對(duì)比分析熱泵熱水器換熱盤(pán)管內(nèi)置與外置性能

摘要：空氣源熱泵熱水器儲(chǔ)水箱主要由內(nèi)膽、外膽、換熱盤(pán)管、保溫材料等組成。其中換熱盤(pán)管在熱泵系統(tǒng)中起冷凝器的作用，高溫高壓氣體冷媒通過(guò)換熱盤(pán)管將熱量傳遞給水，溫度升高，如此循環(huán)制得熱水?？諝庠礋岜脽崴鞲鶕?jù)盤(pán)管結(jié)構(gòu)的不同，可分為內(nèi)置盤(pán)管式熱泵熱水器、外置盤(pán)管式熱泵熱水器。本文就一種應(yīng)用于內(nèi)置盤(pán)管熱泵熱水器的不銹鋼水箱的技術(shù)作詳細(xì)介紹。 　　一、引言 　　目前，一種應(yīng)用于熱泵熱水器的內(nèi)置不銹鋼盤(pán)管熱泵水箱(專利號(hào)：201420041158.9)在黃石東貝太陽(yáng)能公司被研發(fā)成功，并申請(qǐng)了多項(xiàng)專利保護(hù)。 　　儲(chǔ)水箱作為熱泵熱水器的主要部件，對(duì)熱水器的性能起到重要的作用，其主要體現(xiàn)在水箱的換熱性能（內(nèi)置冷凝器）、保溫性能、熱水輸出率，內(nèi)膽的防腐性能。而目前市場(chǎng)上外置盤(pán)管搪瓷水箱、滾塑水箱都存在很多的質(zhì)量缺陷，比如：外置盤(pán)管換熱效果差、搪瓷水箱的漏搪、熱脹冷縮易出現(xiàn)裂搪、必須采用陽(yáng)極鎂棒進(jìn)行保護(hù)、陽(yáng)極鎂棒消耗后的沉浸物會(huì)影響水質(zhì)使用，國(guó)內(nèi)各地區(qū)水質(zhì)的差異性導(dǎo)致鎂棒很難做好監(jiān)測(cè)和售后服務(wù)。我司生產(chǎn)的不銹鋼承壓水箱具有可承壓、衛(wèi)生、換熱效果好、防腐性強(qiáng)（防腐專利號(hào)：201220394501.9）、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)成為熱泵熱水器，壁掛爐供暖熱水系統(tǒng)，以及太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的首選。 　　二、盤(pán)管內(nèi)置、外置性能比較分析： 　　1、換熱效率 　　換熱效率是換熱水箱的一個(gè)重要指標(biāo)，它影響著熱泵熱水器的性能系數(shù)與能效比（即COP值）。 　　目前熱泵熱水器家用機(jī)中，水箱換熱器以盤(pán)管式結(jié)構(gòu)為主。從盤(pán)管材質(zhì)上分類主要有：銅盤(pán)管、鋁制盤(pán)管和不銹鋼盤(pán)管三種；從盤(pán)管結(jié)構(gòu)上分主要有：外置盤(pán)管和內(nèi)置盤(pán)管兩種。其中外置盤(pán)管熱泵熱水器，由于盤(pán)管是盤(pán)繞在內(nèi)膽的外壁，水箱換熱時(shí)盤(pán)管中的熱量必須經(jīng)過(guò)內(nèi)膽壁才能傳遞給水，多出了一個(gè)熱傳導(dǎo)過(guò)程，傳熱效率較低。 　　特別是對(duì)于搪瓷水箱，盤(pán)管中的熱量經(jīng)過(guò)了內(nèi)膽壁、搪瓷層兩次熱傳導(dǎo)，每次熱傳導(dǎo)都有熱阻，且搪瓷層屬于非金屬材料，其傳熱系數(shù)遠(yuǎn)小于金屬材料，所以外置盤(pán)管搪瓷熱泵水箱的傳熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)置不銹鋼盤(pán)管熱泵水箱。 　　另在熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，冷凝器（盤(pán)管）的大小，是根據(jù)壓縮機(jī)的匹配進(jìn)行選型，冷凝器（盤(pán)管）面積過(guò)大導(dǎo)致壓縮機(jī)潤(rùn)滑油難以返回，燒壞壓縮機(jī)；冷凝器（盤(pán)管）面積過(guò)小導(dǎo)致冷凝器溫度過(guò)高，壓縮機(jī)易出現(xiàn)跳機(jī)，縮短了壓縮機(jī)的使用壽命。故外置盤(pán)管熱泵水箱要想達(dá)到內(nèi)置盤(pán)管熱泵水箱相同的換熱量，即使增大盤(pán)管換熱面積也不可能達(dá)到內(nèi)置盤(pán)管熱泵水箱的換熱效率和能效比（COP值）。 　　對(duì)于銅盤(pán)管外盤(pán)纏繞在內(nèi)膽上的方式，一般分為三種，一種是傳統(tǒng)圓管外盤(pán)管，一種是D型外盤(pán)管，另外一種是凹槽型外盤(pán)管。對(duì)于傳統(tǒng)圓管外盤(pán)管而言，水箱內(nèi)膽與盤(pán)管線面接觸，有效換熱面積非常?。粚?duì)于D型外盤(pán)管而言，水箱內(nèi)膽與盤(pán)管面面接觸，接觸面比線面接觸好，但有效換熱面積依然較小，熱量傳遞速度慢，能效比很低，且銅管由于不斷地?zé)崦浝淇s變化，時(shí)間長(zhǎng)了外盤(pán)管與水箱內(nèi)膽的接觸緊密度也隨之產(chǎn)生變化，換熱效果逐年下降，且D型管的兩個(gè)邊角因受力不均在長(zhǎng)期的熱脹冷縮作用下容易破裂；對(duì)于凹槽型外盤(pán)管而言，它需將水箱內(nèi)膽壓成波浪型，銅管盤(pán)在凹槽內(nèi)，相對(duì)比D型管的接觸面積有所提高，但最大接觸面積也只有50%。始終還是隔著水箱內(nèi)膽換熱，能效比還是不理想，而且因水箱內(nèi)膽壓槽工藝的需要，內(nèi)膽變薄了，壓槽過(guò)程也會(huì)影響焊接口的質(zhì)量，影響水箱內(nèi)膽的壽命。 　　在制作過(guò)程中銅盤(pán)管外盤(pán)內(nèi)膽方式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高，不僅要求盤(pán)管與水箱內(nèi)膽緊貼，還要注意盤(pán)管間距，管間距太小，冷凝管利用效率較低，管間距太大則冷凝換熱面積不夠；為了增強(qiáng)薄壁管與內(nèi)膽水箱的換熱，就需要單根盤(pán)繞密度高，這回造成冷凝器系統(tǒng)過(guò)長(zhǎng)，內(nèi)側(cè)流動(dòng)阻力較大，從而導(dǎo)致制冷介質(zhì)在薄壁銅管中的流速較低，換熱效果大大的降低； 　　而內(nèi)置盤(pán)管熱泵熱水器，是將盤(pán)管（即冷凝管）直接放置于水箱內(nèi)膽中，熱交換管整體與水接觸，管壁完全參與換熱，傳熱溫差較小，冷凝側(cè)壓力相對(duì)較低，不會(huì)影響到壓縮機(jī)的使用壽命相同管長(zhǎng)的換熱管有效換熱面積高，其換熱效率較好；且盤(pán)管的外管壁完全與水接觸，無(wú)論何種管型，傳熱效率均比較高； 　　下面是外置盤(pán)管的熱阻與內(nèi)置盤(pán)管的熱阻性能的比較計(jì)算： 　　對(duì)內(nèi)置盤(pán)管式熱泵熱水器，以管外側(cè)面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)計(jì)算式為： 　  　　式中，R為盤(pán)管螺旋的曲率半徑，Nu為努賽爾數(shù)，Re為雷諾數(shù)， Pr為普朗特?cái)?shù)，p為流體密度，u1為管內(nèi)流速，u為運(yùn)動(dòng)粘度。 　　內(nèi)置盤(pán)管式熱泵熱水器和外置盤(pán)管式熱泵熱水器的熱阻比較： 　　從上式可以看出，外置盤(pán)管式的熱阻遠(yuǎn)要大于內(nèi)置盤(pán)管式的熱阻，即外置盤(pán)管式的換熱性能要比內(nèi)置盤(pán)管式差很多。上式同時(shí)說(shuō)明了，外置盤(pán)管式的熱阻相比內(nèi)置式，多了內(nèi)膽的導(dǎo)熱熱阻，而原來(lái)的盤(pán)管外的對(duì)流熱阻變成了內(nèi)膽內(nèi)部的對(duì)流熱阻，性能也有一定的下降。如果是搪瓷水箱，水箱內(nèi)膽中增加了搪瓷層，而搪瓷層屬于非金屬，熱阻更大，使熱泵水箱盤(pán)管的換熱性能更差，整個(gè)系統(tǒng)的加熱時(shí)間就會(huì)變得更長(zhǎng)。 　　2、對(duì)壓縮機(jī)使用壽命的影響 　　壓縮機(jī)在熱泵系統(tǒng)中起著決定性因素，它直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的COP值。而外置盤(pán)管熱泵水箱因?yàn)槠渥陨硪蛩?，傳熱效果不好，且盤(pán)管被水箱中的保溫層所包圍，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中盤(pán)管中的冷媒長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)，這樣會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)吸、排氣溫度較高而過(guò)載，長(zhǎng)期下去將會(huì)使壓縮機(jī)的壽命嚴(yán)重縮短。 　　而大部分熱泵生產(chǎn)廠家解決此現(xiàn)象的辦法就是將壓縮機(jī)所使用的冷媒充注量減小，這樣的解決方法，經(jīng)過(guò)研究與分析，將會(huì)導(dǎo)致由于沒(méi)有足夠的制冷劑參與熱泵系統(tǒng)的循環(huán)，因此熱泵機(jī)組中的蒸發(fā)器吸熱量小，系統(tǒng)的整個(gè)加熱時(shí)間就會(huì)變長(zhǎng)。而對(duì)壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)制冷劑沖入量少時(shí)，其流量也會(huì)隨之減小，而蒸發(fā)器的過(guò)熱度大，使得吸氣溫度升高，吸入蒸氣比容增大；吸氣溫度升高，吸入蒸氣比容增大又會(huì)引起壓縮熱增大，致使排氣溫度升高，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)發(fā)熱，引起壓縮功能增大，耗電量增大，這對(duì)系統(tǒng)壽命是很不利的，同時(shí)對(duì)節(jié)能也是不利的，嚴(yán)重的影響了熱泵機(jī)組的COP值。 　　三、防腐性能分析： 　　 內(nèi)置換熱器的換熱效果比外置換熱器的效果好，我們以上已經(jīng)有了論述。而市場(chǎng)上大部分的熱泵水箱都是外盤(pán)，這是什么原因呢？經(jīng)過(guò)我們調(diào)查與分析，了解到最主要的一個(gè)因素就是其生產(chǎn)廠家不能有效的解決內(nèi)置盤(pán)管長(zhǎng)期浸入在水中而引起的腐蝕現(xiàn)象，特別是在水質(zhì)比較差的地區(qū)，腐蝕現(xiàn)象非常嚴(yán)重。比如在河南伊川等地內(nèi)置盤(pán)管水箱幾乎百分之百的會(huì)出現(xiàn)因盤(pán)管穿孔腐蝕而導(dǎo)致的整機(jī)報(bào)廢。為了避免此問(wèn)題引起的損失，所以其生產(chǎn)廠家只能選擇生產(chǎn)外置盤(pán)管熱泵水箱。 　　東貝太陽(yáng)能公司自主創(chuàng)新的“防腐墻”專利技術(shù)（防腐專利號(hào)：201220394501.9），是在承壓水箱中與水接觸的的零部件，如內(nèi)膽、水管、盤(pán)管等制作完成后，將與水接觸的表面進(jìn)行鈍化處理。鈍化是提高不銹鋼材料防腐性能的關(guān)鍵，最終形成一層致密的、均勻的含鉻的鈍化膜，這層保護(hù)膜完全覆蓋金屬的表面。 　　  下面是未經(jīng)過(guò)防腐處理的SUS304不銹鋼板與經(jīng)過(guò)防腐處理的SUS304不銹鋼板的對(duì)比試驗(yàn)： 　　試驗(yàn)一： 　　取兩塊相同的經(jīng)過(guò)自動(dòng)氬弧焊接的SUS304不銹鋼板材，一件經(jīng)過(guò)鈍化處理，另外一件未作鈍化的樣品分別放入5%的鹽水和清水中。 　　結(jié)果：經(jīng)過(guò)兩個(gè)月浸泡后觀察，經(jīng)過(guò)防腐處理的SUS304不銹鋼板在濃度為5%的鹽水中，基本沒(méi)有出現(xiàn)銹蝕。而沒(méi)有經(jīng)過(guò)防腐處理的SUS304不銹鋼板在清水中出現(xiàn)了嚴(yán)重的銹蝕。 　　說(shuō)明：水質(zhì)再差的地區(qū)如西北、華北等地其水質(zhì)（水中氯離子含量）也比濃度為5%的鹽水（NaCl溶液）要好。 　　試驗(yàn)二： 　　取兩塊相同的經(jīng)過(guò)自動(dòng)氬弧焊接的SUS304不銹鋼板材，一件經(jīng)過(guò)防腐處理，另外一件未經(jīng)過(guò)防腐處理的樣品放入5%的鹽水鹽霧試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，歷時(shí)：16h（見(jiàn)表1）。 　　表1    鹽霧試驗(yàn) 　　試驗(yàn)一中，圖2的工件未經(jīng)過(guò)鈍化防腐處理，盡管SUS304不銹鋼材料具有防腐性能，在空氣中也能自然生成Cr2O3保護(hù)膜，Cr2O3保護(hù)膜對(duì)于點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的發(fā)展能起到阻滯的作用。但是對(duì)于經(jīng)過(guò)切割、冷作，特別是焊接熱處理過(guò)的不銹鋼材料，其保護(hù)膜被破壞、也不完整和不均勻，由于水中含有Cl-，在正常的使用中就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化腐蝕。而試驗(yàn)一圖1是應(yīng)用了東貝太陽(yáng)能公司自主創(chuàng)新的“防腐墻”專利技術(shù)，沒(méi)有出現(xiàn)任何腐蝕現(xiàn)象。   　　四、完美的品質(zhì)來(lái)自于48年的管理和制造基因 　　東貝太陽(yáng)能作為東貝集團(tuán)旗下的子公司，傳承了東貝集團(tuán)48年的制造和管理基因，擁有強(qiáng)大的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，針對(duì)新能源（熱泵、太陽(yáng)能、暖通等）各個(gè)領(lǐng)域的需求，研制開(kāi)發(fā)了多款不同種類的水箱產(chǎn)品。 　　東貝太陽(yáng)能公司近10年的不銹鋼承壓水箱制造經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)擁有先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備。這款內(nèi)置盤(pán)管熱泵水箱整合了公司多項(xiàng)技術(shù)，包括不銹鋼焊接和防腐技術(shù)，同時(shí)應(yīng)用了“防腐墻”特護(hù)內(nèi)膽技術(shù)。 　　東貝太陽(yáng)能憑借其領(lǐng)先的不銹鋼專業(yè)技術(shù)，9年市場(chǎng)零返還率的品質(zhì)及完善的售后服務(wù)，博得了廣大消費(fèi)者的好評(píng)。在熱泵行業(yè)、太陽(yáng)能行業(yè)，暖通行業(yè)，東貝太陽(yáng)能的熱泵承壓水箱已經(jīng)成為部分客戶的指定產(chǎn)品。