热交换器换热结构对生成水垢的影响研究

岑锦泉 赵润东

（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305）

引言

燃气热水器作为家庭热水供应的主要设备之一，其主要运行原理是利用燃气燃烧产生的高温烟气，通过热交换器把热量传递到冷水并使之加热，达到供应热水的目的。当水的硬度比较高，也就是钙、镁离子浓度较高时，在加热的条件下，会生成碳酸钙、碳酸镁等不溶性盐，我们称之为“水垢”。由于水垢的导热系数很小，当水垢附着在热交换器的水管内壁时，会大大影响传热效果，影响换热效率，甚至导致热交换器损坏，产生漏水的风险。

针对水垢的问题，目前常用的处理手段有：在水进入热水器或热交换器前进行质软化处理、在热交换器表面进行表面处理（如增加纳米涂层）、对热交换器进行定期的清洗除垢。然而这些措施都需要额外投入成本或人力维护成本。本文主要探讨如何对热交换器结构进行优化，减少水垢的产生，提高热交换器的运行效率与使用寿命。

1 热交换器的失效分析

根据山西（自来水硬度普遍在（75～350）mg/L 之间，属于中等到偏硬水的范围）售后退回的漏水热交换器进行分析，我们发现热交换器壳体表面明显发黑的情况，而漏水区域都集中在热交换器的最后一根出水的换热直管，漏水区域发现有大量的白色水垢。这是由于热交换器直管内部生成水垢后，出现传热异常，导致热交换片及直管温度过高从而加剧铜管的氧化腐蚀，最终使铜管烧穿漏水。同时因为水垢和铜接触会发生化学反应，生成氧化物或化合物，导致铜管表面发生腐蚀和氧化，从而加速缩短了热交换器的寿命。另一方面，水垢可以吸附和集聚各种有害物质，如微生物、细菌、水铁锈、水垢等，因此，水垢层内产生生物膜，也会损坏铜管内表面的保护层。

2 结构分析

减少生成水垢将有效的提高热交换器使用寿命。而根据水垢的生成机理，减少水垢的生成在于减少壁面局部高温。根据相关的研究，当温度在（60～70）℃时，水垢的溶解度开始明显下降。所以，应在水管内设有有效的装置，避免水管内存在大面积的高温区对减少生成水垢有积极的影响。本文从设置扰流结构与直管的排布入手，提出可行的方案。

2.1 扰流结构

2.1.1 模型建立

由于漏水区域都发生在热交换器的换热直管段，而现有热交换器的加热直管段，常用三种扰流结构：扰流弹簧、扰流片以及扰流弹簧+扰流片组合。为分析不同扰流结构在扰流过程中的作用以及彼此的差异，针对不同扰流方案进行数值模拟，扰流结构具体如图2所示。

图2 扰流片模型

为模拟换热过程，构建计算域如图3 所示，其中边界条件按照32 kW 丁烷，水温升40 ℃进行计算，翅片数量72 片。

图3 计算域

气流量Qa——0.004 69 kg/s；

烟气温度Ta——1 846.04 K；

水流量Qw——0.175 kg/s。

2.1.2 换热情况分析

提取换热管壁面温度云图（如图4）所示，可看出，高温的主要部分位于管壁下表面，受到扰流片的作用，不同扰流片作用下壁面换热情况不同。扰流弹簧的两种方案下温度均由入口至出口逐渐上升，但扰流弹簧+扰流片方案因内部扰流片的存在，导致整体温度相比于扰流弹簧方案更低。

图4 换热管内壁面温度云图

由图6 可看出，除扰流弹簧方案以外，其余方案均实现了较为均匀的温升。扰流弹簧方案相比于其他方案，高温流体集中于壁面部分，在换热管中心区域，水维持在较低的温度。扰流片和扰流弹簧+扰流片相比，中心区温度升温较慢，存在明显的低温区域，说明流体内部的换热不明显。从径向分布进行分析，因扰流片的作用，扰流片方案径向温度分布较为均匀，温度高于60 ℃的区域主要位于壁面部分，而扰流弹簧的方案由于弹簧的阻碍作用，导致在壁面处的高温区域面积较大，但扰流弹簧+扰流片方案由于存在内部扰流片，在一定程度上缓解了壁面的高温情况。

图5 换热管内部温度云图

图6 换热管流线图

高温区的形成来源于流体内部的换热不充分。从温度云图上看，扰流弹簧方案在水温升和内部换热上表现均较差，扰流弹簧+扰流片方案次之，扰流片方案效果最好。

2.1.3 换热管内部流动分析

提取流线图见图6，从整体上观察可知扰流片与扰流弹簧+扰流片方案均因为扰流片的影响实现了较为均匀的换热，但扰流弹簧方案的情况下，流线近似笔直，表明流体的周向与径向流动较少，还可发现在壁面扰流弹簧位置几乎不存在流线，说明壁面附近流动情况较弱，这和上文中对内部换热情况的分析相吻合。

采用湍动能以表示动能交换情况，湍动能越大，湍流强度越大，也更容易实现流体内部的热能交换，提取湍动能如图7。可发现，扰流弹簧方案，表明流体湍流强度低，这与对流线图的分析一致；

而扰流弹簧+扰流片方案内部流动湍流强度较大，流体动量交换频繁，结合温度云图进行分析，可发现换热管内部的湍流运动有助于实现流体内部的温度交换，利于减小温度梯度，缩小高温区的大小。扰流片方案虽然整体湍动能和其他方案相比处于最低水平，但是受扰流片影响，靠壁面流体均匀受热，从而在一定程度上抑制了中段高温区的出现。

2.1.4 硬水寿命实验

为了验证仿真的结果同模拟实际用户水质较硬的情况下，不同扰流结构的结垢情况，进行以下测试。

硬水寿命测试：准备同样负荷的三台样机，仅水箱不一样：样机1 使用扰流片结构，样机2 使用扰流弹簧结构、样机3 使用扰流片加扰流弹簧组合结构。进水温度为20 ℃，硬度600 mg/L，3 台样机均按最大负荷运行，循环30 000 次。（1 个循环为：工作5 min，停止1 min。）循环结束后，切割水箱，对比水垢生成情况。

同时，在寿命测试过程当中，记录热交换器表面温度变化如图8。

图8 不同扰流结构下热交换器表面温度与循环次数对比图

如图8 所示，随着循环次数的增加，热交换器表面温度也呈上升趋势，这主要由于热交换器换热直管生成水垢后，管壁与流体之间的传热收到阻碍，导致的热交换器表面温度变高。而扰流弹簧结垢温升最高，也可以初步推断出结垢程度最为严重，而扰流片方案与扰流弹簧+扰流片方案结垢的情况比较接近。

试验到达30 000 次循环后，热交换器并没有出现泄露的情况。为了能直观了解到热交换器内部内部结垢的情况，我们对三种方案的热交换器直管进行线割。

通过线割，我们发现换热直管内生成了较多的水垢，而最后一根出水换热直管是生成水垢最严重的区域。为了更加直观反应出水垢的生成量，我们对各方案的水垢厚度进行测量，得到图10 结果。

图9 热交换器线割图

图10 不同扰流结构下最后一根出水换热直管水垢厚度取样点与水垢厚度图

图11 换热直管排布方案一

图12 换热直管排布方案二

图13 不同换热直管排布下最后一根出水换热直管水垢厚度取样点与水垢厚度图

从数据上看，扰流弹簧结构的水垢生成量最多，扰流片结构的水垢生成量稍稍优于扰流弹簧+扰流片结构。也趋近于线割前热交换器表面温升的测试情况（表面温度越高，水垢生成量越多）。

2.1.5 效率分析

考虑到扰流结构的变化，同时也会对热效率有一定的影响。通过测试，效率结果如表1。

表1 不同扰流方案的热效率

三种扰流方案的热效率差异并不是十分明显，均能满足国标GB 6932-2015 二级能效的热效率要求。热效率最高的是扰流弹簧+扰流片方案，扰流弹簧次之，扰流片最后。

2.2 换热直管排布对比

除了扰流结构的影响外，换热直管的排布方式也会对水垢的生成产生影响。由于水垢多为难溶性盐，随着温度的升高，其溶解度反而下降，从而加速水垢的生成，所以换热器的最后一条加热管是生成最多水垢的。目前市面上常见的热交换器换热直管多为垂直方向两排分布，针对这种排布方式，本文以5 根换热直管为例，对最后一根直管的相对位置进行不同的排布，对比观察水垢的生成情况。

通过硬水寿命测试，可以发现最后一根换热直管在上层比最后一根换热直管在下层生成的水垢要少，这是由于高温烟气通过了下层换热管后，大部分热量已经被吸收。因此，热交换器设计中直管的排布方式应合理选择，较好的换热直管排布可大大减少水垢生成。

3 总结

在水硬度较高的地区，难免会在燃气热水器的水路上生成水垢；特别是换热管内侧，是水垢集中生成的地方。本文通过对换热器结构的优化，如：改变加热管内扰流装置的结构、改变加热管的排布等手段能一定程度上减缓水垢的生成，提高热交换器的效率和使用寿命，减少用户的后期维护成本。热交换器的设计应该根据实际情况进行适当调整，以达到最佳的效果。