燃?xì)鉄崴鞴苈匪秆芯?/h1>
2019-06-03 02:42:30梁國榮杜小文
裝備制造技術(shù) 2019年2期
范 威，梁國榮，杜小文
（廣東美的廚衛(wèi)電器制造有限公司，廣東 佛山528311）
隨著城市新建住房燃?xì)夤苈返呐涮淄晟疲細(xì)鉄崴饕蚱涑鰺崴焖?、性價比高等優(yōu)勢越來越多的被作為家庭洗浴的首選。與城市水路系統(tǒng)及其他用水終端產(chǎn)品一樣，燃?xì)鉄崴鞯乃废到y(tǒng)同樣存在著結(jié)水垢問題。由于燃?xì)鉄崴鳠峤粨Q器尤其是其換熱管內(nèi)部結(jié)垢，會造成熱阻顯著增大，換熱效率顯著降低，水路流通截面積減小堵塞，會導(dǎo)致耗能的增加。進一步地，由于水垢沉積附著于換熱管路內(nèi)壁造成腐蝕，導(dǎo)致管路表面穿孔，造成漏水等嚴(yán)重危害燃?xì)鉄崴靼踩膯栴}發(fā)生。所以，對燃?xì)鉄崴鞯娜苈愤M行剖析，分析成垢原因是很有必要的。
圖1 燃?xì)鉄崴鲹Q熱器結(jié)構(gòu)示意圖
1 結(jié)垢換熱器剖解
1.1 結(jié)構(gòu)換熱器全管路拆解
如圖1所示，燃?xì)鉄崴鲹Q熱器一般由無氧銅制作而成，分為燃燒室、換熱翅片和水管路三大部分焊接組成。水管路又由進水管路、換熱直管、連接彎管、出水管路四個小部分連接而成，其中換熱直管穿過換熱翅片。其工作原理為：燃?xì)庠谌紵抑腥紵a(chǎn)生的高溫?zé)煔庀蛏狭鹘?jīng)換熱翅片，冷水從進水管路進入流經(jīng)換熱直管，換熱翅片將高溫?zé)煔庵械臒崃课蘸鬅醾鲗?dǎo)給換熱直管中的冷水，是冷水變溫?zé)崴偻ㄟ^出水管路流出。
為了真實探查燃?xì)鉄崴鞯慕Y(jié)構(gòu)情況，選取了結(jié)構(gòu)比較嚴(yán)重的北京地區(qū)使用5年的燃?xì)鉄崴鲹Q熱器進行真實拆解，通過進水管路、換熱管路、連接彎管、出水管路四個部分，并采用示意圖的形式對比說明，如圖2～圖9。
圖2 進水管路示意圖
圖3 進水管路拆解圖
圖4 換熱直管示意圖
圖5 換熱直管拆解圖
圖6 連接彎管示意圖
圖7 連接彎管拆解圖
圖8 出水管路示意圖
圖9 出水管路拆解圖
通過剖解，可以看出燃?xì)鉄崴鞴苈穬?nèi)表面的情況如下：如圖2和圖3進水管路內(nèi)表面并無水垢發(fā)現(xiàn)，但是表面有很多黑色異物呈不均勻分布，以及一些綠色的異物不均勻分布。如圖4和圖5換熱部分五根直管內(nèi)都有明顯的水垢發(fā)現(xiàn)，且水垢厚度與水溫成正比，呈現(xiàn)遞增趨勢。如圖6～圖9連接彎管和出水管處無水垢，也沒有異物發(fā)現(xiàn)。
1.2 燃熱水器管路水垢、異物檢測
針對拆解的管路內(nèi)表面白色的水垢和黑色的異物，取樣發(fā)往深圳華測檢測中心進行表面檢測及成分定性分析。檢測結(jié)果如圖10～圖13所示。
圖10 黑色異物檢測樣品（華測檢測）
圖11 黑色異物檢測報告（華測檢測）
檢測報告報告編號：SCL01H002835002C 第4頁 共4頁
結(jié)論：
根據(jù)傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和掃描電鏡&能譜（SEM/EDS）測試，異物主要為無機物，主要分為氧化銅（CuO）及含鐵（Fe），硫（S），鎂（Mg），硅（Si），鋁（Al），鈣（Ca）的物質(zhì)。
圖12 黑色異物檢測樣品（華測檢測）
圖13 黑色異物檢測報告（華測檢測）
經(jīng)過檢測，如圖10和圖11黑色異物主要成分是CuO；如圖12和圖13白色水垢的主要成分是CaCO3、CaSO4、CaSiO3等典型的水垢成分鈣鹽。
2 燃?xì)鉄崴鹘Y(jié)垢成因分析
銅管的氧化產(chǎn)物中氧化銅和氧化亞銅具有極高的穩(wěn)定性，對銅管具有保護作用，這是銅耐腐蝕的原因所在[1]。故本文不再討論。
根據(jù)對燃?xì)鉄崴鲹Q熱器全管路剖解和華測的檢測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，水垢集中出現(xiàn)在五根換熱直管的內(nèi)表面，而進水管、出水管、連接彎管并無水垢形成。對比五根換熱直管和進/出水管、連接彎管，因整個水路是聯(lián)通的，水流速度相同，所以首先排除了水流速度的影響因素。因為出水管的水溫與最后一根換熱直管的水溫相同，且出水管沒有水垢產(chǎn)生，也排除了水體溫度的影響因素。
除此之外，換熱管承受著高溫的作用，換熱管內(nèi)部有擾流彈簧結(jié)構(gòu)?？梢酝茰y換熱面溫度和擾流結(jié)構(gòu)是決定換熱管水垢形成的主要因素。
2.1 換熱面溫度的影響
換熱直管在工作狀態(tài)下外壁承受高溫?zé)煔?，管?nèi)是流動的水[2]。在銅管壁的熱傳導(dǎo)下，內(nèi)壁與水流接觸處產(chǎn)生核狀沸騰的氣泡，由于內(nèi)部擾流彈簧或擾流片產(chǎn)生的旋流或波動下氣泡被刺破，從而強化換熱效率和減小噪音。大連理工大學(xué)的劉蕓引關(guān)于沸騰時換熱面上的結(jié)垢規(guī)律研究。在發(fā)生核狀沸騰時，由于氣泡形成和脫離的機制，使得換熱面上的結(jié)垢更為嚴(yán)重[3]。Hasson[4]和Helalizadeh[5]研究了壁面溫度對污垢在換熱面上沉積速率的影響，得出當(dāng)壁面溫度升高時，溶液過飽和度增大，表面反應(yīng)速率常數(shù)增大，結(jié)垢速率隨壁面溫度呈線性增加。如下圖14～圖17馬烽[6]博士研究了初始試驗濃度CaCl2的濃度為1.42 g/L，NaHCO3的濃度為1.42 g/L相同，不同流速V和表面溫度Tw與結(jié)垢速率的影響關(guān)系。
圖14V=1.62 m/s流速下表面溫度對結(jié)垢的影響
圖15V=1.157 m/s流速下表面溫度對結(jié)垢的影響
圖16V=0.463 m/s流速下表面溫度對結(jié)垢的影響
圖17 污垢熱阻隨表面溫度的變化
如圖14和圖15可以看出流速為1.62 m/s和1.157 m/s污垢熱阻隨初始表面溫度變化較大。圖16為流速0.463 m/s時污垢熱阻隨初始表面溫度變化較小。如圖17在流體流速較高時，表面溫度對結(jié)垢速率的影響較大；而在流速較低時，表面溫度對結(jié)垢速率的影響較小[6]。
針對燃?xì)鉄崴?，圖18為采用FLUENT仿真換熱器換熱工作時的溫度場分布，可以看出在下層的三根換熱管壁面溫度在1 370 K左右，上層的兩根換熱管壁面溫度在635 K左右。
圖18 熱器換熱工作時的溫度場分布
以家庭常用的家庭洗浴水流量7 L/min～10 L/min為例，流經(jīng)換熱器的水流速度1.23 m/s～1.75 m/s。其換熱面溫度和流速滿足并超過馬烽博士的測試規(guī)律。因此燃?xì)鉄崴鲹Q熱器水垢產(chǎn)生的主要原因是換熱面高溫使水結(jié)合面沸騰產(chǎn)生鈣鹽析出結(jié)晶并附著壁面造成。
2.2 擾流結(jié)構(gòu)的影響
如圖19，燃?xì)鉄崴鲹Q熱器中包含擾流彈簧。根據(jù)大連理工大學(xué)彭坤對于內(nèi)置螺旋彈簧換熱管和光管進行了多組析晶污垢實驗特性表明[7]，從圖20可以看出，內(nèi)置螺旋彈簧換熱管的污垢熱阻漸進值比光管要小，圖20中彈簧T2-6的污垢熱阻值約為2.3×10-4m2K/W，彈簧T1-9的污垢熱阻值約為1.2×10-4m2K/W，分別是光管0.26和0.5倍，設(shè)計參數(shù)如表1。另外，強化傳熱管抗垢性能的一個重要衡量指標(biāo)是誘導(dǎo)期的長短，誘導(dǎo)期越長，說明抗垢抑垢性能越好。一般而言，誘導(dǎo)期是指從傳熱面與污染流體接觸到形成可測到污垢的一段時間。從圖20可以看到，內(nèi)置螺旋彈簧換熱管的誘導(dǎo)期比光管要長，達(dá)到5 h，而從可以測到污垢達(dá)到漸進值的時間為12 h，都比光管所需時間長。所以，說明內(nèi)置螺旋彈簧換熱管的抗垢性能比較好。
圖19 熱交換器擾流結(jié)構(gòu)
表1 試驗彈簧參數(shù)
圖20 內(nèi)置螺旋彈簧換熱管和光管污垢特性曲線
內(nèi)置螺旋彈簧換熱管析晶污垢熱阻比光管小，主要是其內(nèi)部流場的變化引起的，因為彈簧的存在使得換熱管內(nèi)流動變?yōu)槁菪鲃訝顟B(tài)，增加了流體的徑向流速和切向流速，從而增加了近壁面區(qū)的流體速度梯度，使壁面剪切力增大，污垢顆粒較難于附著在換熱管的內(nèi)壁而形成污垢，另外一個重要的原因是彈簧隨流體的振動而產(chǎn)生沖刷和刮擦換熱管內(nèi)壁的運動，使得沉積下來的污垢被剝蝕下來，隨流體一道流走。
3 結(jié)束語
通過對燃?xì)鉄崴鲹Q熱器管路的剖析發(fā)現(xiàn)，水垢集中產(chǎn)生于換熱直管的內(nèi)壁上。從馬烽博士等人的試驗及對換熱器工作狀態(tài)的仿真對比，得出燃?xì)鉄崴魉府a(chǎn)生的主要原因是高溫?fù)Q熱產(chǎn)生的鈣鹽析出結(jié)晶并附著換熱表面。
擾流結(jié)構(gòu)除了可以強化換熱的同時，也有抑垢除垢的效果。但不同的擾流結(jié)構(gòu)效果是不相同的。因此，對于燃?xì)鉄崴鞫裕瑑?yōu)化擾流結(jié)構(gòu)，使其達(dá)到符合自身最佳的強化換熱和除垢功能，是未來設(shè)計和研究的方向。
本文通過對已產(chǎn)生水垢的燃?xì)鉄崴鞯钠饰鋈胧?，研究熱水器本身工作狀態(tài)對水垢產(chǎn)生的影響。當(dāng)然，水垢的產(chǎn)生是復(fù)雜的，不同地區(qū)的水質(zhì)硬度、PH值等都不同，其對水垢的產(chǎn)生影響也很大，后續(xù)的可以針對全環(huán)境因素研究燃?xì)鉄崴魉傅木C合成因。
范 威，梁國榮，杜小文
（廣東美的廚衛(wèi)電器制造有限公司，廣東 佛山528311）
隨著城市新建住房燃?xì)夤苈返呐涮淄晟疲細(xì)鉄崴饕蚱涑鰺崴焖?、性價比高等優(yōu)勢越來越多的被作為家庭洗浴的首選。與城市水路系統(tǒng)及其他用水終端產(chǎn)品一樣，燃?xì)鉄崴鞯乃废到y(tǒng)同樣存在著結(jié)水垢問題。由于燃?xì)鉄崴鳠峤粨Q器尤其是其換熱管內(nèi)部結(jié)垢，會造成熱阻顯著增大，換熱效率顯著降低，水路流通截面積減小堵塞，會導(dǎo)致耗能的增加。進一步地，由于水垢沉積附著于換熱管路內(nèi)壁造成腐蝕，導(dǎo)致管路表面穿孔，造成漏水等嚴(yán)重危害燃?xì)鉄崴靼踩膯栴}發(fā)生。所以，對燃?xì)鉄崴鞯娜苈愤M行剖析，分析成垢原因是很有必要的。
圖1 燃?xì)鉄崴鲹Q熱器結(jié)構(gòu)示意圖
1 結(jié)垢換熱器剖解
1.1 結(jié)構(gòu)換熱器全管路拆解
如圖1所示，燃?xì)鉄崴鲹Q熱器一般由無氧銅制作而成，分為燃燒室、換熱翅片和水管路三大部分焊接組成。水管路又由進水管路、換熱直管、連接彎管、出水管路四個小部分連接而成，其中換熱直管穿過換熱翅片。其工作原理為：燃?xì)庠谌紵抑腥紵a(chǎn)生的高溫?zé)煔庀蛏狭鹘?jīng)換熱翅片，冷水從進水管路進入流經(jīng)換熱直管，換熱翅片將高溫?zé)煔庵械臒崃课蘸鬅醾鲗?dǎo)給換熱直管中的冷水，是冷水變溫?zé)崴偻ㄟ^出水管路流出。
為了真實探查燃?xì)鉄崴鞯慕Y(jié)構(gòu)情況，選取了結(jié)構(gòu)比較嚴(yán)重的北京地區(qū)使用5年的燃?xì)鉄崴鲹Q熱器進行真實拆解，通過進水管路、換熱管路、連接彎管、出水管路四個部分，并采用示意圖的形式對比說明，如圖2～圖9。
圖2 進水管路示意圖
圖3 進水管路拆解圖
圖4 換熱直管示意圖
圖5 換熱直管拆解圖
圖6 連接彎管示意圖
圖7 連接彎管拆解圖
圖8 出水管路示意圖
圖9 出水管路拆解圖
通過剖解，可以看出燃?xì)鉄崴鞴苈穬?nèi)表面的情況如下：如圖2和圖3進水管路內(nèi)表面并無水垢發(fā)現(xiàn)，但是表面有很多黑色異物呈不均勻分布，以及一些綠色的異物不均勻分布。如圖4和圖5換熱部分五根直管內(nèi)都有明顯的水垢發(fā)現(xiàn)，且水垢厚度與水溫成正比，呈現(xiàn)遞增趨勢。如圖6～圖9連接彎管和出水管處無水垢，也沒有異物發(fā)現(xiàn)。
1.2 燃熱水器管路水垢、異物檢測
針對拆解的管路內(nèi)表面白色的水垢和黑色的異物，取樣發(fā)往深圳華測檢測中心進行表面檢測及成分定性分析。檢測結(jié)果如圖10～圖13所示。
圖10 黑色異物檢測樣品（華測檢測）
圖11 黑色異物檢測報告（華測檢測）
檢測報告報告編號：SCL01H002835002C 第4頁 共4頁
結(jié)論：
根據(jù)傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和掃描電鏡&能譜（SEM/EDS）測試，異物主要為無機物，主要分為氧化銅（CuO）及含鐵（Fe），硫（S），鎂（Mg），硅（Si），鋁（Al），鈣（Ca）的物質(zhì)。
圖12 黑色異物檢測樣品（華測檢測）
圖13 黑色異物檢測報告（華測檢測）
經(jīng)過檢測，如圖10和圖11黑色異物主要成分是CuO；如圖12和圖13白色水垢的主要成分是CaCO3、CaSO4、CaSiO3等典型的水垢成分鈣鹽。
2 燃?xì)鉄崴鹘Y(jié)垢成因分析
銅管的氧化產(chǎn)物中氧化銅和氧化亞銅具有極高的穩(wěn)定性，對銅管具有保護作用，這是銅耐腐蝕的原因所在[1]。故本文不再討論。
根據(jù)對燃?xì)鉄崴鲹Q熱器全管路剖解和華測的檢測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，水垢集中出現(xiàn)在五根換熱直管的內(nèi)表面，而進水管、出水管、連接彎管并無水垢形成。對比五根換熱直管和進/出水管、連接彎管，因整個水路是聯(lián)通的，水流速度相同，所以首先排除了水流速度的影響因素。因為出水管的水溫與最后一根換熱直管的水溫相同，且出水管沒有水垢產(chǎn)生，也排除了水體溫度的影響因素。
除此之外，換熱管承受著高溫的作用，換熱管內(nèi)部有擾流彈簧結(jié)構(gòu)?？梢酝茰y換熱面溫度和擾流結(jié)構(gòu)是決定換熱管水垢形成的主要因素。
2.1 換熱面溫度的影響
換熱直管在工作狀態(tài)下外壁承受高溫?zé)煔?，管?nèi)是流動的水[2]。在銅管壁的熱傳導(dǎo)下，內(nèi)壁與水流接觸處產(chǎn)生核狀沸騰的氣泡，由于內(nèi)部擾流彈簧或擾流片產(chǎn)生的旋流或波動下氣泡被刺破，從而強化換熱效率和減小噪音。大連理工大學(xué)的劉蕓引關(guān)于沸騰時換熱面上的結(jié)垢規(guī)律研究。在發(fā)生核狀沸騰時，由于氣泡形成和脫離的機制，使得換熱面上的結(jié)垢更為嚴(yán)重[3]。Hasson[4]和Helalizadeh[5]研究了壁面溫度對污垢在換熱面上沉積速率的影響，得出當(dāng)壁面溫度升高時，溶液過飽和度增大，表面反應(yīng)速率常數(shù)增大，結(jié)垢速率隨壁面溫度呈線性增加。如下圖14～圖17馬烽[6]博士研究了初始試驗濃度CaCl2的濃度為1.42 g/L，NaHCO3的濃度為1.42 g/L相同，不同流速V和表面溫度Tw與結(jié)垢速率的影響關(guān)系。
圖14V=1.62 m/s流速下表面溫度對結(jié)垢的影響
圖15V=1.157 m/s流速下表面溫度對結(jié)垢的影響
圖16V=0.463 m/s流速下表面溫度對結(jié)垢的影響
圖17 污垢熱阻隨表面溫度的變化
如圖14和圖15可以看出流速為1.62 m/s和1.157 m/s污垢熱阻隨初始表面溫度變化較大。圖16為流速0.463 m/s時污垢熱阻隨初始表面溫度變化較小。如圖17在流體流速較高時，表面溫度對結(jié)垢速率的影響較大；而在流速較低時，表面溫度對結(jié)垢速率的影響較小[6]。
針對燃?xì)鉄崴?，圖18為采用FLUENT仿真換熱器換熱工作時的溫度場分布，可以看出在下層的三根換熱管壁面溫度在1 370 K左右，上層的兩根換熱管壁面溫度在635 K左右。
圖18 熱器換熱工作時的溫度場分布
以家庭常用的家庭洗浴水流量7 L/min～10 L/min為例，流經(jīng)換熱器的水流速度1.23 m/s～1.75 m/s。其換熱面溫度和流速滿足并超過馬烽博士的測試規(guī)律。因此燃?xì)鉄崴鲹Q熱器水垢產(chǎn)生的主要原因是換熱面高溫使水結(jié)合面沸騰產(chǎn)生鈣鹽析出結(jié)晶并附著壁面造成。
2.2 擾流結(jié)構(gòu)的影響
如圖19，燃?xì)鉄崴鲹Q熱器中包含擾流彈簧。根據(jù)大連理工大學(xué)彭坤對于內(nèi)置螺旋彈簧換熱管和光管進行了多組析晶污垢實驗特性表明[7]，從圖20可以看出，內(nèi)置螺旋彈簧換熱管的污垢熱阻漸進值比光管要小，圖20中彈簧T2-6的污垢熱阻值約為2.3×10-4m2K/W，彈簧T1-9的污垢熱阻值約為1.2×10-4m2K/W，分別是光管0.26和0.5倍，設(shè)計參數(shù)如表1。另外，強化傳熱管抗垢性能的一個重要衡量指標(biāo)是誘導(dǎo)期的長短，誘導(dǎo)期越長，說明抗垢抑垢性能越好。一般而言，誘導(dǎo)期是指從傳熱面與污染流體接觸到形成可測到污垢的一段時間。從圖20可以看到，內(nèi)置螺旋彈簧換熱管的誘導(dǎo)期比光管要長，達(dá)到5 h，而從可以測到污垢達(dá)到漸進值的時間為12 h，都比光管所需時間長。所以，說明內(nèi)置螺旋彈簧換熱管的抗垢性能比較好。
圖19 熱交換器擾流結(jié)構(gòu)
表1 試驗彈簧參數(shù)
圖20 內(nèi)置螺旋彈簧換熱管和光管污垢特性曲線
內(nèi)置螺旋彈簧換熱管析晶污垢熱阻比光管小，主要是其內(nèi)部流場的變化引起的，因為彈簧的存在使得換熱管內(nèi)流動變?yōu)槁菪鲃訝顟B(tài)，增加了流體的徑向流速和切向流速，從而增加了近壁面區(qū)的流體速度梯度，使壁面剪切力增大，污垢顆粒較難于附著在換熱管的內(nèi)壁而形成污垢，另外一個重要的原因是彈簧隨流體的振動而產(chǎn)生沖刷和刮擦換熱管內(nèi)壁的運動，使得沉積下來的污垢被剝蝕下來，隨流體一道流走。
3 結(jié)束語
通過對燃?xì)鉄崴鲹Q熱器管路的剖析發(fā)現(xiàn)，水垢集中產(chǎn)生于換熱直管的內(nèi)壁上。從馬烽博士等人的試驗及對換熱器工作狀態(tài)的仿真對比，得出燃?xì)鉄崴魉府a(chǎn)生的主要原因是高溫?fù)Q熱產(chǎn)生的鈣鹽析出結(jié)晶并附著換熱表面。
擾流結(jié)構(gòu)除了可以強化換熱的同時，也有抑垢除垢的效果。但不同的擾流結(jié)構(gòu)效果是不相同的。因此，對于燃?xì)鉄崴鞫裕瑑?yōu)化擾流結(jié)構(gòu)，使其達(dá)到符合自身最佳的強化換熱和除垢功能，是未來設(shè)計和研究的方向。
本文通過對已產(chǎn)生水垢的燃?xì)鉄崴鞯钠饰鋈胧?，研究熱水器本身工作狀態(tài)對水垢產(chǎn)生的影響。當(dāng)然，水垢的產(chǎn)生是復(fù)雜的，不同地區(qū)的水質(zhì)硬度、PH值等都不同，其對水垢的產(chǎn)生影響也很大，后續(xù)的可以針對全環(huán)境因素研究燃?xì)鉄崴魉傅木C合成因。
