熱交換器換熱結構對生成水垢的影響研究

岑錦泉 趙潤東

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

燃氣熱水器作為家庭熱水供應的主要設備之一，其主要運行原理是利用燃氣燃燒產生的高溫煙氣，通過熱交換器把熱量傳遞到冷水并使之加熱，達到供應熱水的目的。當水的硬度比較高，也就是鈣、鎂離子濃度較高時，在加熱的條件下，會生成碳酸鈣、碳酸鎂等不溶性鹽，我們稱之為“水垢”。由于水垢的導熱系數很小，當水垢附著在熱交換器的水管內壁時，會大大影響傳熱效果，影響換熱效率，甚至導致熱交換器損壞，產生漏水的風險。

針對水垢的問題，目前常用的處理手段有：在水進入熱水器或熱交換器前進行質軟化處理、在熱交換器表面進行表面處理（如增加納米涂層）、對熱交換器進行定期的清洗除垢。然而這些措施都需要額外投入成本或人力維護成本。本文主要探討如何對熱交換器結構進行優化，減少水垢的產生，提高熱交換器的運行效率與使用壽命。

1 熱交換器的失效分析

根據山西（自來水硬度普遍在（75～350）mg/L 之間，屬于中等到偏硬水的范圍）售后退回的漏水熱交換器進行分析，我們發現熱交換器殼體表面明顯發黑的情況，而漏水區域都集中在熱交換器的最后一根出水的換熱直管，漏水區域發現有大量的白色水垢。這是由于熱交換器直管內部生成水垢后，出現傳熱異常，導致熱交換片及直管溫度過高從而加劇銅管的氧化腐蝕，最終使銅管燒穿漏水。同時因為水垢和銅接觸會發生化學反應，生成氧化物或化合物，導致銅管表面發生腐蝕和氧化，從而加速縮短了熱交換器的壽命。另一方面，水垢可以吸附和集聚各種有害物質，如微生物、細菌、水鐵銹、水垢等，因此，水垢層內產生生物膜，也會損壞銅管內表面的保護層。

2 結構分析

減少生成水垢將有效的提高熱交換器使用壽命。而根據水垢的生成機理，減少水垢的生成在于減少壁面局部高溫。根據相關的研究，當溫度在（60～70）℃時，水垢的溶解度開始明顯下降。所以，應在水管內設有有效的裝置，避免水管內存在大面積的高溫區對減少生成水垢有積極的影響。本文從設置擾流結構與直管的排布入手，提出可行的方案。

2.1 擾流結構

2.1.1 模型建立

由于漏水區域都發生在熱交換器的換熱直管段，而現有熱交換器的加熱直管段，常用三種擾流結構：擾流彈簧、擾流片以及擾流彈簧+擾流片組合。為分析不同擾流結構在擾流過程中的作用以及彼此的差異，針對不同擾流方案進行數值模擬，擾流結構具體如圖2所示。

圖2 擾流片模型

為模擬換熱過程，構建計算域如圖3 所示，其中邊界條件按照32 kW 丁烷，水溫升40 ℃進行計算，翅片數量72 片。

圖3 計算域

氣流量Qa——0.004 69 kg/s；

煙氣溫度Ta——1 846.04 K；

水流量Qw——0.175 kg/s。

2.1.2 換熱情況分析

提取換熱管壁面溫度云圖（如圖4）所示，可看出，高溫的主要部分位于管壁下表面，受到擾流片的作用，不同擾流片作用下壁面換熱情況不同。擾流彈簧的兩種方案下溫度均由入口至出口逐漸上升，但擾流彈簧+擾流片方案因內部擾流片的存在，導致整體溫度相比于擾流彈簧方案更低。

圖4 換熱管內壁面溫度云圖

由圖6 可看出，除擾流彈簧方案以外，其余方案均實現了較為均勻的溫升。擾流彈簧方案相比于其他方案，高溫流體集中于壁面部分，在換熱管中心區域，水維持在較低的溫度。擾流片和擾流彈簧+擾流片相比，中心區溫度升溫較慢，存在明顯的低溫區域，說明流體內部的換熱不明顯。從徑向分布進行分析，因擾流片的作用，擾流片方案徑向溫度分布較為均勻，溫度高于60 ℃的區域主要位于壁面部分，而擾流彈簧的方案由于彈簧的阻礙作用，導致在壁面處的高溫區域面積較大，但擾流彈簧+擾流片方案由于存在內部擾流片，在一定程度上緩解了壁面的高溫情況。

圖5 換熱管內部溫度云圖

圖6 換熱管流線圖

高溫區的形成來源于流體內部的換熱不充分。從溫度云圖上看，擾流彈簧方案在水溫升和內部換熱上表現均較差，擾流彈簧+擾流片方案次之，擾流片方案效果最好。

2.1.3 換熱管內部流動分析

提取流線圖見圖6，從整體上觀察可知擾流片與擾流彈簧+擾流片方案均因為擾流片的影響實現了較為均勻的換熱，但擾流彈簧方案的情況下，流線近似筆直，表明流體的周向與徑向流動較少，還可發現在壁面擾流彈簧位置幾乎不存在流線，說明壁面附近流動情況較弱，這和上文中對內部換熱情況的分析相吻合。

采用湍動能以表示動能交換情況，湍動能越大，湍流強度越大，也更容易實現流體內部的熱能交換，提取湍動能如圖7。可發現，擾流彈簧方案，表明流體湍流強度低，這與對流線圖的分析一致；

而擾流彈簧+擾流片方案內部流動湍流強度較大，流體動量交換頻繁，結合溫度云圖進行分析，可發現換熱管內部的湍流運動有助于實現流體內部的溫度交換，利于減小溫度梯度，縮小高溫區的大小。擾流片方案雖然整體湍動能和其他方案相比處于最低水平，但是受擾流片影響，靠壁面流體均勻受熱，從而在一定程度上抑制了中段高溫區的出現。

2.1.4 硬水壽命實驗

為了驗證仿真的結果同模擬實際用戶水質較硬的情況下，不同擾流結構的結垢情況，進行以下測試。

硬水壽命測試：準備同樣負荷的三臺樣機，僅水箱不一樣：樣機1 使用擾流片結構，樣機2 使用擾流彈簧結構、樣機3 使用擾流片加擾流彈簧組合結構。進水溫度為20 ℃，硬度600 mg/L，3 臺樣機均按最大負荷運行，循環30 000 次。（1 個循環為：工作5 min，停止1 min。）循環結束后，切割水箱，對比水垢生成情況。

同時，在壽命測試過程當中，記錄熱交換器表面溫度變化如圖8。

圖8 不同擾流結構下熱交換器表面溫度與循環次數對比圖

如圖8 所示，隨著循環次數的增加，熱交換器表面溫度也呈上升趨勢，這主要由于熱交換器換熱直管生成水垢后，管壁與流體之間的傳熱收到阻礙，導致的熱交換器表面溫度變高。而擾流彈簧結垢溫升最高，也可以初步推斷出結垢程度最為嚴重，而擾流片方案與擾流彈簧+擾流片方案結垢的情況比較接近。

試驗到達30 000 次循環后，熱交換器并沒有出現泄露的情況。為了能直觀了解到熱交換器內部內部結垢的情況，我們對三種方案的熱交換器直管進行線割。

通過線割，我們發現換熱直管內生成了較多的水垢，而最后一根出水換熱直管是生成水垢最嚴重的區域。為了更加直觀反應出水垢的生成量，我們對各方案的水垢厚度進行測量，得到圖10 結果。

圖9 熱交換器線割圖

圖10 不同擾流結構下最后一根出水換熱直管水垢厚度取樣點與水垢厚度圖

圖11 換熱直管排布方案一

圖12 換熱直管排布方案二

圖13 不同換熱直管排布下最后一根出水換熱直管水垢厚度取樣點與水垢厚度圖

從數據上看，擾流彈簧結構的水垢生成量最多，擾流片結構的水垢生成量稍稍優于擾流彈簧+擾流片結構。也趨近于線割前熱交換器表面溫升的測試情況（表面溫度越高，水垢生成量越多）。

2.1.5 效率分析

考慮到擾流結構的變化，同時也會對熱效率有一定的影響。通過測試，效率結果如表1。

表1 不同擾流方案的熱效率

三種擾流方案的熱效率差異并不是十分明顯，均能滿足國標GB 6932-2015 二級能效的熱效率要求。熱效率最高的是擾流彈簧+擾流片方案，擾流彈簧次之，擾流片最后。

2.2 換熱直管排布對比

除了擾流結構的影響外，換熱直管的排布方式也會對水垢的生成產生影響。由于水垢多為難溶性鹽，隨著溫度的升高，其溶解度反而下降，從而加速水垢的生成，所以換熱器的最后一條加熱管是生成最多水垢的。目前市面上常見的熱交換器換熱直管多為垂直方向兩排分布，針對這種排布方式，本文以5 根換熱直管為例，對最后一根直管的相對位置進行不同的排布，對比觀察水垢的生成情況。

通過硬水壽命測試，可以發現最后一根換熱直管在上層比最后一根換熱直管在下層生成的水垢要少，這是由于高溫煙氣通過了下層換熱管后，大部分熱量已經被吸收。因此，熱交換器設計中直管的排布方式應合理選擇，較好的換熱直管排布可大大減少水垢生成。

3 總結

在水硬度較高的地區，難免會在燃氣熱水器的水路上生成水垢；特別是換熱管內側，是水垢集中生成的地方。本文通過對換熱器結構的優化，如：改變加熱管內擾流裝置的結構、改變加熱管的排布等手段能一定程度上減緩水垢的生成，提高熱交換器的效率和使用壽命，減少用戶的后期維護成本。熱交換器的設計應該根據實際情況進行適當調整，以達到最佳的效果。