一体式螺旋翅片管换热器在燃气热水器上的应用研究

潘同基 李罗标 张上兵 李光斌

（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305）

前言

螺旋翅片管是一种高效可靠的换热元件，广泛应用在各种换热设备中，不仅可以强化换热降低流动阻力，而且减少金属耗量，提高换热设备的经济性和可靠性。螺旋翅片管换热器在国内规模化应用已经超过30年历史，近年技术进步：采用激光焊接工艺，激光焊接优势在于接触热阻为零，和高频焊接相比具有翅化比大，重量轻，组装的换热器体积紧凑的特点，更节能环保，换热效率更高。全预混冷凝式燃气热水器是我国家用燃气快速热水器的发展方向。根据我国的国情，供热水型的热水器比两用型的更有市场，普及容易，将螺旋翅片管应用在全预混冷凝式燃气热水器是，其发展前景广阔，而且节能减排符合时代发展要求。

现阶段冷凝式燃气热水器的换热器大部分都是通过采用分段换热方式：高温烟气先通过主换热器换热冷却后再进入冷凝换热器进行二次换热，主换热器一般采用无氧铜换热器或普通不锈钢翅片管换热器，冷凝换热器采用不锈钢波纹管换热器或不锈钢板式换热器，加工工艺多种复杂，而且主换热器与冷凝换热器之间需要密封和连接，结构复杂密封性要求高。本文主要分析全预混冷凝式燃气热水器采用一体式螺旋翅片管作为换热器的可行性和实施，提高全预混冷凝式燃气热水器的安全性能和普及性。

1 理论分析

全预混冷凝式燃气热水器采用一体式螺旋翅片管作为换热器，其高温换热和低温冷凝二合为一，省去主换热器与冷凝换热器之间的密封和连接，可靠性和经济性得到提高。一体式螺旋翅片管换热器除了管本身的焊接就只有进出水口两个地方有焊口，翅片跟管之间的焊接是采用激光将翅片熔在管上，焊透率高，能够防止间隙腐蚀，焊接热影响区小，金相变化小，减小传热热阻，提高换热效率，延长使用寿命；整个换热器出现漏水的焊口极少，安全性能大大提高。

螺旋翅片管的换热效率主要由翅片高度、翅片距离、翅片厚度及基管等因素决定，由于国内的燃气和空气质量较差，翅片距离过小容易产生堵塞，距离过大会效率偏低，参照无氧铜换热器多年的经验数据，暂定为2 mm；翅片高度与换热强度和热阻关系较大，由于本螺旋翅片管的翅片与基管是采用激光焊接，传热热阻比传统焊接方式要低，参照无氧铜换热器多年的经验数据，暂定为5 mm；翅片厚度定为0.4 mm，基管根据本次研究的热水器的热负荷为44 kW，燃烧器的直径60 mm，火孔到换热片留有（50 ～60）mm的火焰空间，螺旋翅片管直径为外径19 mm，螺旋直径200 mm，螺旋总圈数7 圈。为了平衡换热的强度，其中4 圈用于高温换热，另3 圈用于冷凝换热，但换热器还是一体的。

为了使换热效果更佳效率更高，紧贴螺旋翅片管的壳体根据翅片外面尺寸呈半包围型，壳体上的开孔与翅片管中心在同一水平面上，让高温烟气围绕管壁流动充分换热，而且开孔的形式最好是整条的跟随翅片管中心线的小缝，但由于结构和强度的限制，只能开一排相互紧贴的小通孔或有间断的一排小缝；高温换热与冷凝换热的交接处，由于水管是螺旋盘管的，除了中间隔热的结构外，还要增加两管之间的隔片，防止烟气从中间漏走。

2 实验数据及改进

根据上述分析，以热水器的热负荷为44 kW 为例，经过CH4气实验测试，测试数据如表1 。

表1 样机测试数据1

图1 高温烟气通过二次与螺旋翅片管进行换热示意图

通过测试发现，整个换热器在大小负荷下都无冷凝水形成和排出，导致热效率在最小负荷也很低，经过排查分析，发现开孔的小缝尺寸过大导致的因素较大：小缝尺寸原型是4 mm，翅片高5 mm，由于开口太大烟气从远离水管的翅片空间绕到小缝，与水管距离较大，较小与水管直接接触，无法产生冷凝水，水蒸气的热量无法被吸收；不锈钢的换热系数比铜的小太多，换热效率较低；低温换热流速低，换热强度小。针对现有的螺旋翅片管换热器的不足，采取了以下几个改进方案对进行测试：①只是将所有的小缝尺寸由4 mm 改为2 mm；②将所有的小缝尺寸由4 mm 改为2 mm 后，还将低温换热由一次换热改成二次换热；③将所有的小缝尺寸由4 mm改为2 mm 后，还将低温换热由一次换热改成三次换热。以下是具体方案的测试数据。

改进1：只是将所有的小缝尺寸由4 mm 改为2 mm，见表2。

表2 样机测试数据2（改进1）

热效率较原方案提高较多，但是总的效率不高，还未能达到一级能效98 %的要求。

改进2：将所有的小缝尺寸由4 mm 改为2 mm 后，还将低温换热由一次换热改成二次换热：在两壳体中间新增一圈的挡板，低温段螺旋翅片管内部新增一圈的挡板，将烟气的流向限定为：燃烧器—高温段螺旋翅片管—两壳体中间—低温段螺旋翅片管—低温段空间—低温段螺旋翅片管—两壳体中间—排烟，见图2、表3。

图2 高温烟气通过三次与螺旋翅片管进行换热示意图

表3 样机测试数据3（改进2）

热效率较改进1 方案提高较多，总的效率已超过100 %，已超过一级能效的要求。

改进3：将所有的小缝尺寸由4 mm 改为2 mm 后，还将低温换热由一次换热改成三次换热。在两壳体中间新增一圈的挡板，原中间排烟孔封闭，将烟气的流向限定为：燃烧器—高温段螺旋翅片管—两壳体中间—低温段螺旋翅片管—低温段空间—低温段螺旋翅片管—两壳体中间—低温段螺旋翅片管—低温段空间，见图3、表4。

图3 高温烟气通过四次与螺旋翅片管进行换热示意图

表4 样机测试数据4（改进3）

热效率较改进2 方案提高较小，已无多大的提升空间。

4 结语

根据上述分析和各种实验对比数据，全预混冷凝式燃气热水器采用一体式螺旋翅片管作为换热器是可行的：通过设置紧贴螺旋翅片管的半包围壳体，壳体上的开有与翅片管中心在同一水平面上的小缝或小孔，让高温烟气围绕管壁流动充分换热，再将低温换热部分设计让烟气分多次绕螺旋翅片管一体换热，热效率可达到100 %以上，符合一级能效的要求。但由于不锈钢的换热系数小，螺旋翅片管的翅片与管换热效果不是太高，烟气主要与翅片进行换热，难以产生冷凝水，导致冷凝效果不理想，效率难有很大的提升。现阶段万和公司采用一体式螺旋翅片管已在样机中取得阶段性成果，热效率可达到103 %左右。

要达到更高效率，建议增加冷凝效果更佳的换热器进行冷凝换热。