摘要：对4台冷凝式热水器进行了1200 h耐久试验，在其中3台的换热器低温段的铜肋片管表面采用3种有机防腐涂料，另外1台不使用任何防腐涂料，进行对比试验。干粉环氧树脂的耐温与抗酸腐蚀性可以满足使用要求，但还需改进喷涂工艺以提高粘附力。分析了燃用天然气时出现的严重酸性腐蚀现象，结合换热器温度测量结果，探讨了换热器冷凝腐蚀的原因，以及冷凝水和腐蚀污染物的生成条件。研究了冷水温度和防腐涂层对热水器热效率的影响。
关键词：冷凝式燃气热水器；冷凝；防腐；露点
Experimental Study on Corrosion Prevention of Low-temperature Section of Heat Exchanger in Condensing Gas Water Heater
ZHENG Yong-xinl，ZHA0 Heng-yi1，YE Yuan-zhang2，ZHONG Jia-song2，XIA Zhao-zhi3，WU Guo-fu3
(1.International Copper Association，Shanghai 200020，China；2.Guangdong Vanward Group，Foshan 528305；3.Chongqing University，Chongqing 400045，China)
Abstract：The 1200 h endurance test for four condensing gas water heaters is performed. Three of them have three kinds of organic anticorrosive coatings on the surface of copper fin tube of 1ow-temperature section of heat exchanger，one of them has no any coating，and a comparative experiment is carried out. The temperature resistance and acid corrosion prevention of dry-power epoxy resin can meet the operation requirement，but the spraying technology still needs to be improved to increase the adhesion. The serious acid corrosion occurred in the case of burning natural gas is analyzed. Combined with the heat exchanger temperature measurement results，the causes of condensing corrosion of the heat exchanger and the forming conditions of condensate and corrosive pollutants are discussed. The influence of cold water temperature and anticorrosive coating on the thermal efficiency of water heater is studied.
Key words：condensing gas water heater；condensation；corrosion prevention；dew point
1 概述
1979年，荷兰研制成功世界上第一台冷凝式锅炉，与常规锅炉相比热效率提高10%以上，开始了把冷凝技术运用到家用热力设备上的进程。至今，家用冷凝式燃气热水器与两用炉由于节能、环保上的显著优点，在许多发达国家已得到政府大力扶持并推广普及[1]。
在冷凝式燃气热水器上提高热效率的主要方法，一是降低排烟温度，二是减少燃烧过剩空气量。降低排烟温度能使排烟带走的热量损失减少。排烟温度下降到露点以下又会使烟气中的水蒸气冷凝并放出气化潜热，使热水器热效率升高。减少燃烧过剩空气量使排出的烟气量减少，并能提高烟气露点，增加冷凝水量，热水器的热效率也升高。
燃用天然气时，若能把排烟温度降低到室温，过剩空气系数降到1.0，则冷凝式热水器的热效率将增加到110%左右(本文提到的热效率均按低热值计算)，比常规热水器节能20%左右。
为了实现降低排烟温度与减少过剩空气量，在设计中需要解决两个新的技术问题：一是防止换热器的酸性腐蚀，二是实现低氧运行[2]。排烟温度下降会导致酸性物质冷凝并粘附在换热器表面上，从而引发换热器的腐蚀。因此，防腐蚀是设计冷凝式燃气热水器时首先要考虑的技术问题。为降低过剩空气量，应采用低氧运行，实现低氧运行的较好方法是采用完全预混燃烧方式。本文只限于讨论防腐蚀问题，不涉及低氧运行。
以往的研究认为，在冷凝式热水器上，烟气中水蒸气会在换热器表面冷凝，烟气中的酸性气体CO2、NO、N02、S02、SO3，以及氯离子与氟离子等在气态下不具有腐蚀性，但溶于冷凝水中便生成碳酸、硝酸、硫酸、盐酸与氢氟酸的稀酸性混合溶液，从而引发换热面的腐蚀。当冷凝水干燥时，其酸浓度会增加，腐蚀性会更强。按照这种观点，出现冷凝水是引发换热面腐蚀的前提条件。
2 冷凝式热水器试验
① 试验系统
为了研究酸性腐蚀与防腐涂料的实际使用效果，建立了相应的试验系统，见图1。试验用的冷凝式天然气热水器是强制给排气型，热流量为17 kW.具有自动恒温及各种保护功能。热水器的换热器采用铜肋片管式，分为高温段与低温段，低温段换热器浸涂防腐涂料，高温段不用防腐涂料。高温段换热器出口烟气温度设计值为175 ℃，低温段出口烟气温度设计值为50 ℃。设计热效率为99%。燃用重庆天然气，燃气工作压力为2 kPa，水压为0.1 MPa。试验运行时间为2个月，逾1200 h。这个时间的确定主要是参考重庆一般居民使用的热水器每年运行时间约150 h，热水器使用寿命为8年，共计1200h。
试验用4台热水器。1号热水器的换热器低温段没有浸涂防腐涂料，以便观察酸性冷凝物对铜换热器的腐蚀情况，可作对比。2号热水器的低温段干粉喷涂环氧树脂，3号热水器的低温段浸涂灰色改性有机硅防腐涂料，4号热水器的低温段浸涂黑色改性有机硅防腐涂料。热水器的高温段不使用防腐涂料。试验用重庆天然气，各组分的体积分数如下：CH4为98.10%，C2H6为0.15%，C3H8为0.07%，02为0.05%，N2为1.18%，C02为0.44%，H2S为25×10-6。燃气低热值为35.4 MJ/m3。试验从10月持续到12月，自来水温度从17.5 ℃降到9 ℃。热水温度为35～65 ℃(白天高负荷运行，热水温度为65 ℃；晚问低负荷运行，热水温度为35 ℃)。热水器昼夜连续运行2个月。燃烧过剩空气系数为1.7，烟气露点为50 ℃。冷凝水量约1.5 kg/h，其pH值为3.0～3.5。
② 1号热水器试验
1号热水器换热器低温段用裸铜肋片管，无防腐涂层，其结构见图2。连续运行1200 h后。打开检查，发现低温段底部、下导水片表面上有大量蓝绿色腐蚀产物均匀粘附其上，已严重堵塞烟气流道。但是，上导水片及其以上的肋片管表面却干净，没有观察到腐蚀产物粘附。经化学分析，蓝绿色腐蚀产物主要是硫酸铜。刮掉硫酸铜后观察到铜肋片已明显减薄，表面非常粗糙，但未发现腐蚀穿孔的情况。肋片上部没有粘附腐蚀产物的地方，铜肋片也因冷凝水腐蚀而减薄，但比下导水片轻微许多。这些现象表明，酸性冷凝物对铜肋片管的腐蚀表现为两个方面，一是生成腐蚀产物硫酸铜并粘附在肋片表面上；二是使铜肋片减薄。对热水器安全运行而言，腐蚀产物的堵塞可能比腐蚀使铜肋片减薄的危害更大。
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