蓄能雙核不銹鋼承壓水箱的研究及應(yīng)用
1、換熱效率是蓄能雙核不銹鋼承壓水箱設(shè)計(jì)的核心思想
目前我們研究的陽(yáng)臺(tái)壁掛太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)儲(chǔ)熱設(shè)備的換熱過(guò)程,基本上都是無(wú)相變的對(duì)流換熱過(guò)程,即吸收太陽(yáng)能熱量的高溫流體流過(guò)換熱固體表面時(shí),由于兩者的溫度的不同而發(fā)生熱量的傳遞,在此過(guò)程中流體沒(méi)有發(fā)生相變(凝結(jié)和沸騰),只是單相流體。根據(jù)牛頓冷卻基本計(jì)算式φ=h×A×Δt可知:增大換熱面積A、加大流體與壁面的傳熱溫差Δt以及提高表面換熱系數(shù)h都會(huì)起到強(qiáng)化換熱的效果。在強(qiáng)化換熱的效果過(guò)程中,增大換熱面積A、加大流體與壁面的傳熱溫差Δt是比較容易確定的,而反映換熱強(qiáng)弱的表面換熱系數(shù)h值,因受多種因素影響則難以確定。
蓄能雙核不銹鋼承壓水箱核心思想便是如何能夠大幅提升換熱效率。在蓄能雙核不銹鋼承壓水箱設(shè)計(jì)過(guò)程中,始終堅(jiān)持強(qiáng)化水箱換熱的思路,盡可能通過(guò)增大換熱面積A、加大流體與換熱面的傳熱溫差Δt、提高表面換熱系數(shù)h等強(qiáng)化換熱的措施,來(lái)實(shí)現(xiàn)水箱換熱效率的大幅提升。
蓄能雙核不銹鋼承壓水箱主要由蓄熱內(nèi)膽(1)、環(huán)繞蓄熱內(nèi)膽外壁面套焊成狹窄換熱空間的集熱內(nèi)膽(2)、換熱循環(huán)管道進(jìn)出接口(5)(6)、冷熱水分層進(jìn)出水管道接口(8)、水箱保溫層、水箱外膽、電輔加熱及控制附件等組成。在水箱結(jié)構(gòu)上采用疊層夾套雙核內(nèi)膽,設(shè)計(jì)中把蓄能雙核不銹鋼承壓水箱蓄熱內(nèi)膽換熱面由光滑面滾壓成螺旋上升槽型換熱面(4),不僅擴(kuò)展整個(gè)水箱的換熱面積35%,同時(shí)因換熱面形狀、大小、位置的變化,換熱過(guò)程中螺旋上升槽型換熱面強(qiáng)迫流體在向前運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)連續(xù)地改變方向,在橫截面上引起二次環(huán)流,可在較低的雷諾數(shù)下產(chǎn)生湍流,起到強(qiáng)化換熱作用。
同時(shí),將蓄能雙核不銹鋼承壓水箱集熱內(nèi)膽設(shè)計(jì)成狹窄換熱空間,一方面可在一定比例換熱路徑、小流量定壓條件下,可保持流體較好流速,取得較高傳熱效率;另一方面也可以使流體在換熱過(guò)程中流層變薄,傳熱系數(shù)進(jìn)一步加大。
由于水箱蓄熱內(nèi)膽內(nèi)冷水加熱時(shí)液體流動(dòng)方向是由下向上運(yùn)動(dòng),將水箱換熱進(jìn)出管道設(shè)計(jì)成180度逆流循環(huán)換熱方式,熱流體介質(zhì)由換熱壁面上部流入,經(jīng)過(guò)180度換熱通道,再由換熱壁面下部流出,在同樣流體進(jìn)出溫度情況下,冷熱流體平均溫差是****的,起到強(qiáng)化換熱的作用。
通過(guò)以上對(duì)水箱換熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改變的不同途徑和方法,可實(shí)現(xiàn)水箱整體換熱效果的大幅提升26%,凸顯蓄能雙核不銹鋼承壓水箱所具有的能效性。
2、蓄能雙核不銹鋼承壓水箱提升質(zhì)量品質(zhì)的技術(shù)創(chuàng)新措施
蓄能雙核不銹鋼承壓水箱不僅具有高效換熱的性能優(yōu)勢(shì),還具有高質(zhì)量品質(zhì)的技術(shù)保證。影響換熱水箱質(zhì)量品質(zhì)因素有很多,主要包括水箱使用一段時(shí)間后是否有漏水現(xiàn)象、水箱強(qiáng)度是否滿足高溫高壓的運(yùn)行要求、水箱是否保溫節(jié)能、水箱使用是否方便等。分析影響換熱水箱質(zhì)量品質(zhì)好壞的因素,首先需要解決的是制作換熱水箱材料的選擇。目前市場(chǎng)上換熱水箱主要分為搪瓷內(nèi)膽和不銹鋼內(nèi)膽兩大類(lèi),搪瓷內(nèi)膽主要由瓷層和碳鋼鋼板兩種膨脹系數(shù)差別很大的材料組成,瓷層主要是起防腐作用,在使用水溫75℃和較穩(wěn)定的壓力狀況下,瓷層與鋼板不同膨脹作用力一般都小于瓷層與鋼板間的附著力,不會(huì)出現(xiàn)脫瓷和裂紋現(xiàn)象,因而使用溫度不超過(guò)75℃的電熱水器內(nèi)膽基本都采用搪瓷內(nèi)膽。但在太陽(yáng)能利用系統(tǒng)中,由于太陽(yáng)能熱量的吸收,能使換熱水箱溫度達(dá)到100℃以上,溫度和壓力呈現(xiàn)不規(guī)則的脈沖波動(dòng),造成瓷層與鋼板不同膨脹作用力可能大于瓷層與鋼板間的附著力,在冷熱交替過(guò)程中搪瓷表面就會(huì)出現(xiàn)裂紋,瓷粉就會(huì)脫落,瓷層防腐功能就會(huì)失去作用,水箱基板碳鋼就會(huì)腐蝕出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。何況應(yīng)用于陽(yáng)臺(tái)壁掛熱水系統(tǒng)的蓄能雙核換熱承壓水箱要在5mm狹窄的空間內(nèi),使瓷粉均勻噴涂到每個(gè)部位,工藝難度可想而知,搪瓷的質(zhì)量無(wú)法得到保證。因此,在高溫高壓非穩(wěn)定工況的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中,換熱承壓水箱制作材料建議采用具有一定防腐功能、且易成型易焊接的食品級(jí)304不銹鋼材料制作,在水質(zhì)氯離子含量較高地區(qū),可選用316L不銹鋼材料。根據(jù)水箱的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),通過(guò)選用材料的強(qiáng)度計(jì)算,確定水箱板材厚度,并在結(jié)構(gòu)工藝上確保水箱的板材、端蓋、管件能自動(dòng)焊接,排除人為因素,保證了水箱整體強(qiáng)度要求。由304不銹鋼材料制作的蓄能雙核不銹鋼承壓水箱,在****工作壓力的15%到100%之間的壓力循環(huán)250000次后,水箱無(wú)滲漏、無(wú)變形。
其次,蓄能雙核不銹鋼承壓水箱不僅材料上選擇使用了能適應(yīng)在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中應(yīng)用的不銹鋼材料,同時(shí)在水箱防腐技術(shù)上也使用多重保護(hù)措施。在水箱焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,水箱內(nèi)膽組件焊接可全部采用氬氣保護(hù)焊接,****限度防止不銹鋼材料在焊接過(guò)程中出現(xiàn)材質(zhì)的變化。為防止焊接可能對(duì)材質(zhì)防腐功能造成的影響,在內(nèi)膽組件焊接完畢后,蓄能雙核不銹鋼承壓水箱在嚴(yán)格的工藝標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下,必須經(jīng)過(guò)配置的金屬化學(xué)液進(jìn)行水箱表面鈍化處理,在水箱表面生成一種非常薄的、致密的、覆蓋性能良好的、能堅(jiān)固地附在金屬表面上的富鉻鈍化膜,這種富鉻鈍化膜電位可高達(dá)+1.0V,接近貴金屬電位;并形成多層CrO3或Cr2O3結(jié)構(gòu),把金屬與腐蝕介質(zhì)完全隔開(kāi)的作用,防止金屬與腐蝕介質(zhì)直接接觸,使金屬基本停止溶解,形成鈍態(tài)達(dá)到防止腐蝕的效果。不銹鋼水箱在金屬鈍化處理后的耐鹽霧測(cè)試比未經(jīng)處理的不銹鋼水箱提高20倍,在藍(lán)點(diǎn)法檢測(cè)時(shí),35秒以上未出現(xiàn)藍(lán)點(diǎn)。同時(shí)蓄能雙核不銹鋼承壓水箱還采取犧牲陽(yáng)極法陰極保護(hù)措施,在水箱配置一根棒狀鎂棒作為陽(yáng)極,把水箱金屬內(nèi)膽當(dāng)作陰極,這樣陰極與陽(yáng)極之間通過(guò)導(dǎo)電的水介質(zhì),形成一個(gè)原電池。電池的陽(yáng)極鎂棒受腐蝕而自身消耗,而陰極內(nèi)膽便受到保護(hù),起到絕緣和防腐蝕作用。
第三,節(jié)能、舒適、便捷、方便是蓄能雙核不銹鋼承壓水箱始終堅(jiān)持的人性化設(shè)計(jì)理念。蓄能是水箱最基本的功能,如何防止水箱吸收儲(chǔ)存的熱量不散失,是水箱體現(xiàn)節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)水箱節(jié)能保溫效果線性計(jì)算,80-120升水箱要達(dá)到很好節(jié)能效果,保溫層厚度應(yīng)不低于50mm。蓄能雙核不銹鋼承壓水箱保溫層設(shè)計(jì)為52mm,采用環(huán)保聚氨酯發(fā)泡劑,經(jīng)過(guò)恒溫恒壓整體發(fā)泡而成,致密度達(dá)到36kg/m3,經(jīng)檢測(cè)水箱24小時(shí)固有損耗為1.2KWh,水箱能效等級(jí)達(dá)到A級(jí)。承壓熱水箱的用水方式一般采用邊用熱水邊進(jìn)冷水,在水箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上處理不好,易出現(xiàn)冷熱混水現(xiàn)象,造成用戶用水水溫不穩(wěn),水箱出水率極低。蓄能雙核不銹鋼承壓水箱在冷水進(jìn)口安裝冷水緩沖分水器,改變冷水流動(dòng)路線方向,阻擋冷水與熱水的混合,在水箱內(nèi)形成冷熱水分層,****限度提高水箱熱水利用率。為方便水箱在施工中安裝,蓄能雙核不銹鋼承壓水箱配置有多功能快捷式安裝構(gòu)件,與建筑材料模數(shù)比例貼合式設(shè)計(jì),無(wú)需特殊工具,即可快捷完成與建筑物完美安裝。同時(shí)水箱配置的智能控制器,即可與水箱嵌入式結(jié)合在一起,也可根據(jù)用戶安裝位置與水箱分離式安裝,液晶顯示屏,顯示直觀,一鍵式操作,控制精確,操作簡(jiǎn)單方便,各種保護(hù)措施有效融合,安全無(wú)憂。
3、蓄能雙核不銹鋼承壓水箱的應(yīng)用及測(cè)試
蓄能雙核不銹鋼承壓水箱是針對(duì)中高層住宅建筑采用陽(yáng)臺(tái)壁掛式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用而研發(fā)的一款新型換熱水箱,采用疊層夾套雙核內(nèi)膽結(jié)構(gòu),雙核夾層與太陽(yáng)能集熱器直接連接,生活用水與吸熱循環(huán)介質(zhì)完全隔開(kāi)。太陽(yáng)能集熱器與蓄熱水箱熱交換不需外加任何動(dòng)力,根據(jù)循環(huán)介質(zhì)不同溫度密度差熱虹吸作用自然循環(huán),即集熱器吸收太陽(yáng)能高溫介質(zhì)與夾套換熱水箱內(nèi)低溫循環(huán)介質(zhì)自然循環(huán)流動(dòng)起來(lái),并通過(guò)夾套生活水箱內(nèi)壁的傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)熱交換。蓄能雙核不銹鋼承壓水箱應(yīng)用示意原理圖如下:
根據(jù)以上安裝方式,我們將蓄熱雙核不銹鋼承壓水箱和市場(chǎng)上知名品牌搪瓷雙艙承壓水箱配置同規(guī)格型號(hào)平板集熱器進(jìn)行熱水系統(tǒng)能效等級(jí)對(duì)比測(cè)試。
日有用得熱量q測(cè)試基本條件:
◆日太陽(yáng)輻照量H≥16MJ/m2,蓄熱水箱內(nèi)水溫:tb=(20.0±1.0)℃,環(huán)境溫度8℃≤tad≤35℃,環(huán)境空氣的流動(dòng)速率ν≤4m/s;
◆水箱容量100L;配置1塊平板集熱器1.84m2;
在經(jīng)過(guò)正午前4小時(shí)到正午后4小時(shí)共8小時(shí)測(cè)試后,太陽(yáng)累計(jì)輻照量為17.89MJ(d.m2);水箱的溫升曲線如圖(1)所示,根據(jù)日有用得熱量計(jì)算式可知:
q=ρw×VS×Cpw×(te-tb)/1000×AC----------⑴
q——日有用得熱量MJ/m2;
r——水的密度,1kg/L;
s——水箱容量L;
pW——水的定壓比熱容,4.186KJ/(kg.c);
te——儲(chǔ)水箱內(nèi)水的終止溫度(℃);
tb——水的初始溫度(℃);
Ac——采光面積m2;
試數(shù)據(jù)代入公式⑴計(jì)算得出圖(1):
圖(1)
蓄熱雙核不銹鋼承壓水箱熱水系統(tǒng)日有用得熱量q值為7.9MJ/m2;
搪瓷雙艙承壓水箱熱水系統(tǒng)日有用得熱量q值為7.3MJ/m2;
換算成成太陽(yáng)能輻照量17MJ(d.m2)時(shí)的日有用得熱量為:
q17=17q/H----------⑵
由于在8小時(shí)測(cè)試過(guò)程中,太陽(yáng)能累計(jì)輻照量17.79MJ(d.m2),將17.79代入式(2)可得:
配置蓄熱雙核不銹鋼承壓水箱熱水系統(tǒng)日有用得熱量q17值為7.51MJ/m2;
配置搪瓷雙艙承壓水箱熱水系統(tǒng)日有用得熱量q17值為6.97MJ/m2;
以上測(cè)試都符合家用分體雙回路太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)熱性能6.6MJ/m2要求。同時(shí)可以看出配置蓄熱雙核不銹鋼承壓水箱熱水系統(tǒng)比配置搪瓷雙艙承壓水箱熱水系統(tǒng)的日有用得熱量明顯提高10%左右。
平均熱損因素USL測(cè)試基本條件:
◆蓄熱水箱內(nèi)水溫:取tb=(55±1.0)℃,環(huán)境溫度8℃≤tad≤35℃,環(huán)境空氣的流動(dòng)速率ν≤4m/s;
◆水箱容量100L;配置1塊平板集熱器1.84m2;
在經(jīng)過(guò)當(dāng)天晚上8點(diǎn)到第二天早晨6點(diǎn)共10小時(shí)測(cè)試后,水箱的溫降曲線,如圖(2)所示,根據(jù)平均熱損因素USL計(jì)算式可知:
--------------------(3)
USL:平均熱損因素(W/m3.K);
ρw:水的密度(kg/m3);
Cpw:水的比熱容4.186KJ/(kg.c);
Δτ:時(shí)間間隔(S);
ti:水箱內(nèi)初始溫度(℃);
tf:水箱內(nèi)最終溫度(℃);
tas(av):環(huán)境空氣溫度(℃);
將測(cè)試數(shù)據(jù)代入公式⑶計(jì)算得出圖(2):
圖(2)
配置蓄熱雙核不銹鋼承壓水箱熱水系統(tǒng)平均熱損因素值USL為11.8(W/m3.K);
配置搪瓷雙艙承壓水箱熱水系統(tǒng)平均熱損因素值USL為12.7(W/m3.K);
家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)能效系數(shù)可按下式求得:
CTP=QS(e)/QS(m)-αUsl(e)/Usl(M)--------------------(4)
其中:QS(e):試驗(yàn)條件下測(cè)得日有用得熱量MJ/m2;
QS(m):家用分體雙回路規(guī)定日有用得熱量最小值6.6MJ/m2;
α:權(quán)重系數(shù)取0.9;
Usl(e):試驗(yàn)條件下測(cè)得平均熱損因子(W/m3.K);
Usl(M):家用分體雙回路規(guī)定平均熱損因子最小值16(W/m3.K);
將配置蓄熱雙核不銹鋼承壓水箱熱水系統(tǒng)試驗(yàn)值QS(e)=7.51MJ/m2和Usl(e)=11.8(W/m3.K)代入式(4)得:CTP=0.47
將配置搪瓷雙艙承壓水箱熱水系統(tǒng)試驗(yàn)值QS(e)=6.97MJ/m2和Usl(e)=12.7(W/m3.K)代入式(4)得:CTP=0.34
通過(guò)以上試驗(yàn)值計(jì)算,可以看出配置蓄熱雙核不銹鋼承壓水箱熱水系統(tǒng)可以達(dá)到能效等級(jí)Ⅰ標(biāo)準(zhǔn),而配置搪瓷雙艙承壓水箱熱水系統(tǒng)能效等級(jí)為Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)。可見(jiàn)蓄熱雙核不銹鋼承壓水箱應(yīng)用到陽(yáng)臺(tái)壁掛自然循環(huán)熱水系統(tǒng)中可提升系統(tǒng)的整體能效指標(biāo)。
當(dāng)然有了好的熱性能指標(biāo),還必須要有可靠的運(yùn)行保證。蓄能雙核不銹鋼承壓水箱應(yīng)用太陽(yáng)能陽(yáng)臺(tái)壁掛間接自然熱水系統(tǒng)中雖然安裝、使用看似非常簡(jiǎn)單,但在實(shí)際安裝應(yīng)用中以下幾點(diǎn)是必須注意的:
◇在安裝水箱前,必須核定水箱安裝位置強(qiáng)度必須能夠滿足水箱總荷載承載能力(既水箱
注滿水后的總重量)。
◇水箱冷水管進(jìn)水接口前,必須安裝單向閥。在進(jìn)水壓力大于水箱額定壓力時(shí),水箱進(jìn)水
口必須安裝減壓閥。
◇水箱必須安裝有限定水箱壓力的安全閥。考慮到高溫?zé)崴陌踩欧牛仨毚_保安全閥
排氣口暢通,并與建筑排水系統(tǒng)正確的連接。
◇用戶使用過(guò)程中,必須每隔一個(gè)月對(duì)安全閥進(jìn)行手動(dòng)操作,以檢查裝置的可靠性。
◇水箱安裝位置應(yīng)高于太陽(yáng)能集熱器最高點(diǎn)0.5米。安裝管道距離建議不大于5米。
◇承壓水箱安裝位置應(yīng)不高于用水點(diǎn)3.5米。否則嚴(yán)禁在停水狀態(tài)下,使用熱水或在熱水出口安裝吸氣閥。
◇若用戶長(zhǎng)期外出或外出度假,請(qǐng)檢查安全閥排氣口是否暢通,切斷系統(tǒng)電源,關(guān)閉上水
控制閥。
◇必須定期更換電子鎂棒。
◇檢查電表和室內(nèi)電源線,必須保證與水箱負(fù)載相匹配,嚴(yán)禁超負(fù)荷;
◇水箱嵌入式控制器嚴(yán)禁在潮濕或有燃料等易燃易爆氣體的地方使用,以免發(fā)生危險(xiǎn);
◇在環(huán)境溫度低于零攝氏度的地區(qū),循環(huán)介質(zhì)必須采用防凍液。
◇系統(tǒng)循環(huán)介質(zhì)和使用熱水須符合國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn),嚴(yán)禁使用未經(jīng)處理的河水、湖水和海水。
因此,在太陽(yáng)能陽(yáng)臺(tái)壁掛間接自然熱水系統(tǒng)中,蓄能雙核不銹鋼承壓水箱應(yīng)用只有在嚴(yán)格按照規(guī)范要求下進(jìn)行安裝使用,才能體現(xiàn)出節(jié)能、舒適、便捷、方便的特點(diǎn)。
5、結(jié)論
綜上所述,蓄能雙核不銹鋼承壓水箱是為中高層住宅建筑采用陽(yáng)臺(tái)壁掛間接自然循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)配套研發(fā)的,具有如下獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)特征,市場(chǎng)應(yīng)用前景十分廣闊。
①多途徑采取增強(qiáng)換熱效果的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),水箱換熱效率提高26%,水箱達(dá)到A級(jí)能效等級(jí);水箱應(yīng)用到陽(yáng)臺(tái)壁掛間接自然循環(huán)熱水系統(tǒng)中,可整體提升系統(tǒng)的能效指標(biāo)10%。
②蓄能雙核承壓水箱必須采用食品級(jí)不銹鋼材質(zhì)制作,搪瓷內(nèi)膽無(wú)法滿足太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)高溫高壓冷熱交變膨脹力的作用,夾層搪瓷工藝上也無(wú)保障措施。
③疊層夾套雙核內(nèi)膽?yīng)殑?chuàng)“白金盾”全方位不銹鋼防腐技術(shù)多重保護(hù),耐鹽霧測(cè)試比普通不銹鋼水箱提高20倍,藍(lán)點(diǎn)法檢測(cè),35秒以上未出現(xiàn)藍(lán)點(diǎn),可保15年以上無(wú)漏水,水質(zhì)潔凈而無(wú)污染。
③材料強(qiáng)度驗(yàn)證計(jì)算和嚴(yán)格工藝焊接保證,水箱通過(guò)25萬(wàn)次苛刻壽命疲勞脈沖試驗(yàn)和2倍工作壓力靜態(tài)測(cè)試完好無(wú)損,水箱可靠耐用。
④環(huán)保無(wú)污染高致密度加厚發(fā)泡層和成熟的發(fā)泡工藝,在零下15攝氏度水箱保溫測(cè)試,24小時(shí)能量損耗到達(dá)A級(jí)標(biāo)準(zhǔn),水箱更節(jié)能。
⑤冷熱分層空間蓄熱結(jié)構(gòu),滿足大容量瞬時(shí)熱水需求,洗浴更舒適、更放心。
⑥多功能快捷式安裝構(gòu)件,與建筑材料模數(shù)比例貼合式設(shè)計(jì),無(wú)需特殊工具,即可快捷完成與建筑物完美安裝。
⑦水箱與智能控制人性化界面設(shè)計(jì),操作更簡(jiǎn)單,彰顯時(shí)尚風(fēng)彩,為您安全貼心呵護(hù)。
⑧換熱膨脹空間設(shè)計(jì)預(yù)留和溫度壓力閥的設(shè)置,保證系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。
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⑷GB/T19141-2011《家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》
⑸GB/T26970-2011《家用分體雙回路太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》
⑹GB/T26969-2011《家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)能效限定值及能效等級(jí)》
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