盘管式冷凝器与管壳式冷凝器对比实验研究

夏立珍 邓飞忠 张 强 王克军 仇明贵

（华帝股份有限公司 中山 528400）

引言

冷凝式燃气热水器自问世以来，因其高效、节能、环保在热水器市场占有一席之地。冷凝式燃气热水器关键部件有燃烧器、热交换器、风机、冷凝器，现普遍采用的结构形式中的烟气流道为，燃烧器燃烧产生的烟气首先经过热交换器完成一次换热后，再经过风机导流至冷凝器经过二次换热后输出到大气中，最终达到降低烟温、提升能效的目的[1]。冷凝器选择首要考虑的因素为换热效率，换热效率主要影响因素为冷凝器结构。目前，盘管式冷凝器、管壳式冷凝器等为各大厂商常用结构。此外，为避免冷凝器漏水，冷凝器材质选择较为重要。目前，冷凝式燃气热水器的冷凝器材质选择主要有耐腐蚀材质，如不锈钢、铝合金等；其次选择基材（一般为铜管）表面覆防腐涂层材质[2]。在众多材质选择中，SUS304、SUS316L耐腐性强，且SUS316L耐腐性优于SUS304，但二者在耐腐蚀速率上差别不大，考虑到经济性，更多厂商倾向于选用SUS304。冷凝器的结构、材质、成本等均对冷凝式燃气热水器造成一定程度的影响，因此，选择合适的冷凝器对冷凝式燃气热水器极为重要。

1 试验环境及设备

1.1 试验环境

1）实验室环境符合GB 6932-2015《家用燃气快速热水器》7.1及7.2要求；

2）室温，26±2 ℃；大气压，101～102 kPa；进水温度，20±1 ℃；出水温度，60±1 ℃；

1.2 试验设备

1）试验设备包括水阻力性能检测台、燃气热水器性能检测台、烟气测试分析仪、盘管式冷凝器、管壳式冷凝器同型号冷凝式家用供热水燃气快速热水器两台、调压箱、压力表（±5 000 Pa）、电子称、盛水锅、秒表等。

2）冷凝器示意图如图1 。

3）图1中，盘管式冷凝器主要由进烟管、排烟管、盘管、进出水嘴、冷凝水嘴组成，其水路管道为盘管，盘管结构为波纹管。一次侧烟气由进烟管进入换热器中，经过盘管由排烟口导入大气中；冷凝水由冷凝水嘴排出。

由图2所知，管壳式冷凝器主要由进烟管、排烟管、进出水嘴、冷凝水嘴、换热器组件组成，换热器中水路管道为数列直管，直管为光管。一次侧烟气由进烟管进入，通过左侧导流通道进入换热器组件中，通过换热器组件的数列烟管由排烟管导入大气中；冷凝水由冷凝水嘴排除。

盘管式冷凝器与管壳式冷凝器重要尺寸见表1。

2 试验分析

2.1 盘管式冷凝器与管壳式冷凝器水管阻力分析

单独测试盘管式与管壳式冷凝器水阻，其试验结果如图3所示。

将盘管式冷凝器与管壳式冷凝器分别安装于同一冷凝式燃气热水器中，其水阻试验结果如图4所示。

由图3可知，相同水压条件下，盘管式冷凝器水流量低于管壳式冷凝器水流量，当水压大于0.03 MPa后，盘管式冷凝器水流量与管壳式冷凝器水流量差值趋于稳定，差值平均值为0.7 L/min。由图4可知，相同水压条件下，安装了盘管式冷凝器的燃气热水器水流量低于安装了管壳式冷凝器的燃气热水器水流量，当水压大于0.15 MPa后，安装了盘管式冷凝器的热水器与安装了管壳式冷凝器的水流量差值趋于稳定，差值平均值为1.3 L/min。盘管式冷凝器管道阻力大于管壳式冷凝器管道阻力。其一，盘管式冷凝器所用水管为波纹管，管壳式冷凝器所用水管为光管，早有研究表明，同样长度的波纹管与光管相比，虽然换热系数较高，但阻力系数增大[3]，同水压下水流量低；其二，由公式（1）和（2）可知，管道阻力由沿程阻力与局部阻力之和；管壳式冷凝器水管为光管且无弯头，故管壳式冷凝器不考虑局部阻力，仅有沿程阻力。假设管内介质为层流，将（3）、（4）、（5）代入（1）[4]计算可知，将表1数值代入得，盘管式冷凝器沿程阻力，管壳式沿程阻力，盘管式冷凝器管道阻力大于管壳式冷凝器管道阻力。

图1 盘管式冷凝器示意图

图2 管壳式冷凝器示意图

表1 盘管式冷凝器与管壳式冷凝器尺寸

图3 盘管式冷凝器与管壳式冷凝器水阻测试

图4 盘管式冷凝器与管壳式冷凝器在同一热水器的水阻测试

hf—沿程阻力损失；

h —局部阻力损失；

λ —沿程阻力系数；

l —管长；

d —管径；

v —断面平均流速；

g —重力加速度；

ε —局部阻力系数；

Re —雷诺数；

u —运动粘度；

Q —流量；

2.2 盘管式冷凝器与管壳式冷凝器的燃气热水器性能测试分析

2.2.1 基本性能测试分析

将盘管式冷凝器与管壳式冷凝器分别装于同一型号冷凝式燃气热水器中，测试其热效率、烟气等性能，测试结果如表2所示。

从表2可知，盘管式冷凝器热效率低于管壳式冷凝器热效率，这与盘管式冷凝器排烟温度高于管壳式冷凝器排烟温度相符合，且通过式（6）计算可知盘管式冷凝器过量空气系数为2.15，管壳式冷凝器过量空气系数为1.99，管壳式过量空气数低，空气与燃气燃烧更为充分，获取热量多，排烟温度低，效率较高；其次，由图1及图2结构可知，管壳式冷凝器一次侧烟气首先进入换热器组件左烟室，随后进入换热器组件，随后进入数列换热器组件的烟管中，换热时间较长，换热量较大，换热效率较高。

α —过量空气系数；

O2—测试氧含量；

CO —测试一氧化碳含量；

CO2—测试二氧化碳含量；

2.2.2 一次侧烟气分析

分别测试盘管式冷凝器及管壳式冷凝器一次侧烟气含量及排烟温度，测试结果如表3所示。

由表3、式（6）可计算出盘管式及管壳式的过量空气系数分别为1.73、1.63，管壳式冷凝器燃烧较盘管式冷凝器燃烧充分；其次可由表3得知水蒸气含量，进一步得知水蒸气分压，由《饱和水及饱和水蒸气性质表》即知盘管式冷凝器与管壳式冷凝器在一次侧是露点温度分别为50.3 ℃、51.6 ℃，一次侧不会有冷凝水产生的风险。

表2 盘管式冷凝器与管壳式冷凝器性能测试

表3 盘管式冷凝器与管壳式冷凝器一次侧烟气测试

表4 盘管式冷凝器与管壳式冷凝器工艺及成本等特性

2.3 盘管式冷凝器与管壳式冷凝器工艺及成本分析

盘管式冷凝器与管壳式冷凝器工艺及成本等特性如表4所示。

由于盘管式冷凝器结构及工艺简单，主要为盘管、外壳、进出烟管，工艺安装上主要有铆接及螺栓连接，而管壳式冷凝器结构及工艺较为复杂，除了外壳、进出烟管，换热器组件，还有密封垫等，且换热器组件结构的类似工业小锅炉，管子数量多，其制作对焊接工艺要求高，所以成本上盘管式冷凝器低于管壳式冷凝器；其次，盘管式冷凝器材料均为不锈钢，耐蚀性强，管壳式冷凝器焊点多，焊接距离短，应力较为集中，腐蚀风险较大。

3 结论

1）盘管式冷凝器水管阻力大于管壳式冷凝器水管阻力，当水压大于0.03 MPa后，盘管式冷凝器水流量与管壳式冷凝器水流量差值趋于稳定，差值为0.7 L/min；当水压大于0.15 MPa后，安装了盘管式冷凝器的热水器与安装了管壳式冷凝器的水流量差值趋于稳定，差值为1.3 L/min。

2）安装了盘管式冷凝器的热水器热效率、过量空气系数稍低于安装了管壳式冷凝器的热水器热效率，在一次侧均无冷凝水产生的风险。

3） 综合分析，盘管式冷凝器水阻较大、热效率较低，但热效率测试值在国标要求内，且结构较小、易安装；管壳式冷凝器成本较高，工艺复杂，其焊接处有漏水风险，但水阻较小，热效率较高，可根据实际需要选择所需冷凝器。