黄石东贝：蓄能双核不锈钢承压水箱的研究及应用

       1、换热效率是蓄能双核不锈钢承压水箱设计的核心思想

目前我们研究的阳台壁挂太阳能热水系统储热设备的换热过程，基本上都是无相变的对流换热过程，即吸收太阳能热量的高温流体流过换热固体表面时，由于两者的温度的不同而发生热量的传递，在此过程中流体没有发生相变（凝结和沸腾），只是单相流体。根据牛顿冷却基本计算式φ=h×A×Δt可知：增大换热面积A、加大流体与壁面的传热温差Δt以及提高表面换热系数h都会起到强化换热的效果。在强化换热的效果过程中，增大换热面积A、加大流体与壁面的传热温差Δt是比较容易确定的，而反映换热强弱的表面换热系数h值，因受多种因素影响则难以确定。
 

蓄能双核不锈钢承压水箱核心思想便是如何能够大幅提升换热效率。在蓄能双核不锈钢承压水箱设计过程中，始终坚持强化水箱换热的思路，尽可能通过增大换热面积A、加大流体与换热面的传热温差Δt、提高表面换热系数h等强化换热的措施，来实现水箱换热效率的大幅提升。
 

蓄能双核不锈钢承压水箱主要由蓄热内胆（1）、环绕蓄热内胆外壁面套焊成狭窄换热空间的集热内胆（2）、换热循环管道进出接口（5）（6）、冷热水分层进出水管道接口（8）、水箱保温层、水箱外胆、电辅加热及控制附件等组成。在水箱结构上采用叠层夹套双核内胆，设计中把蓄能双核不锈钢承压水箱蓄热内胆换热面由光滑面滚压成螺旋上升槽型换热面(4),不仅扩展整个水箱的换热面积35%，同时因换热面形状、大小、位置的变化，换热过程中螺旋上升槽型换热面强迫流体在向前运动过程中会连续地改变方向,在横截面上引起二次环流,可在较低的雷诺数下产生湍流,起到强化换热作用。
 

       同时，将蓄能双核不锈钢承压水箱集热内胆设计成狭窄换热空间，一方面可在一定比例换热路径、小流量定压条件下，可保持流体较好流速，取得较高传热效率；另一方面也可以使流体在换热过程中流层变薄，传热系数进一步加大。
 

由于水箱蓄热内胆内冷水加热时液体流动方向是由下向上运动，将水箱换热进出管道设计成180度逆流循环换热方式，热流体介质由换热壁面上部流入，经过180度换热通道，再由换热壁面下部流出，在同样流体进出温度情况下，冷热流体平均温差是最大的，起到强化换热的作用。
 

通过以上对水箱换热结构设计改变的不同途径和方法，可实现水箱整体换热效果的大幅提升26%，凸显蓄能双核不锈钢承压水箱所具有的能效性。
 

2、蓄能双核不锈钢承压水箱提升质量品质的技术创新措施

蓄能双核不锈钢承压水箱不仅具有高效换热的性能优势，还具有高质量品质的技术保证。影响换热水箱质量品质因素有很多，主要包括水箱使用一段时间后是否有漏水现象、水箱强度是否满足高温高压的运行要求、水箱是否保温节能、水箱使用是否方便等。分析影响换热水箱质量品质好坏的因素，首先需要解决的是制作换热水箱材料的选择。目前市场上换热水箱主要分为搪瓷内胆和不锈钢内胆两大类，搪瓷内胆主要由瓷层和碳钢钢板两种膨胀系数差别很大的材料组成，瓷层主要是起防腐作用，在使用水温75℃和较稳定的压力状况下，瓷层与钢板不同膨胀作用力一般都小于瓷层与钢板间的附着力，不会出现脱瓷和裂纹现象，因而使用温度不超过75℃的电热水器内胆基本都采用搪瓷内胆。但在太阳能利用系统中，由于太阳能热量的吸收，能使换热水箱温度达到100℃以上，温度和压力呈现不规则的脉冲波动，造成瓷层与钢板不同膨胀作用力可能大于瓷层与钢板间的附着力，在冷热交替过程中搪瓷表面就会出现裂纹，瓷粉就会脱落，瓷层防腐功能就会失去作用，水箱基板碳钢就会腐蚀出现漏水现象。何况应用于阳台壁挂热水系统的蓄能双核换热承压水箱要在5mm狭窄的空间内，使瓷粉均匀喷涂到每个部位，工艺难度可想而知，搪瓷的质量无法得到保证。因此，在高温高压非稳定工况的太阳能热水系统中，换热承压水箱制作材料建议采用具有一定防腐功能、且易成型易焊接的食品级304不锈钢材料制作，在水质氯离子含量较高地区，可选用316L不锈钢材料。根据水箱的设计结构，通过选用材料的强度计算，确定水箱板材厚度，并在结构工艺上确保水箱的板材、端盖、管件能自动焊接，排除人为因素，保证了水箱整体强度要求。由304不锈钢材料制作的蓄能双核不锈钢承压水箱，在最大工作压力的15%到100%之间的压力循环250000次后，水箱无渗漏、无变形。
 

其次，蓄能双核不锈钢承压水箱不仅材料上选择使用了能适应在太阳能热水系统中应用的不锈钢材料，同时在水箱防腐技术上也使用多重保护措施。在水箱焊接结构设计中，水箱内胆组件焊接可全部采用氩气保护焊接，最大限度防止不锈钢材料在焊接过程中出现材质的变化。为防止焊接可能对材质防腐功能造成的影响，在内胆组件焊接完毕后，蓄能双核不锈钢承压水箱在严格的工艺标准指导下，必须经过配置的金属化学液进行水箱表面钝化处理，在水箱表面生成一种非常薄的、致密的、覆盖性能良好的、能坚固地附在金属表面上的富铬钝化膜，这种富铬钝化膜电位可高达+1.0V，接近贵金属电位；并形成多层CrO3或Cr2O3结构，把金属与腐蚀介质完全隔开的作用，防止金属与腐蚀介质直接接触，使金属基本停止溶解，形成钝态达到防止腐蚀的效果。不锈钢水箱在金属钝化处理后的耐盐雾测试比未经处理的不锈钢水箱提高20倍，在蓝点法检测时，35秒以上未出现蓝点。同时蓄能双核不锈钢承压水箱还采取牺牲阳极法阴极保护措施，在水箱配置一根棒状镁棒作为阳极，把水箱金属内胆当作阴极，这样阴极与阳极之间通过导电的水介质，形成一个原电池。电池的阳极镁棒受腐蚀而自身消耗，而阴极内胆便受到保护，起到绝缘和防腐蚀作用。
 

第三，节能、舒适、便捷、方便是蓄能双核不锈钢承压水箱始终坚持的人性化设计理念。蓄能是水箱最基本的功能，如何防止水箱吸收储存的热量不散失，是水箱体现节能的重要环节。经过水箱节能保温效果线性计算，80-120升水箱要达到很好节能效果，保温层厚度应不低于50mm。蓄能双核不锈钢承压水箱保温层设计为52mm，采用环保聚氨酯发泡剂，经过恒温恒压整体发泡而成，致密度达到36kg/m3,经检测水箱24小时固有损耗为1.2KWh，水箱能效等级达到A级。承压热水箱的用水方式一般采用边用热水边进冷水，在水箱结构设计上处理不好，易出现冷热混水现象，造成用户用水水温不稳，水箱出水率极低。蓄能双核不锈钢承压水箱在冷水进口安装冷水缓冲分水器，改变冷水流动路线方向，阻挡冷水与热水的混合，在水箱内形成冷热水分层，最大限度提高水箱热水利用率。为方便水箱在施工中安装，蓄能双核不锈钢承压水箱配置有多功能快捷式安装构件，与建筑材料模数比例贴合式设计，无需特殊工具，即可快捷完成与建筑物完美安装。同时水箱配置的智能控制器，即可与水箱嵌入式结合在一起，也可根据用户安装位置与水箱分离式安装，液晶显示屏，显示直观，一键式操作，控制精确，操作简单方便，各种保护措施有效融合，安全无忧。
 

3、蓄能双核不锈钢承压水箱的应用及测试

蓄能双核不锈钢承压水箱是针对中高层住宅建筑采用阳台壁挂式太阳能热水系统应用而研发的一款新型换热水箱，采用叠层夹套双核内胆结构，双核夹层与太阳能集热器直接连接，生活用水与吸热循环介质完全隔开。太阳能集热器与蓄热水箱热交换不需外加任何动力，根据循环介质不同温度密度差热虹吸作用自然循环，即集热器吸收太阳能高温介质与夹套换热水箱内低温循环介质自然循环流动起来，并通过夹套生活水箱内壁的传导实现热交换。蓄能双核不锈钢承压水箱应用示意原理图如下：
 

       根据以上安装方式，我们将蓄热双核不锈钢承压水箱和市场上知名品牌搪瓷双舱承压水箱配置同规格型号平板集热器进行热水系统能效等级对比测试。
 

日有用得热量q测试基本条件：
 

◆日太阳辐照量H≥16MJ/m2，蓄热水箱内水温：tb=（20.0±1.0）℃，环境温度8℃≤tad≤35℃，环境空气的流动速率ν≤4m/s；
 

◆水箱容量100L；配置1块平板集热器1.84m2；
 

图（1）

在经过正午前4小时到正午后4小时共8小时测试后，太阳累计辐照量为17.89MJ（d.m2)；水箱的温升曲线如图（1）所示，根据日有用得热量计算式可知：
 

　　q=ρw×VS×Cpw×(te-tb)/1000×AC----------⑴

　　q——日有用得热量MJ/m2；

　　ρr——水的密度,1kg/L；

　　Vs——水箱容量L；

　　CpW——水的定压比热容，4.186KJ/（kg.c）；

　　te——储水箱内水的终止温度（℃）；

　　tb——水的初始温度(℃)；

　　Ac——采光面积m2；

将测试数据代入公式⑴计算得出：图（1）

配置蓄热双核不锈钢承压水箱热水系统日有用得热量q值为7.9MJ/m2；

配置搪瓷双舱承压水箱热水系统日有用得热量q值为7.3MJ/m2；

换算成太阳能辐照量17MJ（d.m2)时的日有用得热量为：

　　q17=17q/H----------⑵

由于在8小时测试过程中，太阳能累计辐照量17.79MJ（d.m2)，将17.79代入式（2）可得：

配置蓄热双核不锈钢承压水箱热水系统日有用得热量q17值为7.51MJ/m2；

配置搪瓷双舱承压水箱热水系统日有用得热量q17值为6.97MJ/m2；

以上测试都符合家用分体双回路太阳能热水系统热性能6.6MJ/m2要求。同时可以看出配置蓄热双核不锈钢承压水箱热水系统比配置搪瓷双舱承压水箱热水系统的日有用得热量明显提高10%左右。

平均热损因素USL测试基本条件：

◆蓄热水箱内水温：取tb=（55±1.0）℃，环境温度8℃≤tad≤35℃，环境空气的流动速率ν≤4m/s；

◆水箱容量100L；配置1块平板集热器1.84m2；
 

       在经过当天晚上8点到第二天早晨6点共10小时测试后，水箱的温降曲线，如图（2）所示，根据平均热损因素USL计算式可知：

　　--------------------（3）

　　USL:平均热损因素（W/m3.K)；

　　ρw：水的密度（kg/m3)；

　　Cpw：水的比热容4.186KJ/（kg.c）；

　　Δτ：时间间隔(S)；

　　ti:水箱内初始温度（℃）；

　　tf:水箱内最终温度（℃）；

　　tas(av):环境空气温度（℃）；

将测试数据代入公式⑶计算得出：图（2）

配置蓄热双核不锈钢承压水箱热水系统平均热损因素值USL为11.8（W/m3.K)；

配置搪瓷双舱承压水箱热水系统平均热损因素值USL为12.7（W/m3.K)；

家用太阳能热水系统能效系数可按下式求得：

CTP=QS(e)/QS(m)-αUsl(e)/Usl(M)--------------------（4）

其中：QS(e)：试验条件下测得日有用得热量MJ/m2；

QS(m)：家用分体双回路规定日有用得热量最小值6.6MJ/m2；

α:权重系数取0.9；

　　Usl(e)：试验条件下测得平均热损因子（W/m3.K)；

　　Usl(M)：家用分体双回路规定平均热损因子最小值16（W/m3.K)；

将配置蓄热双核不锈钢承压水箱热水系统试验值QS(e)=7.51MJ/m2和Usl(e)=11.8(W/m3.K)代入式（4）得：CTP=0.47

将配置搪瓷双舱承压水箱热水系统试验值QS(e)=6.97MJ/m2和Usl(e)=12.7(W/m3.K)代入式（4）得：CTP=0.34

通过以上试验值计算，可以看出配置蓄热双核不锈钢承压水箱热水系统可以达到能效等级Ⅰ标准，而配置搪瓷双舱承压水箱热水系统能效等级为Ⅱ标准。可见蓄热双核不锈钢承压水箱应用到阳台壁挂自然循环热水系统中可提升系统的整体能效指标。

当然有了好的热性能指标，还必须要有可靠的运行保证。蓄能双核不锈钢承压水箱应用太阳能阳台壁挂间接自然热水系统中虽然安装、使用看似非常简单，但在实际安装应用中以下几点是必须注意的：

　　◇在安装水箱前，必须核定水箱安装位置强度必须能够满足水箱总荷载承载能力（既水箱

注满水后的总重量）。

◇水箱冷水管进水接口前，必须安装单向阀。在进水压力大于水箱额定压力时，水箱进水

口必须安装减压阀。

◇水箱必须安装有限定水箱压力的安全阀。考虑到高温热水的安全排放，必须确保安全阀

排气口畅通，并与建筑排水系统正确的连接。

　　◇用户使用过程中，必须每隔一个月对安全阀进行手动操作，以检查装置的可靠性。

　　◇水箱安装位置应高于太阳能集热器最高点0.5米。安装管道距离建议不大于5米。

　　◇承压水箱安装位置应不高于用水点3.5米。否则严禁在停水状态下，使用热水或在热水出口安装吸气阀。

　　◇若用户长期外出或外出度假，请检查安全阀排气口是否畅通，切断系统电源，关闭上水

　　控制阀。

　　◇必须定期更换电子镁棒。

　　◇检查电表和室内电源线，必须保证与水箱负载相匹配，严禁超负荷；

　　◇水箱嵌入式控制器严禁在潮湿或有燃料等易燃易爆气体的地方使用，以免发生危险；

　　◇在环境温度低于零摄氏度的地区，循环介质必须采用防冻液。

　　◇系统循环介质和使用热水须符合国家规定标准，严禁使用未经处理的河水、湖水和海水。

　　因此，在太阳能阳台壁挂间接自然热水系统中，蓄能双核不锈钢承压水箱应用只有在严格按照规范要求下进行安装使用，才能体现出节能、舒适、便捷、方便的特点。

　　5、结论

　　综上所述，蓄能双核不锈钢承压水箱是为中高层住宅建筑采用阳台壁挂间接自然循环太阳能热水系统配套研发的，具有如下独特的优势特征，市场应用前景十分广阔。

　　① 多途径采取增强换热效果的结构设计，水箱换热效率提高26%，水箱达到A级能效等级；水箱应用到阳台壁挂间接自然循环热水系统中，可整体提升系统的能效指标10%。

　　② 蓄能双核承压水箱必须采用食品级不锈钢材质制作，搪瓷内胆无法满足太阳能热水系统高温高压冷热交变膨胀力的作用，夹层搪瓷工艺上也无保障措施。

　　③叠层夹套双核内胆独创“白金盾”全方位不锈钢防腐技术多重保护，耐盐雾测试比普

　　通不锈钢水箱提高20倍，蓝点法检测，35秒以上未出现蓝点，可保15年以上无

　　漏水，水质洁净而无污染。

　　③ 材料强度验证计算和严格工艺焊接保证，水箱通过25万次苛刻寿命疲劳脉冲试验和2倍工作压力静态测试完好无损，水箱可靠耐用。

　　④ 环保无污染高致密度加厚发泡层和成熟的发泡工艺，在零下15摄氏度水箱保温测试，24小时能量损耗到达A级标准，水箱更节能。

　　⑤ 冷热分层空间蓄热结构，满足大容量瞬时热水需求，洗浴更舒适、更放心。

　　⑥ 多功能快捷式安装构件，与建筑材料模数比例贴合式设计，无需特殊工具，即可快捷完成与建筑物完美安装。

　　⑦ 水箱与智能控制人性化界面设计，操作更简单，彰显时尚风彩，为您安全贴心呵护。

　　⑧ 换热膨胀空间设计预留和温度压力阀的设置，保证系统运行安全可靠。

　　参考文献：

　　⑴杨世铭，陶文铨．传热学．第四版．高等教育出版社，2007：12~35

　　⑵陈卓如．工程流体力学．第二版．高等教育出版社，2008：254~276

　　⑶贺成才．牛顿流体的圆管分层层流的数值模拟．天然气与石油，2006，24：43~53

　　⑷GB/T19141-2011《家用太阳能热水系统技术条件》

　　⑸GB/T26970-2011《家用分体双回路太阳能热水系统技术条件》

　　⑹GB/T26969-2011《家用太阳能热水系统能效限定值及能效等级》