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太阳能资讯:浅析承压搪瓷储热水箱换热技术

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发表于 2018-9-2 13:16:19 |显示全部楼层
  摘要 目前,承压搪瓷储热水箱被广泛应用于太阳能阳台壁挂系统、集分系统、多能源系统等各种热水、供暖系统,集储热、换热功能于一体。本文将从搪瓷储热水箱的换热技术来进行分析,说明不同系统所应用的夹套、胆中胆、盘管等换热技术的特点和市场应用前景。
  随着中国太阳能热利用工程市场的兴起,人们对于舒适生活热水的需求越来越高,承压搪瓷储热水箱被广泛应用于太阳能阳台壁挂系统、集分系统、多能源系统等各种热水,集储热、换热功能于一体。目前,搪瓷承压储热水箱的主要换热技术有夹套、胆中胆以及盘管3大系列,其中夹套搪瓷储热水箱被广泛应用于太阳能阳台壁挂自然循环系统,胆中胆如波纹胆、子弹头、大弹头等换热方式的承压搪瓷储热水箱被应用于集分式太阳能热水系统,而盘管应用范围更广,主要应用于多能源集成系统、空气能热水。不同的应用系统应选择不同的换热技术和换热器,一般情况下,系统技术工程师会从换热器的换热效率、系统的整体防腐以及安全性三大方面来考虑使用何种换热技术和换热器。
  所谓的夹套,当初是根据换热器技术结构而命名的,夹套是双层钢板之间的夹层,通过嵌套式而形成夹套空间,这个夹套密闭空间灌上换热介质就形成了一个完整的换热器,其功能就是通过换热介质将集热器中吸收的热量转移到水箱内的水中。夹套换热结构示意如图1所示。
  夹套换热是一个内胆外壁包围式换热空间,其换热面积很大,即使使用自然循环形式换热效率依然很高。另外,由于换热工质加热后会不断膨胀,占用夹套空间,对内胆形成挤压,因此一般情况下,工程师都会在结构方面考虑预设膨胀空间。但是夹套换热技术结构也有其弊端,一般而言搪瓷储热水箱内胆直径都在300mm以上,加工过程又不可能将内胆筒体卷成正圆,当压力达到一定值时,夹套层之间的压力会挤瘪内胆,造成夹套层耐压能力很弱。所以有人提出夹套内胆搪瓷水箱不适合做集中集热分户储热系统。而且夹套换热搪瓷储热水箱所应用的自然循环太阳能阳台壁挂系统对集热器、水箱安装位置、管路排布都有要求限制,应用范围相对较窄。
  夹套换热的结构特点决定了其应用领域的局限,目前市场上大部分的夹套换热搪瓷储热水箱都应用于太阳能阳台壁挂系统,可自然循环也可以使用小型外置泵,除了阳台壁挂系统,当前夹套换热搪瓷储热水箱也应用于平板承压一体机,这种系统主要适用于单体独栋建筑类的低层建筑。
  夹套换热搪瓷储热水箱对水箱的换热结构、膨胀空间设置以及抗负压能力有着比较高的要求。针对这三点,分析市面上一些夹套换热搪瓷储热水箱的问题。
  第一,很多厂家的夹套换热搪瓷储热水箱为半夹套式换热器,即在内胆筒身上部分覆盖夹套换热。其弊端为:换热面积小、膨胀空间不足、水箱底部水加不热。
  第二,系统使用玻璃真空管集热器,闷晒介质温度过高而气化,液体气化体积膨胀200倍,而系统没有安装泄压阀,造成介质管路压力过高,挤瘪内胆(内胆可靠运行负压≤0.15Mpa)。
  第三,一些厂家采用内胆筒体滚筋的办法。在筒体上滚筋目的是增强内胆的抗负压能力。虽然抗负压能力加强了,但是内胆额定工作压力下降了。原本内胆设计需要内胆刚度越强越好,但是滚筋将内胆筒体变为一个弹性结构,违背承压水箱的设计原理。
  胆中胆换热即为太阳能搪瓷储热水箱内胆内部所设计的另一个小内胆,这个小内胆就用作热交换,因为是内胆中的一个小内胆,所以才称为胆中胆换热。胆中胆换热搪瓷储热水箱按照小内胆材质来分有两类:不锈钢换热内胆搪瓷储热水箱和搪瓷换热内胆储热水箱;而按照小内胆的具体结构样式来分,又有好几种:波纹胆搪瓷储热水箱、子弹头搪瓷储热水箱、双弹头搪瓷储热水箱以及翅片搪瓷储热水箱等。
  胆中胆系列换热器耐受内压和负压的能力都比较强,而且简单易实现,成本低,被一些企业用于太阳能阳台壁挂自然循环系统和集中分户系统。经过反复试验中发现,换热效率和水箱结构是两大技术难点。一方面,胆中胆系列换热器换热面积普遍不大,市场上很多100L水箱配置换热面积不足0.3m2;另一方面,换热胆与内胆结合方式不合理,换热内胆管接口与内胆结合方式在耐受压力脉冲时局部部位容易出现撕裂漏水。因此,迈能工程师尝试使用盘管换热来替代胆中胆,并由此研制发明了另一种换热方式——侧循环塔式盘管换热搪瓷储热水箱。 塔式盘管换热器局部示意如图2所示。
  胆中胆换热搪瓷储热水箱普遍耐压能力强,适用于集分系统,而侧循环塔式盘管搪瓷储热水箱攻克卧式搪瓷盘管气堵技术难题,突破传统胆中胆换热效率低等技术瓶颈,近年来逐步替代翅片、子弹头等一些胆中胆换热搪瓷储热水箱,成为集中集热分户储热系统的最佳选择。
  盘管都其结构形式是有规律盘错的呈螺旋状的管道。而应用在搪瓷储热水箱中的盘管按照结构样式来分有3大类,一类是塔式盘管,其呈不规则的螺旋状,立体形状像塔结构,因此取名塔式盘管;第二类是单盘管,立体形状一般为规则的圆柱形;第三类为多盘管,立体形状也为规则的圆柱形,一般为双盘管。
  盘管换热是当前最被市场所接受的换热形式。盘管换热面积大,工质管道流动距离远,换热充分。盘管可以根据需求绕制成不同的形状、大小,可以根据应用环境设置不同大小的管径、盘管之间的间距,而且盘管耐压能力强,适合强制循环分体系统,能够满足很多系统的应用需求。
  搪瓷盘管的材料和表面附着搪瓷导热系数确实低于铜材的盘管,但是在实际产品中可以发现,搪瓷盘管往往做的较大较长,换热面积要比铜盘管大很多。另外搪瓷盘管的通径也比铜盘管的大很多,循环工质的流量也要大。最终影响换热效率的有循环工质与使用水的温差、工质流量、换热面积、传热系数。单单的谈传热系数是不能完全说明问题的。如表1所示,显示了不同条件下的换热功率。太阳能远远达不到这样的功率,所以大可不必怀疑搪瓷盘管的换热效率。
  搪瓷盘管表面搪瓷了,做到了防腐。那么铜盘管表面也做一些特殊的防腐处理来保证盘管的寿命。其实这是一个非常大的误区,铜盘管安装在搪瓷内胆里面,铜盘管是不会发生腐蚀的,无需进行表面处理。真正的问题是,因为有了铜盘管,会加快内胆的腐蚀,影响到搪瓷内胆的使用寿命。
  第一,盘管与内胆最好使用相同材质。因为材质不同盘管与内胆没有做成电绝缘,会产生金属原电池反应(电化学反应)倾向性的快速腐蚀其中一种金属,造成泄漏。表现特别明显的就是不锈钢内胆铜盘管的水箱,2年内漏水率非常高;
  第二,盘管换热面积与集热面积不匹配。由于减小换热面积可以比较大的降低水箱成本,为迎合低价竞标需求认为减少盘管配置降低了水箱的换热性能;
  第三,预先考虑盘管气堵问题。盘管的放置和绕制没有考虑盘管排气问题,造成微气泡进入盘管不能被排出来,造成循环阻力变大;
  第四,盘管通径一定要根据系统来选配。大功率的换热需要介质大流量的通径,换热面积满足的情况下,通径不足,造成流量限制,换热功率不够。
  除以上所述的搪瓷储热水箱换热形式以外,目前市场上还有外置盘管、微通道等换热形式,这些都主要应用于空气源领域。
  空气源热水器市场发展历史不是很长,但由于其具备节能、安全、使用方便等突出性能特点,在市场颇受欢迎。空气源热水器利用逆卡诺原理,使用压缩机将空气中的热量搬运转移到水箱中的水。这个热量搬运转移过程其实也是一个转换和换热过程。空气源热水器也通过介质进行换热,介质主要换热点就是盘管、微通道等换热器。
  空气能热水器以前多用内置式盘管(有铜盘管,也有不锈钢盘管),这种换热技术成本低、换热效率高,但是腐蚀是其致命的缺陷,至今较少解决办法,很多内置盘管空气能搪瓷储热水箱的抗震、防腐、防结垢问题其实并没有得到根本性的解决。
  因此,现阶段,空气源热水器最佳的换热方式为外置式换热。经过不断的探索研究,目前已经形成外置铜盘管、外置铝管以及微通道3大换热方式
  不同的应用环境和应用需求决定了使用什么样的换热技术和换热方式,因此,我们在选配搪瓷储热水箱时一定要充分考虑应用的条件。搪瓷储热水箱在进行研制开发时也必须以市场实际需求为准,量身定制,提供完整的解决方案,否则就有可能在防腐、安全等方面造成各种问题。更多资讯请关注太阳能产业资讯杂志官微获取。
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