蒙永翠
中山市羽顺热能技术设备有限公司 广东 中山 528429
摘要：燃气热水器的换热器结构复杂，空间尺寸变化较大，使用CFD软件模拟面临网格多、计算效率低等问题，存在硬件方面的困难。在实际工作中，可以对换热器进行简化，建立理论模型，结合数值计算来研究影响换热器换热效率的因素，为燃气热水器的性能改进提供依据。
关键词：燃气热水器；腐蚀产物；措施；分析
1导言
天然气是一种以甲烷为主要组分的清洁能源，但仍含有许多杂质，其中以硫化物和二氧化碳为主。硫化物燃烧后产生SO2，在过剩氧作用下可能进一步氧化为SO3。SO2和SO3是大气的主要污染物，还可能形成酸雨，污染水体和土壤。在燃气快速热水器的燃烧室和换热器的表面，SO3和SO2与水蒸气反应，可形成硫酸蒸气和亚硫酸蒸气，并可能在换热器表面冷凝形成冷凝液。冷凝液与铜质换热器表面反应，生成硫酸铜和硫酸亚铜等产物，附着在肋片之间，堵塞换热肋片。在天然气燃烧过程中，氮气和氧气发生反应，会生成NOx，其中以NO和NO2为主。与硫氧化物类似，氮氧化物也可能在换热器表面产生硝酸和亚硝酸，腐蚀金属铜，生成硝酸铜和硝酸亚铜等物质。
2燃气热水器概述
2.1历史发展
20世纪70年代初期，周总理去欧洲访问，回途经香港时一位进步人士送他两台5升直排式热水器。回到北京后责成相关人士开发此产品，在周总理的关注下，现代热水器进入普通百姓家的大门慢慢被打开了；1979年，中国第一台燃气热水器在南京市玉环热水器厂研制成功，标志着中国人民用锅烧水洗澡的时代已经结束了，老百姓的洗浴生活进入了一个新的时代；中国燃气热水器经历了直排，烟道，强排，平衡，户外式5个阶段，每步都是一次技术突破，都是在洗浴“安全”和“舒适”上的一次迈进。其中直排式热水器到2000年6月完成了历史使命，被国家强行禁止销售、使用；中国的燃气热水器执行标准也经历了“86标准，94标准，2001标准，2015标准”四个标准，每一次标准的更新，都标志着中国在燃气热水器的设计和制造水平上了一个新的台阶，同时也提高了行业的进入门槛。
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2.2发展前景
节能减排是国家倡导的发展方向，具有更少能源消耗量的产品将是未来发展的一个方向。太阳能热水器和空气能热水器作为低能耗的产品发展势头较好。然而，由于产品自身的一些限制，产品在满足消费者需求上有一定的局限，于是综合能源利用成为了热水器发展的另一个方向。作为新能源产品的太阳能热水器和空气能热水器正展现出强劲的发展势头，两种品类因其独特的性能迅速拓展市场，在消费者当中有较强烈的反响。
2.3工作原理
燃气热水器的基本工作原理是冷水进入热水器，流经水气联动阀体在流动水的一定压力差值作用下，推动水气联动阀门，并同时推动直流电源微动开关将电源接通并启动脉冲点火器，与此同时打开燃气输气电磁阀门，通过脉冲点火器继续自动再次点火，直到点火成功进入正常工作状态为止，此过程约连续维持5-10秒时间，当燃气热水器在工作过程或点火过程出现缺水或水压不足、缺电、缺燃气、热水温度过高、意外吹熄火等故障现象时，脉冲点火器将通过检测感应针反馈的信号，自动切断电源，燃气输气电磁阀门在缺电的情况下立刻回复原来的常闭阀状态，也就是说此时已切断燃气，关闭燃气热水器起安全保护作用。通常一台合格的燃气热水器，指各项性能指标符合GB6932-2001《家用燃气快速热水器》国家标准要求的燃气热水器，从点火状态到进入正常工作状态的整个过程是全自动控制，无需人为调整或附加设置，只要打开冷水开关或接通冷水水源，通过水量调节装置和气量调节装置调节得到合适的水量与水温，燃气热水器就立刻在5-10秒较短的时间内进入正常工作状态，同时产出热水。
3换热器腐蚀原因分析
3.1酸性冷凝液的生成
非冷凝式燃气热水器虽然没有冷凝段(也称低温段)换热器，但是由于在换热器表面，尤其是靠近水管的地方，温度很低(经测试冬季仅为35℃左右)，可以形成冷凝液。当烟气温度冷却到某一温度t，烟气中的水蒸气便开始冷凝，析出冷凝水，此时温度t为烟气的水露点。烟气水露点不是一个固定值，与烟气中水蒸气分压有关，即与燃气组成、过剩空气系数有关。
3.2酸露点下的硫酸冷凝
当烟气温度降到水露点时，就会有较多的冷凝水析出。理想的烟气冷凝液应该为纯水，但在实际中，由于天然气含有H2S，在燃烧过程中便会生成SO2，在过剩空气的作用下，SO2中的一部分进一步氧化为SO3并与烟气中水蒸气反应生成气态硫酸(H2SO4)。气态硫酸在烟气温度下降时会冷凝成硫酸液雾，其开始冷凝的温度为酸露点。酸性较强的硫酸液雾滴落贴附在换热器的表面上便引起换热器强烈的酸性腐蚀，并生成腐蚀产物硫酸铜(不镀铅换热器)或硫酸铅(镀铅换热器)。
4换热器防腐蚀措施
4.1提高气源质量
本试验中燃用的天然气质量满足二类天然气的质量指标。若燃气热水器用的天然气质量能达到一类天然气质量指标，即天然气中总硫含量不超过100 mg/m3，硫化氢含量不超过6mg/m3，换热器烟气侧表面硫化物及硫酸盐将会减少。
4.2改变换热器进出水位置
来自燃烧室的高温烟气进入换热器底部，自下而上经过换热器。高温烟气和换热器内壁(外缠水管处)换热，换热器内壁烟气流动边界层厚度较大，温度梯度大，温度较低的冷水会使得换热器内壁处温度低于酸露点和水露点，此处烟气中酸蒸气、水蒸气会迅速冷凝。若将冷水口和热水口调换位置，则降低了水与烟气之间的温差，从而减少冷凝水的生成量，减轻腐蚀程度。冷水从换热器上段进入，与即将排放的低温烟气换热，热水从换热器的底部流出，和高温烟气进行换热。这样，酸性冷凝液的生成量会大大减少，但可能会影响换热器的传热效果。
4.3采用防腐层
燃气热水器换热器烟气侧表面主要受到过剩空气和酸性冷凝液的腐蚀，为了抵抗过剩空气和酸性冷凝液的腐蚀，可以在换热器的铜肋片表面和壳体内壁浸涂防腐涂料。试验中在铜质换热器表面镀上一层铅，发现镀铅换热器腐蚀产物中氧化铜的含量很少，说明采用在换热器表面浸涂防腐蚀材料的方法，可以有效地减少换热器烟气侧铜表面的腐蚀。防腐层的性能优良对减少腐蚀产物起着重要作用，要求防腐层耐腐蚀性能好，耐高温，透气性和渗水性小，附着力强，有一定的机械强度，有一定的传热性能，经济上合理。目前，采用较多的防腐层有丙烯酸有机硅、有机硅铝粉等。
5结论
不镀铅的燃气热水器换热器烟气侧表面腐蚀产物主要是CuO和CuSO4，镀铅燃气热水器换热器烟气侧表面腐蚀产物主要是PbSO4和CuO。CuO是高温烟气中的过剩氧气与换热器表面的铜发生化学反应产生，硫酸盐则是烟气中水蒸气冷凝后形成的酸性冷凝液与换热器表面的铜和铅反应生成。为了减少腐蚀产物的产生，可以采用提高燃气质量(降低硫含量)、改变换热器进出水位置以及采用防腐层等措施。
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论文作者:蒙永翠
论文发表刊物:《防护工程》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/28
标签：换热器论文; 烟气论文; 燃气热水器论文; 热水器论文; 表面论文; 产物论文; 燃气论文; 《防护工程》2018年第24期论文;