淺談熱泵熱水器水箱技術(shù)

摘要：在我國，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和“城鎮(zhèn)化”進(jìn)程的加快，衛(wèi)生熱水能耗在建筑能耗中的比例越來越大，衛(wèi)生熱水節(jié)能已成為不容忽視的問題，空氣源熱泵熱水器作為具有節(jié)能、安全、環(huán)保，安裝方便等諸多的優(yōu)點(diǎn)而成為太陽能熱水器之后發(fā)展較快的新一代熱水器。 　　儲(chǔ)水箱又作為熱泵熱水器的主要部件，對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、熱水出水率，內(nèi)膽的防腐性能。而目前市場上搪瓷水箱、滾塑水箱都存在很多的質(zhì)量缺陷，比如：存在漏搪、熱脹冷縮易出現(xiàn)裂搪、必須采用陽極鎂棒進(jìn)行保護(hù)、陽極鎂棒消耗后的沉浸物會(huì)影響水質(zhì)使用，國內(nèi)各地區(qū)水質(zhì)的差異性導(dǎo)致鎂棒很難做好監(jiān)測和售后服務(wù)。不銹鋼承壓水箱具有可承壓、衛(wèi)生、防腐性好、壽命長等優(yōu)點(diǎn)成為熱泵熱水器，壁掛爐供暖熱水系統(tǒng)，以及太陽能熱水系統(tǒng)的首選。因此，我們應(yīng)該抓住這個(gè)歷史機(jī)遇，大力發(fā)展不銹鋼承壓水箱，提高我們的技術(shù)實(shí)力。 　　本文就一種應(yīng)用于熱泵熱水器的不銹鋼水箱的技術(shù)作詳細(xì)介紹。 　　引言 　　日前，一種應(yīng)用于熱泵熱水器的內(nèi)置不銹鋼盤管水箱在黃石東貝太陽能公司被研發(fā)成功，并申請了多項(xiàng)專利保護(hù)。 　　1、熱泵熱水器水箱簡介： 　　熱泵熱水器水箱的結(jié)構(gòu)如圖1.1如示，一般由內(nèi)膽組件、換熱器（冷凝器）、保溫材料、外殼四部分組成，內(nèi)膽組件包含內(nèi)膽、內(nèi)封頭和管接頭等零件，內(nèi)膽和內(nèi)封頭是采用SUS304不銹鋼鋼板加工而成；換熱器（冷凝器）是采用304不銹鋼鋼管加工成螺旋盤管；保溫材料是采用聚氨酯材料，導(dǎo)熱系數(shù)低；外殼是采用熱鍍鋅板外表面噴涂耐腐蝕性涂層；熱泵水箱具有如下的優(yōu)點(diǎn)： 　　1）采用食品級304不銹鋼材料制作，具有很強(qiáng)的耐腐蝕性； 　　2）內(nèi)膽組件采用自動(dòng)氬弧焊接，焊接過程中采取隋性氣體氬氣進(jìn)行保護(hù)，減少焊接表面氧化； 　　3）水箱能承壓，最大工作壓力0.8Mpa，測試壓力1.2Mpa； 　　4）內(nèi)膽內(nèi)表面經(jīng)過鈍化防腐處理，水箱具有更長的壽命； 　　5）換熱效率高，不銹鋼盤管換熱器（冷凝器）內(nèi)置于水箱內(nèi)； 　　6）熱損小，采用美國“陶氏”聚氨酯發(fā)泡料，360度無盲區(qū)立體保溫； 　　7）更高的熱水出水率，冷水進(jìn)口采用分布式注水設(shè)計(jì)； 　　8）外殼美觀，抗紫外線，可任意選擇與建筑搭配的顏色。 　　2、熱泵水箱的主要技術(shù)： 　　2.1內(nèi)膽 　　內(nèi)膽是整個(gè)水箱最核心的技術(shù)。好的內(nèi)膽必須具有很好的承壓能力（包含至少0.9Mpa靜態(tài)壓力測試和至少80,000次的疲勞脈沖壓力測試），同時(shí)在一定的環(huán)境下還必須具有很強(qiáng)的耐腐蝕性。 　　2.1.1耐腐蝕性介紹： 　　試驗(yàn)一： 　　取兩塊相同的經(jīng)過自動(dòng)氬弧焊接的SUS304不銹鋼板材，一件經(jīng)過鈍化處理，另外一件未作鈍化的樣品分別放入5%的鹽水和清水中，見右圖。 　　結(jié)果：經(jīng)過兩個(gè)月浸泡后觀察，經(jīng)過防腐處理的SUS304不銹鋼在濃度為5%的鹽水中，基本沒有出現(xiàn)銹蝕。而沒有經(jīng)過防腐處理的SUS304不銹鋼在清水中出現(xiàn)了嚴(yán)重的銹蝕。 　　試驗(yàn)二： 　　取兩塊相同的經(jīng)過自動(dòng)氬弧焊接的SUS304不銹鋼板材，一件經(jīng)過鈍化處理，另外一件未作鈍化的樣品放入5%的鹽水鹽霧試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，歷時(shí)：16h。 　　原因分析：試驗(yàn)一右圖的工件未經(jīng)過鈍化防腐處理，盡管304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)膜對于點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的發(fā)展能起到阻滯的作用。但是對于經(jīng)過切割、冷作，特別是焊接熱處理過的不銹鋼材料，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。 　　改進(jìn)措施：試驗(yàn)一左圖是應(yīng)用了東貝太陽能公司自主創(chuàng)新的“白金盾”專利技術(shù)，沒有出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。鈍化是提高不銹鋼材料防腐性能的關(guān)鍵，整個(gè)水箱內(nèi)膽制作完成后，內(nèi)表面經(jīng)過了特殊的工藝處理（參考文件：不銹鋼鈍化鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM/G85-1998，抗腐蝕鋼的鈍化處理QQ-P-35，不銹鋼零件的鈍化標(biāo)準(zhǔn)教程ASTMA380-06），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。 　　2.1.2靜態(tài)壓力測試及250.000次脈沖壓力測試 　　東貝公司生產(chǎn)過程中，靜態(tài)壓力測試現(xiàn)場照片： 　　東貝太陽能公司作為專業(yè)生產(chǎn)不銹鋼承壓水箱的公司，我們用心做好每一道工序，從內(nèi)膽的板材來料檢測到內(nèi)膽組件的1.2Mpa的壓力測試，每一道工序必須經(jīng)過嚴(yán)格的檢測和管控。SUS304不銹鋼必須是含18%鉻，9%鎳，這是基礎(chǔ)，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和壁厚必須按壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)GB150-1998執(zhí)行，每一道焊接工序必須嚴(yán)格執(zhí)行氬弧焊接規(guī)程，從而減少焊接表面氧化，確保焊接的牢固程度；最關(guān)鍵的是所有東貝生產(chǎn)不銹鋼水箱必須經(jīng)過鈍化防腐處理，也是東貝公司特有的，也已經(jīng)成功申請了關(guān)鍵防腐工序的專利，在此之前查閱了大量的國內(nèi)外學(xué)術(shù)資料，并實(shí)施了很多的檢驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)。 　　2.2保溫性能 　　影響儲(chǔ)熱水箱保溫性能的因素主要有保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)和保溫層厚度、溫度邊界條件等。 　　對于同種材料，保溫層越厚保溫效果越好。但當(dāng)厚度超過一定值后再加厚保溫效果增加不明顯。東貝太陽能公司是采用美國陶氏聚氨酯發(fā)泡料，保溫層厚度為50mm，導(dǎo)熱系數(shù)λ＜0.024w/(m.k)，閉孔率＞90以上，吸水率很小，不會(huì)因吸潮而影響導(dǎo)熱系數(shù)。 　　一般通過下圖示來評估水箱的熱損： 　　2.3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)（COP）。 　　目前熱泵熱水器家用機(jī)，基本上都以盤管式結(jié)構(gòu)為主。從材質(zhì)上分類有：銅盤管和不銹鋼盤管；從結(jié)構(gòu)上分類，有內(nèi)膽外盤方式和盤管置于內(nèi)膽內(nèi)的方式。 　　目前現(xiàn)象：市場上多見有銅盤管外盤內(nèi)膽方式，但是外盤的結(jié)構(gòu)存在很多的缺陷，圓形盤管（或D形盤管）很大的面積沒有與內(nèi)膽外壁形成有效的接觸，為了滿足有效的換熱面積有些企業(yè)不得不增加盤管的長度，造成很大的浪費(fèi)是令水惋惜的，紫銅管的成本昂貴，“理論上本來20米紫銅管就能滿足要求，非要用到30~40米”。大部分的用戶或生產(chǎn)廠家潛意識中認(rèn)為紫銅的導(dǎo)熱系數(shù)大，紫銅作為換熱器在任何環(huán)境下都會(huì)有很高的傳熱系數(shù)。 　　原因分析：銅盤管外盤內(nèi)膽方式，盤管與內(nèi)膽外壁只是線或面接觸，有效換熱面積非常小。增加有效換熱面積導(dǎo)致成本的增加，盤管壓降（阻力）的增加。另外該換熱器（冷凝器）內(nèi)的高溫制冷劑介質(zhì)與低溫水通過制冷劑與內(nèi)壁的強(qiáng)制對流換熱、管壁導(dǎo)熱和自然對流進(jìn)行換熱，但是管內(nèi)制冷劑的溫度很高，流量也很高，因此熱阻很小，基本可忽略不計(jì)，在理論計(jì)算上，我們只需考慮管壁、內(nèi)膽壁的導(dǎo)熱和空氣自然對流進(jìn)行換熱，但空氣的自然對流系數(shù)在5~25w/m2.k，熱阻較大，對整個(gè)換熱效率有很大的影響。 　　改進(jìn)措施：采用不銹鋼材料作為換熱器，成本低；盤管放置在內(nèi)膽內(nèi)部，360度全方位水對流換熱，換熱效率高；用材少，盤管壓降??；結(jié)構(gòu)簡單，容易操作。 　　2.4熱水出水率 　　根據(jù)GB/T23137-2008《家用和類似用途熱泵熱水器》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，熱水輸出率要求≥75%，如下表4： 　　實(shí)際現(xiàn)實(shí)中很多熱水器熱水輸出率都不盡人意，都不能滿足要求，本來可以洗3個(gè)人的熱水器，實(shí)際上第2個(gè)人還沒洗完，水就越洗越冷，第3個(gè)人根本就不能洗了。 　　原因分析：熱泵水箱都是頂水出水，由于進(jìn)水管壓力較大，在進(jìn)冷水時(shí)，上下層的冷熱水在不停的混水，壓力越大，冷熱水的波動(dòng)就越大，本來整箱水都是熱的（50~55℃），水溫變化非常大。 　　改進(jìn)措施：東貝太陽能公司在冷水進(jìn)管上增加緩沖分水器，基本上保證冷熱水隔離，冷水管在進(jìn)水時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)大的波動(dòng)，整體向上緩慢上漲。 　　下圖為東貝太陽能公司150L水箱的熱水輸出率曲線圖： 　　熱水輸出率達(dá)到82%以上。 　　3、完美的品質(zhì)來自于48年的管理和制造基因 　　東貝太陽能作為東貝集團(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)，針對新能源（熱泵、太陽能、暖通等）各個(gè)領(lǐng)域的需求，研制開發(fā)了多款不同種類的水箱產(chǎn)品。 　　東貝太陽能公司9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“白金盾”特護(hù)內(nèi)膽技術(shù)。 　　東貝太陽能憑借其領(lǐng)先的不銹鋼專業(yè)技術(shù)，9年市場零反還率的品質(zhì)及完善的售后服務(wù)，博得了廣大消費(fèi)者的好評。在熱泵行業(yè)、太陽能行業(yè)，暖通行業(yè)，東貝太陽能的承壓水箱已經(jīng)成為指定產(chǎn)品。