盤管式冷凝器與管殼式冷凝器對比實驗研究

夏立珍 鄧飛忠 張 強 王克軍 仇明貴

（華帝股份有限公司 中山 528400）

引言

冷凝式燃氣熱水器自問世以來，因其高效、節(jié)能、環(huán)保在熱水器市場占有一席之地。冷凝式燃氣熱水器關(guān)鍵部件有燃燒器、熱交換器、風(fēng)機、冷凝器，現(xiàn)普遍采用的結(jié)構(gòu)形式中的煙氣流道為，燃燒器燃燒產(chǎn)生的煙氣首先經(jīng)過熱交換器完成一次換熱后，再經(jīng)過風(fēng)機導(dǎo)流至冷凝器經(jīng)過二次換熱后輸出到大氣中，最終達到降低煙溫、提升能效的目的[1]。冷凝器選擇首要考慮的因素為換熱效率，換熱效率主要影響因素為冷凝器結(jié)構(gòu)。目前，盤管式冷凝器、管殼式冷凝器等為各大廠商常用結(jié)構(gòu)。此外，為避免冷凝器漏水，冷凝器材質(zhì)選擇較為重要。目前，冷凝式燃氣熱水器的冷凝器材質(zhì)選擇主要有耐腐蝕材質(zhì)，如不銹鋼、鋁合金等；其次選擇基材（一般為銅管）表面覆防腐涂層材質(zhì)[2]。在眾多材質(zhì)選擇中，SUS304、SUS316L耐腐性強，且SUS316L耐腐性優(yōu)于SUS304，但二者在耐腐蝕速率上差別不大，考慮到經(jīng)濟性，更多廠商傾向于選用SUS304。冷凝器的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、成本等均對冷凝式燃氣熱水器造成一定程度的影響，因此，選擇合適的冷凝器對冷凝式燃氣熱水器極為重要。

1 試驗環(huán)境及設(shè)備

1.1 試驗環(huán)境

1）實驗室環(huán)境符合GB 6932-2015《家用燃氣快速熱水器》7.1及7.2要求；

2）室溫，26±2 ℃；大氣壓，101～102 kPa；進水溫度，20±1 ℃；出水溫度，60±1 ℃；

1.2 試驗設(shè)備

1）試驗設(shè)備包括水阻力性能檢測臺、燃氣熱水器性能檢測臺、煙氣測試分析儀、盤管式冷凝器、管殼式冷凝器同型號冷凝式家用供熱水燃氣快速熱水器兩臺、調(diào)壓箱、壓力表（±5 000 Pa）、電子稱、盛水鍋、秒表等。

2）冷凝器示意圖如圖1 。

3）圖1中，盤管式冷凝器主要由進煙管、排煙管、盤管、進出水嘴、冷凝水嘴組成，其水路管道為盤管，盤管結(jié)構(gòu)為波紋管。一次側(cè)煙氣由進煙管進入換熱器中，經(jīng)過盤管由排煙口導(dǎo)入大氣中；冷凝水由冷凝水嘴排出。

由圖2所知，管殼式冷凝器主要由進煙管、排煙管、進出水嘴、冷凝水嘴、換熱器組件組成，換熱器中水路管道為數(shù)列直管，直管為光管。一次側(cè)煙氣由進煙管進入，通過左側(cè)導(dǎo)流通道進入換熱器組件中，通過換熱器組件的數(shù)列煙管由排煙管導(dǎo)入大氣中；冷凝水由冷凝水嘴排除。

盤管式冷凝器與管殼式冷凝器重要尺寸見表1。

2 試驗分析

2.1 盤管式冷凝器與管殼式冷凝器水管阻力分析

單獨測試盤管式與管殼式冷凝器水阻，其試驗結(jié)果如圖3所示。

將盤管式冷凝器與管殼式冷凝器分別安裝于同一冷凝式燃氣熱水器中，其水阻試驗結(jié)果如圖4所示。

由圖3可知，相同水壓條件下，盤管式冷凝器水流量低于管殼式冷凝器水流量，當(dāng)水壓大于0.03 MPa后，盤管式冷凝器水流量與管殼式冷凝器水流量差值趨于穩(wěn)定，差值平均值為0.7 L/min。由圖4可知，相同水壓條件下，安裝了盤管式冷凝器的燃氣熱水器水流量低于安裝了管殼式冷凝器的燃氣熱水器水流量，當(dāng)水壓大于0.15 MPa后，安裝了盤管式冷凝器的熱水器與安裝了管殼式冷凝器的水流量差值趨于穩(wěn)定，差值平均值為1.3 L/min。盤管式冷凝器管道阻力大于管殼式冷凝器管道阻力。其一，盤管式冷凝器所用水管為波紋管，管殼式冷凝器所用水管為光管，早有研究表明，同樣長度的波紋管與光管相比，雖然換熱系數(shù)較高，但阻力系數(shù)增大[3]，同水壓下水流量低；其二，由公式（1）和（2）可知，管道阻力由沿程阻力與局部阻力之和；管殼式冷凝器水管為光管且無彎頭，故管殼式冷凝器不考慮局部阻力，僅有沿程阻力。假設(shè)管內(nèi)介質(zhì)為層流，將（3）、（4）、（5）代入（1）[4]計算可知，將表1數(shù)值代入得，盤管式冷凝器沿程阻力，管殼式沿程阻力，盤管式冷凝器管道阻力大于管殼式冷凝器管道阻力。

圖1 盤管式冷凝器示意圖

圖2 管殼式冷凝器示意圖

表1 盤管式冷凝器與管殼式冷凝器尺寸

圖3 盤管式冷凝器與管殼式冷凝器水阻測試

圖4 盤管式冷凝器與管殼式冷凝器在同一熱水器的水阻測試

hf—沿程阻力損失；

h —局部阻力損失；

λ —沿程阻力系數(shù)；

l —管長；

d —管徑；

v —斷面平均流速；

g —重力加速度；

ε —局部阻力系數(shù)；

Re —雷諾數(shù)；

u —運動粘度；

Q —流量；

2.2 盤管式冷凝器與管殼式冷凝器的燃氣熱水器性能測試分析

2.2.1 基本性能測試分析

將盤管式冷凝器與管殼式冷凝器分別裝于同一型號冷凝式燃氣熱水器中，測試其熱效率、煙氣等性能，測試結(jié)果如表2所示。

從表2可知，盤管式冷凝器熱效率低于管殼式冷凝器熱效率，這與盤管式冷凝器排煙溫度高于管殼式冷凝器排煙溫度相符合，且通過式（6）計算可知盤管式冷凝器過量空氣系數(shù)為2.15，管殼式冷凝器過量空氣系數(shù)為1.99，管殼式過量空氣數(shù)低，空氣與燃氣燃燒更為充分，獲取熱量多，排煙溫度低，效率較高；其次，由圖1及圖2結(jié)構(gòu)可知，管殼式冷凝器一次側(cè)煙氣首先進入換熱器組件左煙室，隨后進入換熱器組件，隨后進入數(shù)列換熱器組件的煙管中，換熱時間較長，換熱量較大，換熱效率較高。

α —過量空氣系數(shù)；

O2—測試氧含量；

CO —測試一氧化碳含量；

CO2—測試二氧化碳含量；

2.2.2 一次側(cè)煙氣分析

分別測試盤管式冷凝器及管殼式冷凝器一次側(cè)煙氣含量及排煙溫度，測試結(jié)果如表3所示。

由表3、式（6）可計算出盤管式及管殼式的過量空氣系數(shù)分別為1.73、1.63，管殼式冷凝器燃燒較盤管式冷凝器燃燒充分；其次可由表3得知水蒸氣含量，進一步得知水蒸氣分壓，由《飽和水及飽和水蒸氣性質(zhì)表》即知盤管式冷凝器與管殼式冷凝器在一次側(cè)是露點溫度分別為50.3 ℃、51.6 ℃，一次側(cè)不會有冷凝水產(chǎn)生的風(fēng)險。

表2 盤管式冷凝器與管殼式冷凝器性能測試

表3 盤管式冷凝器與管殼式冷凝器一次側(cè)煙氣測試

表4 盤管式冷凝器與管殼式冷凝器工藝及成本等特性

2.3 盤管式冷凝器與管殼式冷凝器工藝及成本分析

盤管式冷凝器與管殼式冷凝器工藝及成本等特性如表4所示。

由于盤管式冷凝器結(jié)構(gòu)及工藝簡單，主要為盤管、外殼、進出煙管，工藝安裝上主要有鉚接及螺栓連接，而管殼式冷凝器結(jié)構(gòu)及工藝較為復(fù)雜，除了外殼、進出煙管，換熱器組件，還有密封墊等，且換熱器組件結(jié)構(gòu)的類似工業(yè)小鍋爐，管子數(shù)量多，其制作對焊接工藝要求高，所以成本上盤管式冷凝器低于管殼式冷凝器；其次，盤管式冷凝器材料均為不銹鋼，耐蝕性強，管殼式冷凝器焊點多，焊接距離短，應(yīng)力較為集中，腐蝕風(fēng)險較大。

3 結(jié)論

1）盤管式冷凝器水管阻力大于管殼式冷凝器水管阻力，當(dāng)水壓大于0.03 MPa后，盤管式冷凝器水流量與管殼式冷凝器水流量差值趨于穩(wěn)定，差值為0.7 L/min；當(dāng)水壓大于0.15 MPa后，安裝了盤管式冷凝器的熱水器與安裝了管殼式冷凝器的水流量差值趨于穩(wěn)定，差值為1.3 L/min。

2）安裝了盤管式冷凝器的熱水器熱效率、過量空氣系數(shù)稍低于安裝了管殼式冷凝器的熱水器熱效率，在一次側(cè)均無冷凝水產(chǎn)生的風(fēng)險。

3） 綜合分析，盤管式冷凝器水阻較大、熱效率較低，但熱效率測試值在國標(biāo)要求內(nèi)，且結(jié)構(gòu)較小、易安裝；管殼式冷凝器成本較高，工藝復(fù)雜，其焊接處有漏水風(fēng)險，但水阻較小，熱效率較高，可根據(jù)實際需要選擇所需冷凝器。