換熱器作為燃氣熱水器的“心臟”,防腐抗垢性能決定燃氣熱水器壽命。相較于傳統(tǒng)的銅換熱器,A.O.史密斯另辟蹊徑采用商用級不銹鋼換熱器,稱作是“精鋼心臟”防腐抗垢耐久性強。所以希望能從專業(yè)角度了解下,這種材質(zhì)有什么優(yōu)勢?有哪些技術(shù)難點?
作為一名曾經(jīng)混跡在化工企業(yè)、和熱交換器也打過一些交道的老理工男、同時身為史密斯家熱水器多年的老用戶(有圖為證 ),我覺得這個問題下我還是能來湊個熱鬧的。圖中的手是答主自己的、熱水器是2017年買的、劉看山是今年知乎送的
簡單來說,選擇不銹鋼作為熱交換器的材質(zhì),是為了解決一個“既要……又要……”的問題:
為了理解這一點,我們不妨先來了解一下熱水器的工作環(huán)境,看看哪些因子會影響熱水器的使用壽命和能量效率。
這是一個典型的燃氣熱水器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。請忽略答主的靈魂畫技
它的主要部分可以簡單分為:
氣路 、 水路、 點火單元、 燃燒室和 熱交換器 。
這里面,熱交換器就是整個熱水器的心臟,它是水從冷到熱完成加熱的地方。
而它的工作原理,簡單說來就是一個 更高效的 “燒水”的過程:
燃氣在燃燒室中燃燒,帶著大量熱量從熱交換器內(nèi)的煙道中通過,而水管在煙道中穿梭,與高溫的煙道氣充分接觸,透過管壁吸收煙道氣的熱量,將冷水加熱。熱交換器工作原理
了解了熱交換器的工作原理,我們就可以來考慮如何選擇材料了。
對于燃氣熱水器用的熱交換器而言,其實*可行的材料主要是兩個:銅和不銹鋼。因此,我們的比較也主要在這兩者之間進行。
那么,我們該從哪些角度去比較它們呢?
前面我們從熱交換器工作原理中知道,熱量是透過水管 管壁 傳遞的。因此,我們很容易首先想到,熱量穿過管壁的“暢通性”一定是選擇材質(zhì)的一個重要因素。
在傳熱學中,這種“暢通性”主要由材料的 熱傳導率 λ 來體現(xiàn),熱傳導率越大,說明相同條件下熱量在這種材料中的流動越“暢通”,傳熱效率也就越高。這體現(xiàn)在*終使用體驗上,就是更省燃氣。
那么我們來看看兩種材料的熱傳導率分別是多少吧:
銅:120 W/(m?K)
不銹鋼:17 W/(m?K)
你沒看錯,單從熱傳導率這一點來看,銅才是那個**。
但這并不意味著不銹鋼就沒有機會了。
因為我們面臨的是一個工程學問題,需要更廣泛的視角:不僅需要考慮材料的功能性參數(shù),還要考慮工作環(huán)境中其他一些隱藏的危險因素。
在熱交換器的工作過程中,看似波瀾不驚的表象下,其實暗藏著一些破壞分子(物理意義上的),從內(nèi)而外地對熱交換器的管壁進行著持續(xù)侵蝕,影響使用壽命。
先說外面的。
大家知道,我們生活中主要使用的燃氣是天然氣、煤氣或液化石油氣,它們的主要成分是各類小分子烷烴(和少量烯烴)、氫氣或一氧化碳。
但除此之外,這些燃氣中還有一些不受歡迎的客人,它們是以硫化物為主的 腐蝕性氣體 (比如硫化氫, 乙硫醇和一些羰基硫等)。
這些硫化物會溶解在管壁上的冷凝水中,從外面一點點侵蝕管壁,*終將蝕穿管壁、產(chǎn)生泄漏。
而除此之外,在熱交換器的管內(nèi)也有一些微妙的事情發(fā)生:
當水在管內(nèi)流動時,通常有一些微量的難溶(或微溶)金屬鹽,比如碳酸鈣、碳酸鎂等,從水中不斷析出、沉積在管壁內(nèi)表面,形成厚厚的 水垢 。
這些水垢會擋在水和管壁之間,阻礙傳熱,同時也使管道變得狹窄、阻礙水的流動。如果家里的熱水器用久了,洗澡時發(fā)現(xiàn)水流不穩(wěn)、忽冷忽熱,那很有可能就有水垢的一份“貢獻”。
所以,接下來我們就將注意力放在 防腐抗垢 這兩項性能上。
先說防腐性能。
為了比較銅和不銹鋼對硫化物的防腐能力,我特地搜了一些文獻,從中找到了兩組具有比較意義的腐蝕數(shù)據(jù)[1][2],分別是銅和不銹鋼的在硫化氫中的腐蝕量變化:這里,腐蝕量是用所謂腐蝕失重(單位 g/m2 )來衡量的,簡單來說,就是經(jīng)過一段腐蝕后,單位面積上損失了多少材料。
從曲線趨勢可以看出,經(jīng)過一段時間后,不銹鋼的腐蝕會很快停止、不再增加,而銅的腐蝕是持續(xù)增加的,這是因為不銹鋼表面可以快速形成致密的鈍化膜阻止進一步腐蝕,而銅的腐蝕層卻會持續(xù)脫落,導致未腐蝕表面進一步暴露。
(從數(shù)值上來看,經(jīng)過相同時間,似乎不銹鋼的腐蝕量更多一些,但這是因為兩者腐蝕條件不同:銅只是暴露在含有微量硫化氫的濕潤氣體中,而不銹鋼是浸泡在硫化氫飽和溶液中,所以兩者沒有直接可比性,我們也就不用過多關(guān)注腐蝕量的值本身 )
所以,在防腐性能上,不銹鋼扳回了一局。
接下來說說抗垢性能。
水垢的形成,主要是難溶金屬鹽在管壁形成結(jié)晶的過程,這個過程的快慢除了取決于水自身的成分和溫度外,還和管壁的表面粗糙度有關(guān)[3]。
對于熱交換器中的管道而言,由于內(nèi)壁容易受到來自水的侵蝕(尤其是酸性水質(zhì)),使得表面粗糙度不斷增大、更容易出現(xiàn)微觀凸起、為水垢的沉積提供結(jié)晶核,耐腐性較差的金屬自然更容易出現(xiàn)這樣的問題。
那么,在抗垢這方面,兩者的表現(xiàn)又如何呢?
我們可以直接來看 A.O.史密斯自己做的實驗結(jié)果:
在氯離子濃度 ~ppm、硬度 2000ppm 的模擬酸性水質(zhì)中,A.O.史密斯所用的商用級不銹鋼防腐抗垢能力可以達到銅的 3.9 倍[4]。
分析到這一步,從“經(jīng)久耐用”的指標來看,不銹鋼的確還是有勝出希望的。但是它的熱傳導率實在是讓人一言難盡,要徹底翻盤,我們還是得想點辦法來提高傳熱效率。
這個辦法就是增大傳熱面積。
而在熱交換器中,增大傳熱面積有兩種方式:一是增加管路本身,二是在管子的外面加上增加翅片(管翅結(jié)構(gòu)),經(jīng)驗數(shù)據(jù)表明,管翅結(jié)構(gòu)可以使傳熱系數(shù)提高 1~2 倍[5]。典型的管翅結(jié)構(gòu)
史密斯家表示兩種方法我都上。雙管齊下的結(jié)果,就是將等效傳熱面積在原來的基礎上提升 2.5 倍,傳熱效率提升至 90%[6](達到國家能效標準),這樣,傳熱效率的問題就解決了。A.O.史密斯管翅結(jié)構(gòu)熱交換器概念圖
不過,在徹底翻盤之前,不銹鋼熱交換器還要面臨*后一項考驗:極端溫差。
我們知道,換熱器管路內(nèi)外的水和燃氣之間總是存在著溫差,這一點在主換熱區(qū)尤其明顯,管壁內(nèi)外的溫差可達 200℃,這會導致管上出現(xiàn)不均勻的熱脹冷縮,從而產(chǎn)生所謂的 熱應力 。
形象一點說,就是管內(nèi)水溫較低,內(nèi)側(cè)的管材膨脹趨勢較弱,但管外燃氣溫度高,外側(cè)的管材拼命想脹開,卻被內(nèi)側(cè)的管材束縛住,這“一拉一扯”之間就產(chǎn)生了應力。
此外,由于熱水器的工作不是持續(xù)、而是間歇性的,這一張一弛的工作節(jié)奏還會產(chǎn)生應力循環(huán),容易造成疲勞破壞,這種破壞對于焊接區(qū)域尤為致命。
而不銹鋼熱交換器由于材料和結(jié)構(gòu)的特性,卻恰恰需要更多的焊接點,這對于不銹鋼的焊接、尤其是主換熱區(qū)的部分提出了挑戰(zhàn)。
因此,要在包括主換熱區(qū)在內(nèi)的全套熱交換器上都采用不銹鋼,必然要求過硬的焊接工藝水平,這也是史密斯家的一項獨特優(yōu)勢所在。
現(xiàn)在我們可以簡單梳理一下,A.O.史密斯熱水器的熱交換器材質(zhì)為什么選用不銹鋼了:
寫完這些,再次想起我家那臺用了六年從沒出過問題的熱水器、想起它外殼上那個“五年包換”的標識,我突然意識到,這個平時沒注意過的承諾背后,包含了怎樣的自信和底氣。
史密斯的熱水器我拆過,林內(nèi)的我也拆過。
網(wǎng)上很多人說的銅散熱器的換熱效率高,這已經(jīng)是共識了,這是從材質(zhì)角度去比較的。
但其實,這里有個前提,就是單位換熱面積下,銅換熱器的效率要高于不銹鋼。這種說法正確,可是放在一個產(chǎn)品中,不能以單位換熱面積的效率去衡量。
這里就說到了燃氣熱水器,作為一個產(chǎn)品,要看它的整體設計,用戶無需去看一個點,而要看整機的換熱效率,加熱速度是否能達到要求,出熱水的量是否能達到要求。
不銹鋼的產(chǎn)品,它可以通過增加水路的導熱面積,用更多翅片帶來更大的換熱面積來彌補,這就好像我們經(jīng)??吹降囊恍┥崞髯龀砂纪苟鄬拥慕Y(jié)構(gòu),來增加散熱面積一個道理,通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進。
并且燃氣熱水器行業(yè)是成熟的行業(yè),如果大家都是16L,按照行業(yè)規(guī)范去討論的話,兩者的制熱能力是在一個水準上的。
然后,說到耐用性,不銹鋼的一定會比銅好一些,但是這個東西并不是**的,和你家里的水質(zhì)、你家所處的地理環(huán)境、潮濕度都有很大的關(guān)系。
我家里曾經(jīng)用了好多年的林內(nèi),拆開來,里面也沒有銹蝕和銅綠,但是可能換個特別潮濕的,水質(zhì)很差的地方就說不好了。
對用戶來說,如果你選擇不銹鋼的方案,加熱溫度這些我覺得倒不用擔心,燃氣熱水器做了那么多年,而且是主流**,都不會有問題,不銹鋼主要解決的還是使用壽命,誰都希望買了熱水器以后能用得久一些就省心,當然不銹鋼的方案,加工比較麻煩,成本更高,所以價格也相應的會高一些。
只能說各有利弊,咱們從下面的金屬導熱性里面可以看出,不銹鋼的導熱性能還是比較差的,可以說排到倒數(shù)**了。金屬導熱性
但是如果像林內(nèi)、能率等燃氣熱水器都用的是純銅水箱,那能排到第2名,所以這里就產(chǎn)生了一個分歧,到底咱們應該注重的是導熱性,還是應該注重的是防腐性能呢?
這還要從燃氣熱水器的原理開始說起。原理圖
首先冷水從冷水端進來,這個時候就被流量傳感器檢測到,然后*先啟動的是風機,風機先轉(zhuǎn)動,主要是排除里面的殘留氣體,防止燃燒不良。
大概就是2秒的時間以后,然后點火針開始點火,燃氣比例閥開始供氣,這個時候火焰點燃,冷水經(jīng)過盤管,也就是水箱,逐步的被帶熱,從熱水器熱水口出來就是咱們設置的溫度。盤管
所以水箱(盤管)是媒介,是把火焰轉(zhuǎn)化為水熱量的裝置。
比如咱們關(guān)小水流,此時是不是火焰就要減小。咱們開大水流,此時火焰就要增大。不同的火排
所以如果用不銹鋼的盤管,那么導熱性能不行,勢必造成反應遲鈍。也就是火焰減小的時候,它不能快速過渡,而火焰增大的時候,它不能快速變熱。
所以從這點看的話,不銹鋼水箱毫無優(yōu)勢,不然百樂滿、林內(nèi)、能率,到現(xiàn)在都有百年歷史了,依然用的是純銅的水箱。
而一些新興的**,比如史密斯、美的高端**colmo,這2個**目前都有不銹鋼水箱,其中史密斯的不銹鋼水箱*多,基本上占據(jù)這個**的90%以上。colmo也是不銹鋼水箱
小結(jié):建議大家**純銅水箱的燃氣熱水器,肯定是沒虧吃的,至于水箱抗腐蝕問題,它的優(yōu)先級并不是很高。
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大家好,我是知乎燃熱拆機實驗評測的余小其,不同于知乎上其他的云評測人員,我測試的每一款產(chǎn)品都是我拆機的,數(shù)據(jù)都是我自己采購下里進行測試的。我是在武漢有線下門店和體驗間的實戰(zhàn)派,武漢區(qū)域如果需要風水冷暖產(chǎn)品的都可以直接聯(lián)系我,為您服務。
拆機過程中,余工也深感沒有專用測評設備,非常容易被一些云評測大師盜取文章的結(jié)論和內(nèi)容,幫這些云評測大師引流到自己的高價低能產(chǎn)品。
為了更好的拆機評測,本人將湖北省武漢市江漢區(qū)一處房產(chǎn)改造成體驗間。地方雖然小,但是綜合了一些基礎的,熱水器,壁掛爐,熱泵,新風等實驗測試儀器。為什么A.O.史密斯的燃氣熱水器要使用不銹鋼換熱器?這種材質(zhì)有什么優(yōu)勢?熱水器常見的主換熱器無氧銅脫磷氧銅不銹鋼代表林內(nèi)能率慶東,AO史密斯優(yōu)點熱傳性*強抗氧化能力*強耐腐蝕能力*強反正怎么說呢,每個銷售背后都有著自己的利益集團。每個銷售被自己上游廠家都深深的綁架覺得自己的產(chǎn)品*牛逼。其他的都是垃圾,但是只有真正放在一起pk才能知道誰好誰壞。所以有時候網(wǎng)上的撕逼,大家看看就好了。一定要找到自己的痛點是什么,針對自己的需求來購買產(chǎn)品。然后上面有一群鼓吹AO史密斯怎么這么牛逼的,我覺得應該歇一下了。
當然,我們不能從找別人代工過就完全否認這個**,還是要看具體的產(chǎn)品和產(chǎn)品的性能才會回答這個問題。ao史密斯的軟廣你們退下吧,我余小其要開始裝逼了
那么無氧銅好還是不銹鋼好,我覺韓國的慶東應該更加能回答這個問題。因為慶東不僅熱水器是翅片式不銹鋼的,而且壁掛爐也是不銹鋼的。***主要的是,我們在座的看官去youtube搜索Navien(慶東)的NPE等產(chǎn)品,這個流量是非常驚人的。圖片來自youtube慶東整個體系的產(chǎn)品在北美占有率還是有點大的慶東整個體系的產(chǎn)品在北美占有率還是有點大的慶東整個體系的產(chǎn)品在北美占有率還是有點大的
那么慶東和無氧銅好還是不銹鋼有啥關(guān)系,我們來看下慶東的熱水器產(chǎn)品線。是一半無氧銅一半不銹鋼的。
慶東的產(chǎn)品線一半是無氧銅一半是不銹鋼。那么從慶東的角度來回答這個問題,就顯得客觀了多了。
無氧銅遇到冷凝水容易形成銅綠圖一
翅片式不銹鋼遇到冷凝水幾乎無傷圖二
因為不銹鋼的導熱系數(shù)較差,所以做的不銹鋼為了在同等大小情況下不銹鋼翅片換熱要做到散熱量一樣,那么翅片就要密集很多。大家再來仔細觀察仔一下圖一和圖二不銹鋼的翅片密度要遠高于無氧銅
不銹鋼主換熱器的翅片密度遠高于黃銅的翅片密度。那么翅片密度過密,在空氣情況不好的區(qū)域,就容易形成堵塞,然后是局部過熱,造成皸裂。
所以,不銹鋼和無氧銅到底哪個好,我覺得分情況來看。如果當?shù)乜諝猸h(huán)境非常好,那么不銹鋼的主換熱器占有一定的優(yōu)勢,但是如果燃燒環(huán)境一般的情況下,還是選擇無氧銅比較穩(wěn)妥點。再加上中國燃氣的氣質(zhì)問題,無氧銅還是目前國內(nèi)這些熱水器廠商的**。無氧銅還是目前國內(nèi)這些熱水器廠商的**。無氧銅還是目前國內(nèi)這些熱水器廠商的**。
為什么A.O.史密斯的燃氣熱水器要使用不銹鋼換熱器?這種材質(zhì)有什么優(yōu)勢?
A.O.史密斯使用不銹鋼換熱器,說到底,就是一廂情愿的自嗨,因為在其他方面下功夫已經(jīng)打不過任何**,只能“另辟蹊徑”,自己講自己的故事。
這問題根本沒有必要長篇大論的分析,都知道不銹鋼導熱慢,比銅慢幾乎十幾二十倍。
燃氣熱水器主打的就是一個要出熱水快,溫度調(diào)節(jié)快,你用不銹鋼,從底層原理上來講就已經(jīng)背道而馳了。
至于“防腐蝕、使用壽命長”這樣的故事,也就乍一聽很有道理,燃氣熱水器的強制報廢年限是8年,你憑什么就肯定別人的銅熱交換器用不了8年?
再退一不講,哪怕銅水箱真的用不了8年,你再看看現(xiàn)在哪個大**沒有核心器件8年包修包換?壞了直接免費給你換個新的,我管你能用幾年,主打的就是一個性能好、體驗好。海爾售后美的售后
都知道賣產(chǎn)品要講故事,史密斯的故事不知道還能自我催眠幾年。
我是@廚男尚一刀,一個會烹飪、愛老婆、愛姑娘、愛健身的全棧攻城獅,善于用技術(shù)和數(shù)據(jù)分析解決選品問題。
從你關(guān)注我的那一刻起,我宣布——你家的選品難題被我承包了!廚男の廚電專欄:吸油煙機 | 燃氣灶 | 燃氣熱水器 | 冰箱 | 洗碗機 | 空氣炸鍋 | 微波爐 | 凈水器 | 烤箱廚男の烹飪廚具:炒鍋 | 菜刀 | 不粘鍋廚男の幸福感好物:人體工學椅 | 掃地機器人 | 指紋鎖 | 剃須刀 | 床墊
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