不銹鋼材質在換熱器中的應用探索

鐘燕春 郭 雄 趙英娜

（1、湛江科技學院，廣東 湛江 524094 2、北京交通大學，北京 100044）

換熱器是燃氣熱水器的核心部件之一，其使用的材料不僅需要具有較高的導熱性能，還需具有耐高溫和耐腐蝕的特性。目前包括中國在內的很多國家生產的燃氣熱水器換熱器所選用的材質基本都是銅材，但是銅材料價格貴，在水質差的地區易腐蝕，這些缺點對企業造成了成本高及售后維修困難等問題。而不銹鋼材質成本低，耐腐蝕性能好，近幾年在歐美市場中，不銹鋼材質的換熱器已在燃氣熱水器產品的中得到很好的市場應用與驗證。國內也有多個廠家在進行不銹鋼換熱器的探索和研究，但因目前技術及制造水平的限制，多數廠家都處于早期研發中[1]，相信隨著技術的發展，在不久的將來國內廠家也能很好地生產出不銹鋼材質的換熱器。本文主要是通過將不銹鋼材質與無氧銅材料進行對比，進而對不銹鋼材質在換熱器中的應用展開分析。

1 換熱性能分析

圖1 換熱器工作原理示意圖

整個熱傳遞過程的總傳熱系數為:

其中h1——水和傳熱管壁面的對流換熱系數；

δ——傳熱管的壁厚；

h2——煙氣和傳熱管壁面的對流換熱系數；

λ——傳熱管材料的導熱系數。

2 材料性能分析

對不銹鋼材料性能方面的分析主要是從力學性能、熱力性能以及抗腐蝕性能三個方面將不銹鋼材料與銅材料進行對比分析。

2.1 力學性能

金屬材料的力學性能是指材料抵抗外力的能力。表1是無氧銅和不銹鋼304材料在力學性能方面的分析比較。

表1 材料力學性能分析

通過表1的對比分析可知：塑性變形方面，不銹鋼與無氧銅的塑性性能相差不大，但在強度方面，不銹鋼的屈服強度和抗拉強度都比無氧銅高，因此在相同的使用情況下，不銹鋼的使用壽命比無氧銅長。此外，不銹鋼的硬度較高，具有很強的抗沖擊性能及抗振性能。

2.2 熱力性能

熱力性能直接影響材料在傳熱過程中的使用，對材料進行熱力性能方面的分析至關重要。本節通過對材料熱力性能方面進行對比分析，進而判斷在燃氣熱水器換熱器中使用不銹鋼材料將無氧銅替換這一方法是否可行。

在材料的熱力性質方面，相對不銹鋼，無氧銅在比熱容、導熱系數這兩方面有明顯的優勢。但是在換熱器的理論計算中發現，比熱容和導熱系數對于總換熱系數的影響較小，因此，即使是使用不銹鋼作為換熱器的材料，對于熱水器的換熱效率影響并不大。

2.3 抗腐蝕性能

不銹鋼管和銅管的抗腐蝕性能如表2所示。

表2 不銹鋼管與銅管的抗腐蝕性能

由表2可知，不銹鋼管與銅管相比具有的優點：抗沖擊腐蝕性能好，能很好的抵抗蒸汽帶水滴在高速中的沖擊腐蝕；抗氨腐蝕性能好：耐水側沖擊腐蝕，可提高冷卻水流速，這樣既可提高總體傳熱系數，又可減少管內雜質的沉積。

2.4 其他

在換熱器制造中，除了需要關注材料的力學性能、熱力性能、使用性能以及加工工藝等方面外，還需要考慮材料的成本和外觀等問題。

在成本方面，雖然不銹鋼材料的成本價是無氧銅材料的一半，但由于不銹鋼在焊接中所使用電焊條價格是無氧銅的3倍之多，因此在小批生產中不銹鋼換熱器的制造成本會比無氧銅的要高。

3 加工可行性分析

現有換熱器的加工工藝多采用釬焊方式，表3是對無氧銅和不銹鋼304在焊接方面的性能做出的分析對比。

表3 加工性能分析

通過分析可以看出，由于不銹鋼的焊前工藝較為復雜，而且焊接溫度較高，因此相對無氧銅，不銹鋼的加工工藝難度更高。

4 結論

綜上分析可以看出，在燃氣熱水器換熱器的使用材料中，與無氧銅相比，不銹鋼材質在換熱性能方面以及熱力性能方面差異不大，加工方面略顯不足，但在抗腐蝕能力方面，不銹鋼材質具有明顯優勢。由此可見，從材料的應用層面出發，不銹鋼材質可應用于燃氣熱水器換熱器中，并能有效提高燃氣熱水器的抗腐蝕性能力。