承壓式儲(chǔ)熱水箱脈沖壓力試驗(yàn)的研究

摘要 本文闡述了承壓式太陽能儲(chǔ)熱水箱存在的問題及國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于其壽命試驗(yàn)作出的規(guī)定要求，提出了脈沖壓力試驗(yàn)系統(tǒng)研制思路及相關(guān)關(guān)鍵問題解決方案。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于承壓式儲(chǔ)熱水箱脈沖壓力試驗(yàn)測試，在實(shí)際應(yīng)用過程中，將不斷優(yōu)化改進(jìn)，使其更方便、更快捷、更高效地應(yīng)用于廣大水箱生產(chǎn)制造企業(yè)水箱測試過程中。 　　0 發(fā)展現(xiàn)狀 　　為鼓勵(lì)可再生能源的推廣應(yīng)用，國家出臺(tái)了多種扶持可再生能源發(fā)展政策，全國各級(jí)政府先后出臺(tái)了140多項(xiàng)有關(guān)太陽能熱水系統(tǒng)在城市和建筑上應(yīng)用的相關(guān)文件，助推太陽能熱利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展。 　　目前，已經(jīng)有20多個(gè)省、自治區(qū)和直轄市出臺(tái)了強(qiáng)制推廣太陽能熱水系統(tǒng)的政策，對(duì)城市新建12 層以下建筑需要配套推廣太陽能熱水系統(tǒng)。在各級(jí)政府政策大力支持及強(qiáng)大的市場需求下，分體式太陽能熱水系統(tǒng)因其容易與建筑相結(jié)合，易于在多層乃至高層建筑上應(yīng)用而得到迅速發(fā)展應(yīng)用。 　　1 存在問題 　　在行業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，由于激烈的市場競爭， 作為熱水承載裝置的系統(tǒng)關(guān)鍵部件———承壓水箱質(zhì)量參差不齊，差異很大，隨之而來的質(zhì)量問題也挑戰(zhàn)著這個(gè)“朝陽”產(chǎn)業(yè)。由于承壓水箱內(nèi)膽長期處于較高溫度且承壓運(yùn)行，部分水箱易發(fā)生腐蝕或變形因而出現(xiàn)漏水等較大質(zhì)量問題。 　　另外，分體式太陽能熱水系統(tǒng)多采用傳熱介質(zhì)向水箱傳遞熱量，傳熱介質(zhì)多為醇類液體，其高溫運(yùn)行過程中對(duì)水箱換熱夾層、盤管或內(nèi)膽具有一定的腐蝕作用。承壓水箱在自來水水壓及被傳熱介質(zhì)包裹的“內(nèi)憂外患”下長年運(yùn)行，如果不進(jìn)行嚴(yán)格的工藝質(zhì)量控制，存在未來幾年內(nèi)集中爆發(fā)重大質(zhì)量問題的隱患，影響行業(yè)健康發(fā)展。 　　2 技術(shù)要求 　　為了規(guī)范太陽能熱水系統(tǒng)儲(chǔ)熱水箱產(chǎn)品質(zhì)量，2012年國家能標(biāo)委重磅推出兩項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)，即太陽能熱水系統(tǒng)儲(chǔ)熱水箱技術(shù)條件及試驗(yàn)方法。2013年行業(yè)亦在積極制訂承壓式搪瓷內(nèi)襯儲(chǔ)熱水箱行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)用以規(guī)范自律。隨之而來，消費(fèi)者以及行業(yè)對(duì)于地方政府監(jiān)管的呼吁之聲越來越強(qiáng)烈，急需開發(fā)建設(shè)太陽能熱水系統(tǒng)儲(chǔ)熱水箱檢驗(yàn)?zāi)芰Α? 　　2.1 標(biāo)準(zhǔn)要求 　　采用封閉式儲(chǔ)水箱的家用太陽能熱水系統(tǒng)在承受8萬次脈沖壓力試驗(yàn)后，加熱管和儲(chǔ)熱水箱應(yīng)無滲漏，貯熱水箱應(yīng)無明顯變形和開裂。 　　2.2 試驗(yàn)方法 　　將家用太陽能熱水系統(tǒng)連接到耐壓試驗(yàn)裝置上，對(duì)家用太陽能熱水系統(tǒng)注水加壓至額定工作壓力100%±5%,保持5min，檢查熱水系統(tǒng)是否有滲漏等異?，F(xiàn)象。 　　將家用太陽能熱水系統(tǒng)連接到脈沖壓力試驗(yàn)裝置上，按如下要求進(jìn)行試驗(yàn)： 　　脈動(dòng)壓力：容器內(nèi)注入環(huán)境溫度的水；排空容器內(nèi)空氣，按額定工作壓力的15%到（100%±5%）之間的數(shù)值交替對(duì)容器加壓。 　　頻率：25次/min~60次/min循環(huán)次數(shù)：8 萬次，每加壓1 萬次結(jié)束時(shí)，將壓力至少維持在額定工作壓力10min，目測容器無明顯變形，再進(jìn)行下面的循環(huán)試驗(yàn)。 　　2.3 最終檢查 　　脈沖壓力試驗(yàn)完成后目測家用太陽能熱水系統(tǒng)的貯熱水箱、輔助熱源、集熱器、集熱管、管路以及其他設(shè)備組件有無滲漏和明顯變形。 　　3 需要解決的關(guān)鍵問題 　　3.1 脈沖信號(hào)的發(fā)生方式與高低壓力控制常見的脈沖壓力試驗(yàn)裝備一般采用以下兩種脈沖信號(hào)發(fā)生方式：一是采用脈沖信號(hào)發(fā)生器的方式； 　　二是采用伺服電機(jī)配合伺服閥的方式。脈沖信號(hào)發(fā)生器的方式易于調(diào)控信號(hào)輸出，但是對(duì)于執(zhí)行部件快速響應(yīng)具有較高的要求，對(duì)于信號(hào)的反饋也比較難于隨時(shí)快速調(diào)控，因而壓力輸出波形不盡理想，但是由于操作簡便，常被用以與變頻增壓泵組合形成脈沖壓力試驗(yàn)系統(tǒng)。 　　采用伺服電機(jī)與伺服閥發(fā)生壓力脈沖的方式也是脈沖壓力試驗(yàn)系統(tǒng)常用的應(yīng)用方式，由于伺服電機(jī)可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象，使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高等特性，能由此獲得較好的壓力輸出及反饋調(diào)控。 　　但是在這種方式下，伺服閥長期處于工作狀態(tài)，幾萬次甚至十幾萬次、幾十萬次脈沖試驗(yàn)下來，伺服閥也即將磨損消耗殆盡，而伺服閥一般價(jià)格不菲，長此以往試驗(yàn)消耗就會(huì)非常大。 　　本系統(tǒng)在研制的過程中采用PLC 作為脈沖信號(hào)輸出及反饋控制源，采用西門子MM440變頻器配合格蘭富循環(huán)增壓泵作為執(zhí)行部件，PLC 及變頻器同時(shí)接受測控計(jì)算機(jī)的信號(hào)采集及指令輸出，調(diào)控過程采用預(yù)置高低壓頻率，在測試過程中運(yùn)用模糊控制反饋調(diào)整的方式進(jìn)行，經(jīng)連續(xù)測試壓力輸出狀態(tài)良好(見圖2）。 　　3.2 系統(tǒng)響應(yīng)慢 　　太陽能熱水系統(tǒng)儲(chǔ)熱水箱因容積較大且頂端帶有膨脹氣囊，進(jìn)行壓力試驗(yàn)時(shí)時(shí)間常數(shù)較大，響應(yīng)相對(duì)較慢，常規(guī)的換熱器、耐壓管等專用脈沖壓力試驗(yàn)設(shè)備用在熱水系統(tǒng)儲(chǔ)水箱上時(shí)頗為“力不從心”。因而，需要針對(duì)容積較大的儲(chǔ)水箱需重點(diǎn)解決如何使其快速升壓、快速泄壓等問題。 　　研制過程中，采用單通道增壓、雙通道減壓的方式進(jìn)行管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用大容量變頻循環(huán)增壓泵做為系統(tǒng)壓力源，升壓時(shí)變頻器拖動(dòng)的循環(huán)增壓泵快速啟動(dòng)直至達(dá)到設(shè)定壓力，泄壓時(shí)變頻器快速降頻，采用雙通道增加系統(tǒng)泄壓流通面積，從而實(shí)現(xiàn)壓力的快升與快降，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)脈沖壓力25次/min~60次/min的調(diào)節(jié)。 　　3.3 脈沖信號(hào)檢測 　　脈沖壓力試驗(yàn)過程中，采用壓力變送器可以讀取試驗(yàn)壓力，但是采用壓力信號(hào)值作為脈沖信號(hào)的檢測在操作過程中會(huì)引起一定程度的滯后。因此，選用合適的脈沖感知元件進(jìn)行信號(hào)的檢測也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中選用霍爾元件檢測每一次系統(tǒng)脈沖，在準(zhǔn)確獲知脈沖信號(hào)輸出的同時(shí)既不影響升壓也不妨礙系統(tǒng)泄壓。 　　3.4 壓力曲線記錄 　　為了直觀反映并記錄脈沖壓力試驗(yàn)過程中實(shí)際試驗(yàn)壓力的變化，繪制實(shí)時(shí)壓力曲線顯得頗為重要。采用低頻示波器可精確顯示壓力波形變化，但示波器難以記錄或難以長時(shí)間記錄壓力曲線。 　　常見的數(shù)據(jù)記錄軟件繪制實(shí)時(shí)曲線一般以秒作為時(shí)間計(jì)量單位，無法準(zhǔn)確顯示脈沖壓力試驗(yàn)過程中密集的壓力測試數(shù)據(jù)，采用ms作為計(jì)量單位時(shí)運(yùn)算量巨大，容易造成計(jì)算機(jī)運(yùn)行緩慢。本系統(tǒng)采用100ms作為數(shù)據(jù)記錄顯示單位，采用相對(duì)數(shù)據(jù)的方式，實(shí)時(shí)繪制壓力變化曲線，基本能滿足壓力波形的記錄與實(shí)時(shí)顯示（見圖3）。 　　4 結(jié)語 　　在分體式太陽能熱水系統(tǒng)快速發(fā)展進(jìn)程中，嚴(yán)格把關(guān)生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量水平對(duì)于消費(fèi)者認(rèn)知接受度的提高，對(duì)于行業(yè)健康快速發(fā)展等都是非常必要的。儲(chǔ)熱水箱作為系統(tǒng)核心部件，承擔(dān)著換熱與儲(chǔ)熱等重要職責(zé)，工作過程中既要承受自來水壓力又要承受來自于傳熱介質(zhì)的腐蝕，因此其質(zhì)量水平直接決定著整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命。 　　為有效測試水箱耐受脈沖壓力的能力水平，研制性能優(yōu)良的脈沖壓力試驗(yàn)系統(tǒng)具有非常重大的意義。本系統(tǒng)在研制過程中，利用PLC與計(jì)算機(jī)、變頻器組合的測控方式實(shí)現(xiàn)了脈沖壓力的發(fā)生及測控，有效解決了較大容量裝置脈沖壓力試驗(yàn)高低壓難以快速調(diào)控、系統(tǒng)響應(yīng)慢等技術(shù)難題，采用霍爾元件檢測脈沖信號(hào)的輸出，采用相對(duì)曲線記錄實(shí)時(shí)壓力曲線，成功實(shí)現(xiàn)了脈沖壓力信號(hào)的輸出檢測及實(shí)時(shí)曲線繪制。 　　目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于承壓式儲(chǔ)熱水箱脈沖壓力試驗(yàn)測試，在實(shí)際應(yīng)用過程中，將不斷優(yōu)化改進(jìn)，使其更能方便、快捷、高效的應(yīng)用于廣大水箱生產(chǎn)制造企業(yè)水箱測試過程中。（國家節(jié)能產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 劉華凱 李郁武 王帥 顏士峰　江蘇徐州三科電氣有限公司 朱漢武）