模块化压铸铝全预混换热器
目前，市场上的全预混换热器按制造工艺方式来分大概有叠片式的、砂铸式的和压铸式的。制作叠片式的换热器其制造工艺相对复杂；砂铸式的要制作内、外模砂芯，砂芯容易崩决，从而造成产品的质量不稳定，生产效率比较低，产品表面粗糙等缺陷；压铸式的制造工艺相对简单、质量稳定、生产效率能得到显著的提高！按换热器的材质来分主要分二大类，不锈钢换热器和铝材换热器。不锈钢换热器以其小巧紧凑的结构，在市场上曾经占有一定的市场份额。在国内，个别厂商，为了抢占壁挂炉市场，在原有壁挂炉的基础上，加装一个不锈钢二次换热器，使壁挂炉的热效率得到一定的提高。由于大气式燃烧方式并未改变，因此，此类冷凝壁挂炉只能称为“半冷凝壁挂炉”。 其实，真正含义上的全预混壁挂炉是全预混燃烧技术代替大气预混燃烧技术。后来，随着不锈钢价格的不断走高，基于材料成本和制造成本的压力，各大采暖供应商纷纷改变了策略，加大力度发展铝制换热器。如 Worgas、Rubitech、Bekaert、Boss 等厂家。全预混换热器因其具有结构紧凑、简洁明了、轻便、高效、节能、环保等优势，逐渐得到了广大消费者的青睐，引起了国内、外许多知名企业的高度重视，纷纷在此方向上发力，投入更大的精力进行研究与开发。在欧洲，全预混壁挂炉的占有量已占到壁挂炉总额的60％以上。所以，铝制换热器必将成为未来的主力军。一台壁挂炉性能的好坏其关键因素取决于换热器性能的好坏。换热器性能的好坏主要表现在如何实现高效换热、如何抵御烟气腐蚀、冷凝水腐蚀以及制造成本、制造工艺等方面。下面从几个方面进行分述。
- 换热器结构
目前，常见的全预混换热器主要有整体砂铸式和翅片钎焊式换热器等，本文提出一种全新的模块化组合式全预混压铸铝换热器。如下图1所示，全预混壁挂炉的主要部件大致有1)点火针；2)燃烧器；3)换热器；4)集烟罩；5)烟管等不可或缺的组成部份。
以下只就换热器部份进行介绍和探讨。如下图2所示，这种换热器为模块化组合式结构，由多外独立的模块拼装而成并用螺栓联接，它一般包含有前模块1，中模块2和背模块3。通知增减中模块的数量就可以方便地组成多种不同功率的换热器！如表1所示，前模块和背模块的输出功率各为5KW，中模块的输出功率为10KW。
如图3所示，单个模块的前面和背面均为翅片式结构，翅片均匀排列，能有效地增加了换热面积。同时，每个模块的前面与背面翅片进行错位排列，当两个模块组合时，一个模块的前面翅片与另一个模块的背面翅片形成穿插排列，这样既能缩小产品的厚度，又能进一步增大了换热面积，延长烟气的滞留时间，增加了换热效率。
如图4左图所示，换热模块正面翅片与背面翅片之间开设有椭圆形水路通道，这种左右贯通，方便压铸模具从左右抽芯实现生产。为使水路能在整个模块面积内实现换热，换热模块的左右两侧面必须要进行焊接封堵，使水流沿指定的方向流动。
以上是单个模块的水路走向，当多个模块组合时，整个换热器的水路则成为多组并联的方式，如图5所示。为了保证水力平衡，可以在椭圆水路的通道中插入大小不一的挠流片加以平衡水力。
- 制造工艺
1、模具结构
根据产品的结构和使用要求，单个模块可以采用压铸铸造的方式进行生产。换热模块前面和后面的翅片由压铸模具的前模和后模成型，椭圆水路通道分别从左、右方向抽芯成型，左右抽芯模芯碰穿形成左右贯通的水路，如图6所示。
2、材料的选择
选择的铸铝铝合金应具有适量的共晶体，以提高流动性和强度，防止产生冷、热裂纹；能用热处理或其他方法提高强度；良好的耐蚀性能和切削加工性能；以及有足够的承受压力等。选用时，除保证使用性能外，还应选用工艺性能好和经济性好的铝合金。根据对铝合金性能的不同需要，市场上可采购到各种铸铝铝合金，主要有：普通铸造铝合金、高强度铸造铝合金、热强铸造铝合金、耐蚀铸造铝合金等。按照主要合金元素的不同，可分为铝硅系、铝铜系、铝镁系和铝锌系合金以及它们的改良产品。根据现在这个产品的使用性能需要，可以采用 ZAlSi2合金、Y12铝合金等。焊条可以采用 MG400焊条。
3、水路堵头的焊接
如上面第1点所述，单个换热模块水路通道是左右贯通的，为了使水路按设定的方向流动，换热模块的左右必须要进行焊接封堵以形成单一水路走向。如图7所示。
铝材的焊接和连接有各种方法，如气焊、电弧焊、软硬钎焊等。如果焊接工艺应用得当，接头的强度能达到铝材母体的强度要求，甚至更好。但在焊接时必须要注意以下几点。
1）防氧化
由于铝的活性比较强，铝和氧的亲和力很大，在大气中就能与氧结合，生成一层较致密而且难熔的氧化膜（Al2O3），其熔点高达2050℃，而且随着时间和温度的增加，氧化膜的厚度也在增长。焊接时此层氧化膜覆盖在液态铝的上面，它既阻碍填充金属与母材之间的结合，又妨碍熔融的熔敷金属润湿；此外，氧化膜的密度也大，约为铝的1.4倍，容易形成夹渣。因此，在焊接铝及铝合金时，为了保证焊接质量，焊接前必须清除焊接区和焊条表面的油污及氧化膜，对熔化金属和处于高温下的金属进行有效的保护。清洗后的焊件和焊条存放时间不得超过24h，潮湿环境及蒸汽、酸、碱等污染环境不得超过4h，否则要重新清洗。
2）防气孔
由于铝及铝合金中不含碳，不存在产生 CO 的条件，焊接时所产生的气体主要是氢。在熔化金属中，氢的溶解度以铝最大，因此，高温时铝可以溶解大量的氢；而在凝固过程中氢的溶解度迅速下降，原先熔于液态铝中的氢几乎全部析出，形成气泡。但由于铝合金的密度小，气泡在熔池中浮升的速度慢，加上铝的导热性强，冷凝快，不利于气泡的浮出，因此焊接铝时，焊缝产生气孔的倾向很大。所以为了减少氢的来源，焊接前一定要对焊件与焊条进行除潮气及油污，采用较大的焊接电流，增加熔池存在时间，有利氢的析出。同时，在焊接过程中应尽可能少中断，以防止气孔的形成。
3）防缩孔和缺料
换热模块的换热面积相对较大，而且翅片多且细长，再之，铝合金的导热性高，铸件凝固收缩快。在压铸过程中，产品容易形成形状不规则,表面呈粗糙、暗色的孔洞，以及翅片未端缺料的现象。所以，为保证能顺利生产，应保证有足够的压射比压，选用相对大吨位的压铸机；设计壁厚相对均匀的结构；避免溢流槽容量不足或溢口太薄；控制浇注温度，尽可能降低以及保证一定保压时间，避免翅片未端缺料等措施。
4）防开裂
铝的线性膨胀系数和收缩率都很大，在焊接时，会产生较大的内应力和焊接变形。为防止裂纹产生，应选择合理的焊条的成分，在较大范围内改变焊缝的化学成分；可以应用局部加热，采用较大的焊接电流和较快的焊接速度，减少焊接应力；还可以采用小间隙、合理的焊接顺序等方法。
5）合理的焊缝形状
填充金属是一种熔点低于母材熔点的有色金属或合金。它们在一定的温度范围发生熔化。当熔化时，焊条必须能够湿润母材金属、能够流动并且分散母体间隙。期望的熔融焊缝特性是具有低的接触角、高的流体表面张力以及低的粘度（θ<90°）。如图8所示。焊接完成后，再进行机加工铣平端面。
- 防腐蚀性
由于换热器的材质以及它的特殊的使用环境，它必须能够经受得了高温烟气中含有的多种有害物质的腐蚀，以及全预混燃烧时产生的冷凝液的腐蚀。因此，必须要做好防腐工作。常见的腐蚀主要有以下几种。
1、点蚀
点蚀是在钝化区内发生局部腐蚀，通常表现为无规则地形成点状蚀坑，这是铝合金最常见的腐蚀形态之一。在大气、淡水、海水以及一些中性或近中性水溶液中都会发生点蚀。因此，产品在制造出来以后必须要消除产生点蚀的有害成分，如尽可能去除溶解氧、氧化物离子或氯离子。将产品存放于干澡的环境中。
2、应力腐蚀
铝合金中含有足够量的可溶性合金元素（主要是Cu、Mg、Si和Zn）时，对应力腐蚀的敏感性显著升高。对于纯铝和低强度铝合金，一般不产生应力腐蚀，但对于高强度的铝合金，如 Al-Cu、Al-Cu-Mg、镁含量大于5%的 Al-Mg 合金、Al-Zn-Mg 及 Al-Zn-Mg-Cu 等。要防止此类腐蚀的发生，可采用热处理消除应力、加入微量锰、铬、钒等元素，改善拉伸应力腐蚀性能，也可以进行喷丸处理或表面包覆、涂层保护等。
3、接触腐蚀
接触腐蚀也称电偶腐蚀，由于铝合金的电位很低，当它与其它金属材料接触时，在腐蚀介质中组成电偶，铝合金作为阳极，引起靠牺牲铝合金的腐蚀，而保护了其它金属材料。所以应尽量避免铝合金与其它金属直接接触。用非金属材料进行隔离处理。
4、剥落腐蚀
剥落腐蚀又称剥蚀、鳞状腐蚀。这是铝合金的一种特殊腐蚀形态。这类腐蚀过程是有选择地沿着与表面平行的次表面开始，未腐蚀金属薄层在腐蚀层之间剥裂分离，并且高出原始表面。腐蚀表现在铝合金从表层一层一层地剥离下来。为了防止剥蚀的发生，采用牺牲阳极保护较为有效，采用适宜的热处理降低挤压材对剥落腐蚀的敏感性，也能收到一定的效果。
全预混壁挂炉必将会成为壁挂炉行业的主流，而作为其核心部件的换热器也必将会得到更大的发展和提升。通过本行业从业人员的共同努力，设计与制造出更高效、更稳定、更合理的产品，推动本行业的发展。本文所提出的模块化压铸铝换热器无论从结构、制造、性能等方面考虑都是一个不错的选择。
参考文献：
[1]. 林钢、林慧国、赵玉涛 主编，《铝合金应用手册》，机械工业出版社。
[2]. T.Kuppan 著，《换热器设计手册》，中国石化出版社。
[3].王一力 主编，《金属焊接国家标准汇编》，中国标准出版社。
[4]. GB 25034-2010，《家用燃气快速热水器》，中国国家标准。
