淺談熱泵熱水器水箱技術

摘要：在我國，隨著經(jīng)濟發(fā)展和“城鎮(zhèn)化”進程的加快，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)點而成為太陽能熱水器之后發(fā)展較快的新一代熱水器。 　　儲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（內置冷凝器）、保溫性、熱水出水率，內膽的防腐性能。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行保護、陽極鎂棒消耗后的沉浸物會影響水質使用，國內各地區(qū)水質的差異性導致鎂棒很難做好監(jiān)測和售后服務。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，我們應該抓住這個歷史機遇，大力發(fā)展不銹鋼承壓水箱，提高我們的技術實力。 　　本文就一種應用于熱泵熱水器的不銹鋼水箱的技術作詳細介紹。 　　引言 　　日前，一種應用于熱泵熱水器的內置不銹鋼盤管水箱在黃石東貝太陽能公司被研發(fā)成功，并申請了多項專利保護。 　　1、熱泵熱水器水箱簡介： 　　熱泵熱水器水箱的結構如圖1.1如示，一般由內膽組件、換熱器（冷凝器）、保溫材料、外殼四部分組成，內膽組件包含內膽、內封頭和管接頭等零件，內膽和內封頭是采用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： 　　1）采用食品級304不銹鋼材料制作，具有很強的耐腐蝕性； 　　2）內膽組件采用自動氬弧焊接，焊接過程中采取隋性氣體氬氣進行保護，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）內膽內表面經(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）內置于水箱內； 　　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，冷水進口采用分布式注水設計； 　　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： 　　2.1內膽 　　內膽是整個水箱最核心的技術。好的內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），同時在一定的環(huán)境下還必須具有很強的耐腐蝕性。 　　2.1.1耐腐蝕性介紹： 　　試驗一： 　　取兩塊相同的經(jīng)過自動氬弧焊接的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。 　　結果：經(jīng)過兩個月浸泡后觀察，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)了嚴重的銹蝕。 　　試驗二： 　　取兩塊相同的經(jīng)過自動氬弧焊接的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%的鹽水鹽霧試驗箱內進行鹽霧試驗，歷時：16h。 　　原因分析：試驗一右圖的工件未經(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保護膜，Cr2O3保護膜對于點蝕和縫隙腐蝕的發(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出現(xiàn)嚴重的氧化腐蝕。 　　改進措施：試驗一左圖是應用了東貝太陽能公司自主創(chuàng)新的“白金盾”專利技術，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鍵，整個水箱內膽制作完成后，內表面經(jīng)過了特殊的工藝處理（參考文件：不銹鋼鈍化鹽霧試驗標準ASTM/G85-1998，抗腐蝕鋼的鈍化處理QQ-P-35，不銹鋼零件的鈍化標準教程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)生產不銹鋼承壓水箱的公司，我們用心做好每一道工序，從內膽的板材來料檢測到內膽組件的1.2Mpa的壓力測試，每一道工序必須經(jīng)過嚴格的檢測和管控。SUS304不銹鋼必須是含18%鉻，9%鎳，這是基礎，產品的結構和壁厚必須按壓力容器的標準GB150-1998執(zhí)行，每一道焊接工序必須嚴格執(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；最關鍵的是所有東貝生產不銹鋼水箱必須經(jīng)過鈍化防腐處理，也是東貝公司特有的，也已經(jīng)成功申請了關鍵防腐工序的專利，在此之前查閱了大量的國內外學術資料，并實施了很多的檢驗驗證數(shù)據(jù)。 　　2.2保溫性能 　　影響儲熱水箱保溫性能的因素主要有保溫材料的導熱系數(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，導熱系數(shù)λ＜0.024w/(m.k)，閉孔率＞90以上，吸水率很小，不會因吸潮而影響導熱系數(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重要指標，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，基本上都以盤管式結構為主。從材質上分類有：銅盤管和不銹鋼盤管；從結構上分類，有內膽外盤方式和盤管置于內膽內的方式。 　　目前現(xiàn)象：市場上多見有銅盤管外盤內膽方式，但是外盤的結構存在很多的缺陷，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廠家潛意識中認為紫銅的導熱系數(shù)大，紫銅作為換熱器在任何環(huán)境下都會有很高的傳熱系數(shù)。 　　原因分析：銅盤管外盤內膽方式，盤管與內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）內的高溫制冷劑介質與低溫水通過制冷劑與內壁的強制對流換熱、管壁導熱和自然對流進行換熱，但是管內制冷劑的溫度很高，流量也很高，因此熱阻很小，基本可忽略不計，在理論計算上，我們只需考慮管壁、內膽壁的導熱和空氣自然對流進行換熱，但空氣的自然對流系數(shù)在5~25w/m2.k，熱阻較大，對整個換熱效率有很大的影響。 　　改進措施：采用不銹鋼材料作為換熱器，成本低；盤管放置在內膽內部，360度全方位水對流換熱，換熱效率高；用材少，盤管壓降??；結構簡單，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》標準中規(guī)定，熱水輸出率要求≥75%，如下表4： 　　實際現(xiàn)實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個人的熱水器，實際上第2個人還沒洗完，水就越洗越冷，第3個人根本就不能洗了。 　　原因分析：熱泵水箱都是頂水出水，由于進水管壓力較大，在進冷水時，上下層的冷熱水在不停的混水，壓力越大，冷熱水的波動就越大，本來整箱水都是熱的（50~55℃），水溫變化非常大。 　　改進措施：東貝太陽能公司在冷水進管上增加緩沖分水器，基本上保證冷熱水隔離，冷水管在進水時，不會出現(xiàn)大的波動，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： 　　熱水輸出率達到82%以上。 　　3、完美的品質來自于48年的管理和制造基因 　　東貝太陽能作為東貝集團旗下的子公司，傳承了東貝集團48年的制造和管理基因，擁有強大的研發(fā)團隊，針對新能源（熱泵、太陽能、暖通等）各個領域的需求，研制開發(fā)了多款不同種類的水箱產品。 　　東貝太陽能公司9年的不銹鋼承壓水箱制造經(jīng)驗，已經(jīng)擁有先進的生產設備。這款內置盤管熱泵水箱整合了公司多項技術，包括不銹鋼焊接和防腐技術，同時應用了“白金盾”特護內膽技術。 　　東貝太陽能憑借其領先的不銹鋼專業(yè)技術，9年市場零反還率的品質及完善的售后服務，博得了廣大消費者的好評。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)成為指定產品。