冷凝式燃气热水器的冷凝器性能研究

黄志生

接要：鉴于市场的高普及度和广阔的使用前景，燃气热水器历经多年的发展，形成了较为成熟的关键性技术特点，如燃烧、换热、安全、恒温、冷凝、环境适应性等，这些技术特点的广泛应用，体现了技术工作者对燃气热水器产品舒适、稳定、安全、能效等方面的关注。冷凝式燃气热水器是一种高科技高效节能的新产品，比普通燃气热水器节能10%以上，对于节约能源，提高燃气热水器产品的行业技术水平及市场竞争力都具有极其重要的意义。

关键词：冷凝式；燃气热水器；节能

引言

近年来，随着我国经济的快速发展，我国能源供应不足的矛盾有所加剧，对国内生产和人民生活产生了负面影响。从我国长期能源供应情况来看，虽然我国煤炭资源总量还比较丰富，但是石油、天然气资源相对贫乏。因此，节能是缓解能源约束矛盾的现实选择，是解决能源环境问题的根本措施。燃气热水器将是我国燃气方面节能的重点，存在着巨大的节能潜力。

一、冷凝式燃气热水器存在的冷凝问题

1冷凝换热器的酸性腐蚀问题

防止酸性冷凝液的腐蚀是冷凝式热水器设计上的关键技术。目前，常采用两种防腐措施：一是在铜换热器表面浸涂防腐涂料；二是用防腐金属材料（如不锈钢，铝合金等）制作换热器。生产厂家大多采用前一种方法，原因是铜的加工与导热性能好，而且在制作铜换热器方面已积累了丰富的经验，相应的工艺设备已经完善，因此，加工成本会明显降低。前文已经提到，国内科研工作者经过近几年的试验研究，已经找到可用于冷凝式换热器上的几种有机耐温防腐涂料并在产品上使用，效果良好。另外，在防腐金属材料研究方面也取得了阶段性的进展。

2蒸汽的冷凝传热问题

在冷凝式热水器的冷凝段换热器上会遇到冷凝换热过程，这是一种具有相变的换热过程，当蒸汽和低于露点的壁面相接触时，在壁面上就会发生凝结，此时蒸汽放出汽化潜热而凝结成液体，凝结液成为一项新的热阻。由于汽、液之间界面上往往界限分开不明确，因此，对凝结过程的理论分析较困难，现有对冷凝换热的研究主要基于实验结果。制冷、动力等领域经常能遇到蒸汽的冷凝传热问题，这就使得这些介质蒸汽的冷凝器传热效能相对低，因而必须进行冷凝传热的强化。理论和实验数据都表明，凝结换热的热阻主要在凝结膜的表面，为了提高换热效率，必须设法加速凝结液的排泄，减薄液膜厚度。传统强化凝结换热的方法主要有：粗糙表面法、采用各种形式的强化传热管以及应用纵向肋或凹槽等。

二、影响节能效果的因索分析

冷凝式热水器之所以能省气节能，是因为吸收了普通热水器内损失掉的热量。这部分热量被有效吸收利用的程度决定热水器节能效果的好坏。影响热量有效吸收利用的主要因素是排烟温度的高低和过剩空气系数的大小。

普通型热水器未考虑烟气潜热的吸收问题，排烟温度必须高于烟气的露点（国标规定TF>110℃），以避免烟气中水蒸气凝结。因此烟气中的水燕气潜热完全无法利用，其显热损失也很大。相反，冷凝式热水器希望烟气中的水燕气尽量多地凝结以吸收更多的凝结热。排烟温度越低，烟气中的凝水量就越多，吸收的潜热量和显热量就越大，节能效果也就越好。冷凝式热水器的排烟温度应尽可能降低，在不影响正常嫩烧的条件下尽量降低过剩空气系数，以取得更好的节能效果。

另一个影响节能效果的因家是热水流量。由于热水流量的变化要影响热水器中换热器的表面温度，热水流量大，可加大换热器表面与烟气的温差，有利于传热，使热效率利用充分。还有一个影响节能效果的因素是自来水的进水温度，进水温度低，使冷凝器表面温度降低，也使烟气中水蒸气冷凝量加大，能更多地回收烟气的热量，使热效率提高。

三、冷凝式燃气热水器的冷凝器性能节能分析

燃气在燃烧过程中可供利用的热量主要包括烟气的显热和烟气中水蒸气的汽化潜热。普通燃气热水器由于受换热器结构等因素的限制，其排烟温度较高，难以充分利用烟气的显热；而冷凝式燃气热水器由于设置了冷凝热交换器，大大降低了排烟温度，因此不仅能够充分利用烟气的显，，而且能利用烟气中部分水蒸气的汽化潜热。所以，冷凝式燃气热水器的热效率要远大于普通燃气热水器的。冷凝式燃气热水器的热效率比普通燃气热水器的热效率（绝对值）提高13%左右。由于热效率与燃气用气量是反比例关系，使用冷凝式燃气热水器比普通燃气热水器节能效果明显。

四、两种燃气热水器的热效率对比测试

分别选用以天然气为气源的普通燃气热水器与冷凝式燃气热水器各1台，在同一测试条件下进行热效率的测试。为了减小测试误差，每台燃气热水器的热效率均测试2次，取其平均值进行比较。测试条件：实验室环境温度为19.5℃，天然气气源温度为19.0℃，实验室大气压力101.75kPa。

①冷凝式燃气热水器排烟温度的降低一方面可以减少高温烟气带走的热量损失，相对于普通燃气热水器可以提高11%～12%的热效率（绝对值）；另一方面还可以利用烟气中部分水蒸气的汽化潜热，可提高2%～4%的热效率（绝对值）。②冷凝式燃气热水器的热效率要比普通燃气热水器的热效率（绝对值）高13%左右，节能效果明显，是今后燃气热水器的主要发展方向。

五、冷凝技术

冷凝技术是在新能源时代，因“节能、环保”的产品要求而发展起来的一种最新型燃气热水器技术。冷凝式热水器能最大限度地吸收燃气燃烧热能，具有高能效性和节能效果，是目前唯一能达到国家一级能效标准的燃气热水器产品，冷凝式热水器也能吸收、处理烟气中的有毒气体，降低排放指标，达到环保的目的。

冷凝式热水器利用了“二次换热”的原理。结构上与普通热水器最大的不同是在热交换器之外增加一个冷凝器，冷水先流经冷凝器，吸收经一次换热后烟气中的显热，使烟气温度进一步降低，烟气中部分水蒸气凝结成水，其释放的潜热也被冷水吸收，达到了对烟气降温、吸热的处理目的。同时，冷凝水充分吸收烟气中C、N、S等元素的酸性氧化物，其所形成的冷凝液经由冷凝管收集另作处理，因而大大降低了排出烟气中的污染物含量，使得处理后的烟气低温、低毒，基本上对环境无污染。

冷凝器是冷凝式热水器上的一个关键技术问题，具有较高的技术创新价值。冷凝式燃气热水器的冷凝器设计外观形式多样，其在热水器内部的位置也因实际需要而定。其内部结构形式类似于热交换器，目的是让流动的冷水吸收烟气中的热量，并生成冷凝水，因此冷水管一般贯穿在换热片之中，易于冷凝水形成和流动。工作期间，依据具体设计要求，烟气流向与冷凝水洒落方向可相同，也可相反。生成的冷凝水通过一定通道汇集、回收，能淡化冷凝器下部酸性环境并降低冷凝器温度。

在冷凝技术中，如何降低冷凝器的设计和生产成本，并达到比较满意的冷凝效果，以及冷凝水的收集处理方案，都是值得人们深入研究的地方。冷凝技术的应用，使燃气热水器实际节气率可达12.8%，同种耗气条件下的热水产率提高达14.6%，总体节能效果为15%～20%，具有巨大的经济效益和社会效益。

结语

冷凝式燃气热水器作为一种高科技高效节能的新产品，研究前景广阔，且对于节约能源，减少环境污染，提高燃气热水器产品的行业技术水平及市场竞争力都具有极其重要的意义。

只要通过不断地改进，提高产品性能，降低生产成本，将来一定可以加速产品的市场推广，使广大群众享受到科技进步带来的利益。研究发展冷凝式热水器是进一步提高热水器节能。

参考文献

[1]熊超，秦朝葵，戴万能等.冷凝式燃气热水器技术及应用[J].天然气工业，2010；30（2）：112-114

[2]吴明华，王国志，于兰英等.冷凝式燃气热水器的热工性能实验研究[J].机械设计与制造，2013；12：90-92