燃氣熱水器管路水垢研究

范 威，梁國榮，杜小文

（廣東美的廚衛電器制造有限公司，廣東 佛山528311）

隨著城市新建住房燃氣管路的配套完善，燃氣熱水器因其出熱水快速、性價比高等優勢越來越多的被作為家庭洗浴的首選。與城市水路系統及其他用水終端產品一樣，燃氣熱水器的水路系統同樣存在著結水垢問題。由于燃氣熱水器熱交換器尤其是其換熱管內部結垢，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，會導致耗能的增加。進一步地，由于水垢沉積附著于換熱管路內壁造成腐蝕，導致管路表面穿孔，造成漏水等嚴重危害燃氣熱水器安全的問題發生。所以，對燃氣熱水器的全管路進行剖析，分析成垢原因是很有必要的。

圖1 燃氣熱水器換熱器結構示意圖

1 結垢換熱器剖解

1.1 結構換熱器全管路拆解

如圖1所示，燃氣熱水器換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：燃氣在燃燒室中燃燒所產生的高溫煙氣向上流經換熱翅片，冷水從進水管路進入流經換熱直管，換熱翅片將高溫煙氣中的熱量吸收后熱傳導給換熱直管中的冷水，是冷水變溫熱水再通過出水管路流出。

為了真實探查燃氣熱水器的結構情況，選取了結構比較嚴重的北京地區使用5年的燃氣熱水器換熱器進行真實拆解，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，可以看出燃氣熱水器管路內表面的情況如下：如圖2和圖3進水管路內表面并無水垢發現，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都有明顯的水垢發現，且水垢厚度與水溫成正比，呈現遞增趨勢。如圖6～圖9連接彎管和出水管處無水垢，也沒有異物發現。

1.2 燃熱水器管路水垢、異物檢測

針對拆解的管路內表面白色的水垢和黑色的異物，取樣發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

結論：

根據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。

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 燃氣熱水器結垢成因分析

銅管的氧化產物中氧化銅和氧化亞銅具有極高的穩定性，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。

根據對燃氣熱水器換熱器全管路剖解和華測的檢測結果可以發現，水垢集中出現在五根換熱直管的內表面，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，換熱管內部有擾流彈簧結構。可以推測換熱面溫度和擾流結構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下外壁承受高溫煙氣，管內是流動的水[2]。在銅管壁的熱傳導下，內壁與水流接觸處產生核狀沸騰的氣泡，由于內部擾流彈簧或擾流片產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。大連理工大學的劉蕓引關于沸騰時換熱面上的結垢規律研究。在發生核狀沸騰時，由于氣泡形成和脫離的機制，使得換熱面上的結垢更為嚴重[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，得出當壁面溫度升高時，溶液過飽和度增大，表面反應速率常數增大，結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與結垢速率的影響關系。

圖14V=1.62 m/s流速下表面溫度對結垢的影響

圖15V=1.157 m/s流速下表面溫度對結垢的影響

圖16V=0.463 m/s流速下表面溫度對結垢的影響

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，表面溫度對結垢速率的影響較大；而在流速較低時，表面溫度對結垢速率的影響較小[6]。

針對燃氣熱水器，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律。因此燃氣熱水器換熱器水垢產生的主要原因是換熱面高溫使水結合面沸騰產生鈣鹽析出結晶并附著壁面造成。

2.2 擾流結構的影響

如圖19，燃氣熱水器換熱器中包含擾流彈簧。根據大連理工大學彭坤對于內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，設計參數如表1。另外，強化傳熱管抗垢性能的一個重要衡量指標是誘導期的長短，誘導期越長，說明抗垢抑垢性能越好。一般而言，誘導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，內置螺旋彈簧換熱管的誘導期比光管要長，達到5 h，而從可以測到污垢達到漸進值的時間為12 h，都比光管所需時間長。所以，說明內置螺旋彈簧換熱管的抗垢性能比較好。

圖19 熱交換器擾流結構

表1 試驗彈簧參數

圖20 內置螺旋彈簧換熱管和光管污垢特性曲線

內置螺旋彈簧換熱管析晶污垢熱阻比光管小，主要是其內部流場的變化引起的，因為彈簧的存在使得換熱管內流動變為螺旋流動狀態，增加了流體的徑向流速和切向流速，從而增加了近壁面區的流體速度梯度，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生沖刷和刮擦換熱管內壁的運動，使得沉積下來的污垢被剝蝕下來，隨流體一道流走。

3 結束語

通過對燃氣熱水器換熱器管路的剖析發現，水垢集中產生于換熱直管的內壁上。從馬烽博士等人的試驗及對換熱器工作狀態的仿真對比，得出燃氣熱水器水垢產生的主要原因是高溫換熱產生的鈣鹽析出結晶并附著換熱表面。

擾流結構除了可以強化換熱的同時，也有抑垢除垢的效果。但不同的擾流結構效果是不相同的。因此，對于燃氣熱水器而言，優化擾流結構，使其達到符合自身最佳的強化換熱和除垢功能，是未來設計和研究的方向。

本文通過對已產生水垢的燃氣熱水器的剖析入手，研究熱水器本身工作狀態對水垢產生的影響。當然，水垢的產生是復雜的，不同地區的水質硬度、PH值等都不同，其對水垢的產生影響也很大，后續的可以針對全環境因素研究燃氣熱水器水垢的綜合成因。