交换器直管内的热水需要比出水温度更高，这样的设计更有利于防止冷凝水的出现。所以，增加旁通水路是防止燃气热水器冷凝水产生的一种有效的设计方案。

2.3 增大空气供气量（提高过剩空气系数）

通过增大风机转速，从而增大风机进风量，提高过剩空气系数 α，在维持燃烧器稳定燃烧的情况下，风机转速的增大可以降低整机的热效率，改变饱和水蒸气分压，从而提高露点温度，达到减少冷凝水生成的目的。为此，设计实验验证风机电流与冷凝水生成量之间的关系，将燃气热水器设定为19 kW并固定该负荷点，改变不同的风机电流，得到对应的风机转速，同时收集燃烧室滴落的冷凝水生成量以对比风机电流对冷凝水的影响。如表6所示。

表6 在不同的风机电流下的冷凝水生成量

通过测试对比发现，在同一负荷下，风机电流档位越高，对应的转速越高，整机的过剩空气系数越大，集烟罩口烟温越高，冷凝水生成量越少，所以，增加风机电流是防止燃气热水器冷凝水产生的一种有效的方法。

3 结论

1）冷凝水的生成与排烟温度，露点温度，水蒸气分压等因素有关，当排烟温度越高，排烟温度与露点温度的差值越大，冷凝水就越难生成，可以利用这一原理，防止热交换器部分冷凝水的生成，提高热交换器的寿命。

2）可以通过改变热交换器水管排布方式，选取顺流排布的方式可以有效地减少冷凝水的生成。

3）在燃气热水器上增加旁通水路可以降低排烟温度，从而减少热交换器部位冷凝水的出现，可以达到防止冷凝水产生的目的。设计的旁通比不宜过大，否则会导致整机热效率下降和过热保护误报，但也不能过小，否则防止冷凝水产生的效果不明显，故建议在设计固定旁通比比值的旁通水路时，应选取（20～25）%的旁通比。

4）在维持燃烧器稳定燃烧的情况下，可以通过增大空气供给量，增大过剩空气系数，达到减少冷凝水生成的目的。