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摘要：随着城市新建住房燃气管路的配套完善，燃气热水器因其出热水快速、性价比高等优势越来越多的被作为家庭洗浴的首选。与城市水路系统及其他用水终端产品一样，燃气热水器的水路系统同样存在着结水垢问题。由于燃气热水器热交换器尤其是其换热管内部结垢，会造成热阻显著增大，换热效率显著降低，水路流通截面积减小堵塞，会导致耗能的增加。进一步地，由于水垢沉积附着于换热管路内壁造成腐蚀，导致管路表面穿孔，造成漏水等严重危害燃气热水器安全的问题发生。所以，对燃气热水器的全管路进行剖析，分析成垢原因是很有必要的。
关键词：燃气热水器；管路水垢
引言
文章主要针对燃气热水器换热器管路的剖解总结其成垢成因，并检测水垢的组成成分进行分析，通过研究可以发现，热水器水垢产生的主要原因就是高温换热产生的钙盐析出结晶并附着换热表面，而扰流结构是除垢一种重要手段和改善方向。
1.结构换热器全管路拆解
燃气热水器换热器一般由无氧铜制作而成，分为燃烧室、换热翅片和水管路三大部分焊接组成。水管路又由进水管路、换热直管、连接弯管、出水管路四个小部分连接而成，其中换热直管穿过换热翅片。其工作原理为：燃气在燃烧室中燃烧所产生的高温烟气向上流经换热翅片，冷水从进水管路进入流经换热直管，换热翅片将高温烟气中的热量吸收后热传导给换热直管中的冷水，是冷水变温热水再通过出水管路流出。
2.燃气热水器结垢成因分析
铜管的氧化产物中氧化铜和氧化亚铜具有极高的稳定性，对铜管具有保护作用，这是铜耐腐蚀的原因所在。故本文不再讨论。根据对燃气热水器换热器全管路剖解和华测的检测结果可以发现，水垢集中出现在五根换热直管的内表面，而进水管、出水管、连接弯管并无水垢形成。对比五根换热直管和进/出水管、连接弯管，因整个水路是联通的，水流速度相同，所以首先排除了水流速度的影响因素。因为出水管的水温与最后一根换热直管的水温相同，且出水管没有水垢产生，也排除了水体温度的影响因素。除此之外，换热管承受着高温的作用，换热管内部有扰流弹簧结构。可以推测换热面温度和扰流结构是决定换热管水垢形成的主要因素。
2.1换热面温度的影响
换热直管在工作状态下外壁承受高温烟气，管内是流动的水。在铜管壁的热传导下，内壁与水流接触处产生核状沸腾的气泡，由于内部扰流弹簧或扰流片产生的旋流或波动下气泡被刺破，从而强化换热效率和减小噪音。大连理工大学的刘芸引关于沸腾时换热面上的结垢规律研究。在发生核状沸腾时，由于气泡形成和脱离的机制，使得换热面上的结垢更为严重。相关学者研究了壁面温度对污垢在换热面上沉积速率的影响，得出当壁面温度升高时，溶液过饱和度增大，表面反应速率常数增大，结垢速率随壁面温度呈线性增加。如下图1～图4学者研究了初始试验浓度CaCl2的浓度为1.42g/L，NaHCO3的浓度为1.42g/L相同，不同流速V和表面温度Tw与结垢速率的影响关系。
图1.V=1.62m/s流速下表面温度对结垢的影响：
以家庭常用的家庭洗浴水流量7L/min～10L/min为例，流经换热器的水流速度1.23m/s～1.75m/s。其换热面温度和流速满足并超过马烽博士的测试规律。因此燃气热水器换热器水垢产生的主要原因是换热面高温使水结合面沸腾产生钙盐析出结晶并附着壁面造成。
2.2扰流结构的影响
根据大连理工大学彭坤对于内置螺旋弹簧换热管和光管进行了多组析晶污垢实验特性表明，内置螺旋弹簧换热管的污垢热阻渐进值比光管要小。另外，强化传热管抗垢性能的一个重要衡量指标是诱导期的长短，诱导期越长，说明抗垢抑垢性能越好。一般而言，诱导期是指从传热面与污染流体接触到形成可测到污垢的一段时间。内置螺旋弹簧换热管的诱导期比光管要长，达到5h，而从可以测到污垢达到渐进值的时间为12h，都比光管所需时间长。所以，说明内置螺旋弹簧换热管的抗垢性能比较好。内置螺旋弹簧换热管析晶污垢热阻比光管小，主要是其内部流场的变化引起的，因为弹簧的存在使得换热管内流动变为螺旋流动状态，增加了流体的径向流速和切向流速，从而增加了近壁面区的流体速度梯度，使壁面剪切力增大，污垢颗粒较难于附着在换热管的内壁而形成污垢，另外一个重要的原因是弹簧随流体的振动而产生冲刷和刮擦换热管内壁的运动，使得沉积下来的污垢被剥蚀下来，随流体一道流走。
结论：
简而言之，通过对燃气热水器换热器管路的剖析发现，水垢集中产生于换热直管的内壁上。从马烽博士等人的试验及对换热器工作状态的仿真对比，得出燃气热水器水垢产生的主要原因是高温换热产生的钙盐析出结晶并附着换热表面。扰流结构除了可以强化换热的同时，也有抑垢除垢的效果。但不同的扰流结构效果是不相同的。因此，对于燃气热水器而言，优化扰流结构，使其达到符合自身最佳的强化换热和除垢功能，是未来设计和研究的方向。本文通过对已产生水垢的燃气热水器的剖析入手，研究热水器本身工作状态对水垢产生的影响。当然，水垢的产生是复杂的，不同地区的水质硬度、PH值等都不同，其对水垢的产生影响也很大，后续的可以针对全环境因素研究燃气热水器水垢的综合成因。
参考文献：
[1]马烽.载气蒸发的发展及其换热面上结垢的研究[D].大连：大连理工大学，2018
[2]彭坤.内置螺旋弹簧换热管传热及抗垢特性研究[D].武汉：武汉工程大学，2019
论文作者:刘胜
论文发表刊物:《防护工程》2019年10期
论文发表时间:2019/8/15
标签：水垢论文; 换热论文; 管路论文; 燃气热水器论文; 污垢论文; 换热器论文; 弹簧论文; 《防护工程》2019年10期论文;