蓄能双核不锈钢承压水箱的研究及应用

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1、蓄能双核不锈钢承压水箱的研究及应用引言 随着全国各地实施太阳能应用与建筑物结合步伐的加快，各种强制性适合本地区资源条件及建筑利用条件的可再生能源技术推广。地方政府、开发商、太阳能企业积极性被极大启动，一批批大的工程项目陆续实施，特别是房地产中高层住宅建筑采用阳台壁挂式太阳能热水系统，作为热水来源主要使用形式已被广泛采用。而一套高效、安全、可靠的热水系统不仅需要高效太阳能集热技术作为支撑，更需要高效换热的蓄热设备作为质量和品质的保证。由于阳台壁挂式太阳能热水系统在中高层建筑应用中太阳能集热受到一定条件的限制，要想整体提高阳台壁挂式太阳能热水系统能效等级指标，这就要求阳台壁挂式太阳能热水系统的储热

2、设备除了具有应有储热功能外，更应具备高效换热功能，最大限度地快速将太阳能转换成热能储存起来。经过对影响换热效果途径的研究分析，通过改变水箱换热层结构设计而制作的新型蓄能双核不锈钢承压水箱 ，换热效率比目前市场采用的普通储热水箱的提高 26%，并整体提升阳台壁挂太阳能热水系统能效指标 10%，为阳台壁挂式太阳能热水系统在中高层建筑中应用创造巨大发展空间。 1、换热效率是蓄能双核不锈钢承压水箱设计的核心思想 目前我们研究的阳台壁挂太阳能热水系统储热设备的换热过程，基本上都是无相变的对流换热过程，即吸收太阳能热量的高温流体流过换热固体表面时，由于两者的温度的不同而发生热量的传递，在此过程中流体没有发

3、生相变（凝结和沸腾），只是单相流体。根据牛顿冷却基本计算式 =hAt 可知：增大换热面积 A、加大流体与壁面的传热温差t 以及提高表面换热系数 h 都会起到强化换热的效果。在强化换热的效果过程中，增大换热面积 A、加大流体与壁面的传热温差 t 是比较容易确定的，而反映换热强弱的表面换热系数 h 值，因受多种因素影响则难以确定。 蓄能双核不锈钢承压水箱核心思想便是如何能够大幅提升换热效率。在蓄能双核不锈钢承压水箱设计过程中，始终坚持强化水箱换热的思路，尽可能通过增大换热面积 A、加大流体与换热面的传热温差 t、提高表面换热系数 h 等强化换热的措施，来实现水箱换热效率的大幅提升。 蓄能双核不锈钢

4、承压水箱主要由蓄热内胆（1）、环绕蓄热内胆外壁面套焊成狭窄换热空间的集热内胆（2）、换热循环管道进出接口（5）（6）、冷热水分层进出水管道接口（8）、水箱保温层、水箱外胆、电辅加热及控制附件等组成。在水箱结构上采用叠层夹套双核内胆，设计中把蓄能双核不锈钢承压水箱蓄热内胆换热面由光滑面滚压成螺旋上升槽型换热面(4),不仅扩展整个水箱的换热面积 35%，同时因换热面形状、大小、位置的变化，换热过程中螺旋上升槽型换热面强迫流体在向前运动过程中会连续地改变方向,在横截面上引起二次环流,可在较低的雷诺数下产生湍流,起到强化换热作用。 同时，将蓄能双核不锈钢承压水箱集热内胆设计成狭窄换热空间，一方面可在一

5、定比例换热路径、小流量定压条件下，可保持流体较好流速，取得较高传热效率；另一方面也可以使流体在换热过程中流层变薄，传热系数进一步加大。 由于水箱蓄热内胆内冷水加热时液体流动方向是由下向上运动，将水箱换热进出管道设计成 180 度逆流循环换热方式，热流体介质由换热壁面上部流入，经过 180 度换热通道，再由换热壁面下部流出，在同样流体进出温度情况下，冷热流体平均温差是最大的，起到强化换热的作用。 通过以上对水箱换热结构设计改变的不同途径和方法，可实现水箱整体换热效果的大幅提升 26%，凸显蓄能双核不锈钢承压水箱所具有的能效性。 2、蓄能双核不锈钢承压水箱提升质量品质的技术创新措施 蓄能双核不锈钢

6、承压水箱不仅具有高效换热的性能优势，还具有高质量品质的技术保证。影响换热水箱质量品质因素有很多，主要包括水箱使用一段时间后是否有漏水现象、水箱强度是否满足高温高压的运行要求、水箱是否保温节能、水箱使用是否方便等。分析影响换热水箱质量品质好坏的因素，首先需要解决的是制作换热水箱材料的选择。目前市场上换热水箱主要分为搪瓷内胆和不锈钢内胆两大类，搪瓷内胆主要由瓷层和碳钢钢板两种膨胀系数差别很大的材料组成，瓷层主要是起防腐作用，在使用水温 75和较稳定的压力状况下，瓷层与钢板不同膨胀作用力一般都小于瓷层与钢板间的附着力，不会出现脱瓷和裂纹现象，因而使用温度不超过 75的电热水器内胆基本都采用搪瓷内胆。

7、但在太阳能利用系统中，由于太阳能热量的吸收，能使换热水箱温度达到 100以上，温度和压力呈现不规则的脉冲波动，造成瓷层与钢板不同膨胀作用力可能大于瓷层与钢板间的附着力，在冷热交替过程中搪瓷表面就会出现裂纹，瓷粉就会脱落，瓷层防腐功能就会失去作用，水箱基板碳钢就会腐蚀出现漏水现象。何况应用于阳台壁挂热水系统的蓄能双核换热承压水箱要在 5mm 狭窄的空间内，使瓷粉均匀喷涂到每个部位，工艺难度可想而知，搪瓷的质量无法得到保证。因此，在高温高压非稳定工况的太阳能热水系统中，换热承压水箱制作材料建议采用具有一定防腐功能、且易成型易焊接的食品级 304 不锈钢材料制作，在水质氯离子含量较高地区，可选用 3

8、16L 不锈钢材料。根据水箱的设计结构，通过选用材料的强度计算，确定水箱板材厚度，并在结构工艺上确保水箱的板材、端盖、管件能自动焊接，排除人为因素，保证了水箱整体强度要求。由 304 不锈钢材料制作的蓄能双核不锈钢承压水箱，在最大工作压力的 15%到 100%之间的压力循环 250000 次后，水箱无渗漏、无变形。 其次，蓄能双核不锈钢承压水箱不仅材料上选择使用了能适应在太阳能热水系统中应用的不锈钢材料，同时在水箱防腐技术上也使用多重保护措施。在水箱焊接结构设计中，水箱内胆组件焊接可全部采用氩气保护焊接，最大限度防止不锈钢材料在焊接过程中出现材质的变化。为防止焊接可能对材质防腐功能造成的影响，

9、在内胆组件焊接完毕后，蓄能双核不锈钢承压水箱在严格的工艺标准指导下，必须经过配置的金属化学液进行水箱表面钝化处理，在水箱表面生成一种非常薄的、致密的、覆盖性能良好的、能坚固地附在金属表面上的富铬钝化膜，这种富铬钝化膜电位可高达+1.0V，接近贵金属电位；并形成多层CrO3 或 Cr2O3 结构，把金属与腐蚀介质完全隔开的作用，防止金属与腐蚀介质直接接触，使金属基本停止溶解，形成钝态达到防止腐蚀的效果。不锈钢水箱在金属钝化处理后的耐盐雾测试比未经处理的不锈钢水箱提高 20 倍，在蓝点法检测时，35 秒以上未出现蓝点。同时蓄能双核不锈钢承压水箱还采取牺牲阳极法阴极保护措施，在水箱配置一根棒状镁棒作

10、为阳极，把水箱金属内胆当作阴极，这样阴极与阳极之间通过导电的水介质，形成一个原电池。电池的阳极镁棒受腐蚀而自身消耗，而阴极内胆便受到保护，起到绝缘和防腐蚀作用。 第三，节能、舒适、便捷、方便是蓄能双核不锈钢承压水箱始终坚持的人性化设计理念。蓄能是水箱最基本的功能，如何防止水箱吸收储存的热量不散失，是水箱体现节能的重要环节。经过水箱节能保温效果线性计算，80-120 升水箱要达到很好节能效果，保温层厚度应不低于 50mm。蓄能双核不锈钢承压水箱保温层设计为 52mm，采用环保聚氨酯发泡剂，经过恒温恒压整体发泡而成，致密度达到 36kg/m3,经检测水箱 24 小时固有损耗为1.2KWh，水箱能效

11、等级达到 A 级。承压热水箱的用水方式一般采用边用热水边进冷水，在水箱结构设计上处理不好，易出现冷热混水现象，造成用户用水水温不稳，水箱出水率极低。蓄能双核不锈钢承压水箱在冷水进口安装冷水缓冲分水器，改变冷水流动路线方向，阻挡冷水与热水的混合，在水箱内形成冷热水分层，最大限度提高水箱热水利用率。为方便水箱在施工中安装，蓄能双核不锈钢承压水箱配置有多功能快捷式安装构件，与建筑材料模数比例贴合式设计，无需特殊工具，即可快捷完成与建筑物完美安装。同时水箱配置的智能控制器，即可与水箱嵌入式结合在一起，也可根据用户安装位置与水箱分离式安装，液晶显示屏，显示直观，一键式操作，控制精确，操作简单方便，各种保

12、护措施有效融合，安全无忧。 3、蓄能双核不锈钢承压水箱的应用及测试 蓄能双核不锈钢承压水箱是针对中高层住宅建筑采用阳台壁挂式太阳能热水系统应用而研发的一款新型换热水箱，采用叠层夹套双核内胆结构，双核夹层与太阳能集热器直接连接，生活用水与吸热循环介质完全隔开。太阳能集热器与蓄热水箱热交换不需外加任何动力，根据循环介质不同温度密度差热虹吸作用自然循环，即集热器吸收太阳能高温介质与夹套换热水箱内低温循环介质自然循环流动起来，并通过夹套生活水箱内壁的传导实现热交换。蓄能双核不锈钢承压水箱应用示意原理图如下： 根据以上安装方式，我们将蓄热双核不锈钢承压水箱和市场上知名品牌搪瓷双舱承压水箱配置同规格型号平

13、板集热器进行热水系统能效等级对比测试。 日有用得热量 q 测试基本条件： 日太阳辐照量 H16MJ/m2，蓄热水箱内水温：tb=（20.01.0），环境温度 8tad35，环境空气的流动速率 4m/s； 水箱容量 100L；配置 1 块平板集热器 1.84m2； 在经过正午前 4 小时到正午后 4 小时共 8 小时测试后，太阳累计辐照量为17.89MJ（d.m2)；水箱的温升曲线如图（1）所示，根据日有用得热量计算式可知： q=wVSCpw(te-tb)/1000AC- q日有用得热量 MJ/m2； r水的密度,1kg/L； s水箱容量 L； pW水的定压比热容，4.186KJ/（kg.c）；

14、 te储水箱内水的终止温度（）； tb水的初始温度()； Ac采光面积 m2； 试数据代入公式计算得出图（1）： 图（1） 蓄热双核不锈钢承压水箱热水系统日有用得热量 q 值为 7.9MJ/m2； 搪瓷双舱承压水箱热水系统日有用得热量 q 值为 7.3MJ/m2； 换算成成太阳能辐照量 17MJ（d.m2)时的日有用得热量为： q17=17q/H- 由于在 8 小时测试过程中，太阳能累计辐照量 17.79MJ（d.m2)，将 17.79 代入式（2）可得： 配置蓄热双核不锈钢承压水箱热水系统日有用得热量 q17 值为 7.51MJ/m2； 配置搪瓷双舱承压水箱热水系统日有用得热量 q17 值为

15、 6.97MJ/m2； 以上测试都符合家用分体双回路太阳能热水系统热性能 6.6MJ/m2 要求。同时可以看出配置蓄热双核不锈钢承压水箱热水系统比配置搪瓷双舱承压水箱热水系统的日有用得热量明显提高 10%左右。 平均热损因素 USL 测试基本条件： 蓄热水箱内水温：取 tb=（551.0），环境温度 8tad35，环境空气的流动速率 4m/s； 水箱容量 100L；配置 1 块平板集热器 1.84m2； 在经过当天晚上 8 点到第二天早晨 6 点共 10 小时测试后，水箱的温降曲线，如图（2）所示，根据平均热损因素 USL 计算式可知： -（3） USL:平均热损因素（W/m3.K)； w：水

16、的密度（kg/m3)； Cpw：水的比热容 4.186KJ/（kg.c）； ：时间间隔(S)； ti:水箱内初始温度（）； tf:水箱内最终温度（）； tas(av):环境空气温度（）； 将测试数据代入公式计算得出图（2）： 图（2） 配置蓄热双核不锈钢承压水箱热水系统平均热损因素值 USL 为 11.8（W/m3.K)； 配置搪瓷双舱承压水箱热水系统平均热损因素值 USL 为 12.7（W/m3.K)； 家用太阳能热水系统能效系数可按下式求得： CTP=QS(e)/QS(m)-Usl(e)/Usl(M)-（4） 其中：QS(e)：试验条件下测得日有用得热量 MJ/m2； QS(m)：家用分体双回路规定日有用得热量最小值