换热式承压不锈钢水箱的性能和它的应用情况

随着全国随着全国各地实施太阳能热利用认识越来越普遍，承压热利用供热系统成为市场应用的主流，换热式承压水箱作为承压热利用供热系统的关键部件，其制作的工艺发展水平和性能质量将直接影响整个承压热利用供热系统的发展水平。分析换热式承压水箱市场应用的现状，完善和优化换热式承压水箱的设计和工艺水平，对提高承压热利用供热系统的使用效果会起到积极的促进作用。

 多年来，华崛水箱已经得到政府和社会各界的认同和支持，已通过ISO9001:2000国际质量体系认证，先后获得多种荣誉：“中国不锈钢水箱十大品牌”、“用户放心质量满意产品”、“质量、信誉双保障示范单位”、“中国AAA级信用企业”······

 

换热式承压不锈钢水箱的性能和它的应用情况:　　

1换热式承压水箱的应用现状

　　目前承压热利用供热系统市场上应用的换热式承压水箱主要分为搪瓷内胆和不锈钢内胆两大类，搪瓷内胆由于在储热式电热水器上的广泛成功使用，效果较好，自然而然被其他企业在承压系统中效仿使用太阳能热利用领域，由于太阳能承压系统一般采用间接换热方式，水箱结构一般采用夹套或盘管式换热承压水箱，简单的套用储热式电热水器的直接式加热内胆结构，搪瓷内胆用于太阳能承压系统会存在先天缺陷。我们先就搪瓷内胆用于太阳能换热式承压系统存在先天缺陷进行分析：

　　1.搪瓷内胆主要由瓷层和BTC340R碳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。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，水箱内的温度和压力呈现不规则的脉冲波动远比储热式电热水器大，造成瓷层与钢板不同膨胀作用力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，搪瓷粉就会脱落，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。

　　2.由于太阳能承压系统普遍采用夹套或盘管换热式内胆结构形式，夹套内胆的狭窄夹套层和盘管式换热内胆的盘管内外表面，都无法使瓷粉均匀喷涂到内胆接触介质的表面，工艺难度可想而知，从目前前瞻的搪瓷技术来看，搪瓷层的涂覆率不可能达到100%;同时由于搪瓷内胆夹套或盘管与内胆存在烧结盲区，以及内胆制作过程中加工缝隙遗留的少量非金属夹杂物等问题，造成部分内胆或盘管瓷釉不能熟化，针孔、气泡、麟爆等瑕疵，使这些金属暴露面接触介质，经初期吸氧腐蚀后形成闭塞电池，出现加速腐蚀的最恶劣情况，大大降低内胆的防腐能力。

　　3.搪瓷内胆盘管换热器采用的是BTC340R碳钢基板搪瓷，热导系数较低，换热效率明显低于不锈钢或铜盘管换热器，太阳能吸热量的转换慢，极大影响太阳能换热承压系统运行效率。因此，一段时间内，有些厂家通过试用铜盘管换热器来提高搪瓷内胆水箱的换热效率，然而由于铜的电腐蚀和氯离子腐蚀的作用，以及使用一段时间后铜换热器出现的铜绿和结垢原因，造成采用铜换热器的搪瓷内胆水箱出现铜盘管穿孔或换热效率随着时间推移缓慢下降的问题。失败的试用，使搪瓷内胆水箱又回归到原始BTC340R碳钢基板搪瓷盘管换热器，只有通过牺牲水箱的换热效率，来提高防腐能力的结果。

　　因此，我们不得不重新审视和反思对换热式搪瓷内胆水箱应用于间接式换热太阳能承压系统的选择。

　　另一方面，不锈钢内胆水箱在太阳能间接换热式承压系统应用上，由于国内生产不锈钢内胆水箱厂家无论是企业规模、技术力量、生产设备等参差不齐，鱼龙混杂，具备相当规模和技术雄厚的企业更是屈指可数。简单的认为不锈钢材料具备防腐能力，焊接后的不锈钢水箱也一样具备同等防腐能力。其实不然，不锈钢在进行热加工焊接后，虽然采用氩弧气体保护焊接，但有些焊缝处的材质，已改变其原有的金相组织结构，防腐功能出现下降，不乏出现使用时间不长，即发生水箱漏水的现象，对不锈钢水箱的市场应用造成不良的影响。然而，作为不锈钢换热承压水箱的代表黄石东贝公司，自2005年研发、生产、销售开始，秉承东贝四十多年的专业制造，通过对材料自身结构、焊接原理、化学因果规律等方面进行深入的研究分析，采取不锈钢焊接后的表面处理工艺，此项措施已申请国家发明专利(201210282955.1)，很好地解决不锈钢内胆承压水箱腐蚀和漏水的问题，不锈钢内胆换热水箱重新得到市场的认识，不锈钢内胆换热承压水箱的市场需求出现快速增长的态势。

　　2实现不锈钢水箱换热式承压水箱性能指标提升的优化方法

　　不锈钢换热式承压水箱一般采用食品级高含镍304-2B不锈钢氩弧气体保护焊接而成，再经过表面防腐处理后，具有承压、耐腐蚀、换热效率高，温度和压力巨变适应性好的特性。我们可通过对不锈钢换热承压水箱设计和工艺的优化方法，使其性能指标满足太阳能换热承压系统的应用需求。

　　2.1不锈钢内胆水箱防腐的关键措施

　　不锈钢换热承压水箱内胆一般采用304不锈钢材或者316L不锈钢材料制作，材料本身具有一定防腐功能，在焊接制作过程中，虽然采用氩气保护焊接设备，但焊接本身就是一个金属金相组织变化及抗电化学腐蚀的极其复杂而高难度的技术工艺过程，不可能完全保证不锈钢材料经过高温焊接后，焊缝处材质不会出现变化。因此、在内胆组件焊接完毕后，对不锈钢换热承压水箱内胆再次进行防腐处理是必然的。通过水箱内胆表面金属化学液表面特殊处理，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。如图1，将2件304不锈钢同等焊接工件，其中一件焊接后采取表面特殊处理，另一件未采取防腐表面处理，经过5%盐雾试验，在试验30天后，左边的焊接后未作防腐表面特殊处理不锈钢工件就出现锈蚀。

　　2.2换热效率提高

　　由于太阳能供热系统中的换热过程，基本都是无相变的对流换热过程，主要通过增大换热面积、加大流体与换热面的传热温差、提高表面换热系数三个方面考虑，进行优化设计，达到提高水箱换热效率的目的。图2所示，不锈钢夹套承压水箱采用叠层夹套双核内胆，将换热内胆设计成狭窄换热空间，可在一定比例换热路径、小流量定压条件下，可保持流体较好流速，使流体在换热过程中流层变薄，换热系数得到加大，取得较高传热效率。

　　不锈钢盘管换热式承压水箱采用螺旋上升盘管换热器，设计中需要根据水箱内胆直径、容水量、水温综合考虑换热器的大小、形状。通过对盘管管径、螺旋上升角度、换热盘管之间的螺距、盘管与内胆的间隙匹配和选择。在确定一定流动阻力条件下，尽可能提高盘管内循环介质流速和二次环流，加强盘管外的换热状态由稳态向紊态趋势的改变，从加大而换热系数、获得较高的传热效率。

　　同时，由于水箱内冷水加热时，液体流动方向会由下向上运动，必须将水箱一次换热进出接口设计成逆流循环换热方式，热流体介质由换热器上部流入，再由换热器下部流出，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。

　　2.3水箱热水输出率满足使用要求

　　水箱容水量必须符合标称要求，设计时必须剔除换热器及部件所占水箱容积，一般取水箱容积的正偏差范围。注意消除水箱换热冷水区，图3所示：设计时换热器换热范围必须涉及到底部水箱端盖容水部位，一般在冷水分水器进水口位置。

　　同时还要考虑水箱具有温度梯度分层，图3所示：设计中必须考虑水箱用水使用过程中的水箱内水的温度梯度问题，冷水进水端必须安装水流分水器，保持进水的均匀和缓慢，进水分水器尽可能接近水箱底部;出水口同样也必须安装出水汇流器，保持水流平稳，不出现漩涡和搅拌现象，出水汇流器尽可能接近水箱顶部。

　　2.4降低24小时固有损耗

　　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。

　　首先，保温材料的选择，目前水箱保温材料一般采用聚氨酯发泡剂，但质量会有参差不齐，采用进口陶氏环保聚氨酯发泡剂是符合保温性能需求的。

　　其次，保温层厚度确定，必须根据水箱容积大小，按保温效果线性计算方法，确定适宜的保温层厚度，一般取计算厚度的1.05倍。

　　第三，聚氨酯发泡必须采用恒温恒压整体发泡而成，保温层致密度要达到36kg/m³以上。

　　2.5水箱承压强度的保证

　　依据不锈钢水箱的结构、容积和承压的强度，核算水箱桶身和封头端盖的板厚，在制作工艺上确保水箱的板材、端盖、管件实现自动焊接，排除人为因素，保证水箱整体强度要求。水箱承压强度的测试采用压力脉冲测试和静态压力测试结合方式，压力脉冲测试国内分为四个等级最低8万次、最高16万次;静态压力测试为1.5倍工作压力;目前水箱强度最高标准是通过澳洲Water-Mark认证的250000次的脉冲测试。

　　3不锈钢换热式承压水箱检测指标

 

 

　　目前换热式承压水箱性能指标可根据不同用途，按储水式电热水器(GB/T20289-2006),家用和类似用途热泵热水器(GB/T23137-2008)和家用太阳热水器储箱(NY514-2002)标准来执行，各地实施太阳能热利用认识越来越普遍，承压热利用供热系统成为市场应用的主流，换热式承压水箱作为承压热利用供热系统的关键部件，其制作的工艺发展水平和性能质量将直接影响整个承压热利用供热系统的发展水平。分析换热式承压水箱市场应用的现状，完善和优化换热式承压水箱的设计和工艺水平，对提高承压热利用供热系统的使用效果会起到积极的促进作用。

　　1换热式承压水箱的应用现状

　　目前承压热利用供热系统市场上应用的换热式承压水箱主要分为搪瓷内胆和不锈钢内胆两大类，搪瓷内胆由于在储热式电热水器上的广泛成功使用，效果较好，自然而然被其他企业在承压系统中效仿使用太阳能热利用领域，由于太阳能承压系统一般采用间接换热方式，水箱结构一般采用夹套或盘管式换热承压水箱，简单的套用储热式电热水器的直接式加热内胆结构，搪瓷内胆用于太阳能承压系统会存在先天缺陷。我们先就搪瓷内胆用于太阳能换热式承压系统存在先天缺陷进行分析：

　　1.搪瓷内胆主要由瓷层和BTC340R碳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。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，水箱内的温度和压力呈现不规则的脉冲波动远比储热式电热水器大，造成瓷层与钢板不同膨胀作用力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，搪瓷粉就会脱落，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。

　　2.由于太阳能承压系统普遍采用夹套或盘管换热式内胆结构形式，夹套内胆的狭窄夹套层和盘管式换热内胆的盘管内外表面，都无法使瓷粉均匀喷涂到内胆接触介质的表面，工艺难度可想而知，从目前前瞻的搪瓷技术来看，搪瓷层的涂覆率不可能达到100%;同时由于搪瓷内胆夹套或盘管与内胆存在烧结盲区，以及内胆制作过程中加工缝隙遗留的少量非金属夹杂物等问题，造成部分内胆或盘管瓷釉不能熟化，针孔、气泡、麟爆等瑕疵，使这些金属暴露面接触介质，经初期吸氧腐蚀后形成闭塞电池，出现加速腐蚀的最恶劣情况，大大降低内胆的防腐能力。

　　3.搪瓷内胆盘管换热器采用的是BTC340R碳钢基板搪瓷，热导系数较低，换热效率明显低于不锈钢或铜盘管换热器，太阳能吸热量的转换慢，极大影响太阳能换热承压系统运行效率。因此，一段时间内，有些厂家通过试用铜盘管换热器来提高搪瓷内胆水箱的换热效率，然而由于铜的电腐蚀和氯离子腐蚀的作用，以及使用一段时间后铜换热器出现的铜绿和结垢原因，造成采用铜换热器的搪瓷内胆水箱出现铜盘管穿孔或换热效率随着时间推移缓慢下降的问题。失败的试用，使搪瓷内胆水箱又回归到原始BTC340R碳钢基板搪瓷盘管换热器，只有通过牺牲水箱的换热效率，来提高防腐能力的结果。

　　因此，我们不得不重新审视和反思对换热式搪瓷内胆水箱应用于间接式换热太阳能承压系统的选择。

　　另一方面，不锈钢内胆水箱在太阳能间接换热式承压系统应用上，由于国内生产不锈钢内胆水箱厂家无论是企业规模、技术力量、生产设备等参差不齐，鱼龙混杂，具备相当规模和技术雄厚的企业更是屈指可数。简单的认为不锈钢材料具备防腐能力，焊接后的不锈钢水箱也一样具备同等防腐能力。其实不然，不锈钢在进行热加工焊接后，虽然采用氩弧气体保护焊接，但有些焊缝处的材质，已改变其原有的金相组织结构，防腐功能出现下降，不乏出现使用时间不长，即发生水箱漏水的现象，对不锈钢水箱的市场应用造成不良的影响。然而，作为不锈钢换热承压水箱的代表黄石东贝公司，自2005年研发、生产、销售开始，秉承东贝四十多年的专业制造，通过对材料自身结构、焊接原理、化学因果规律等方面进行深入的研究分析，采取不锈钢焊接后的表面处理工艺，此项措施已申请国家发明专利(201210282955.1)，很好地解决不锈钢内胆承压水箱腐蚀和漏水的问题，不锈钢内胆换热水箱重新得到市场的认识，不锈钢内胆换热承压水箱的市场需求出现快速增长的态势。

　　2实现不锈钢换热式承压水箱性能指标提升的优化方法

　　不锈钢换热式承压水箱一般采用食品级高含镍304-2B不锈钢氩弧气体保护焊接而成，再经过表面防腐处理后，具有承压、耐腐蚀、换热效率高，温度和压力巨变适应性好的特性。我们可通过对不锈钢换热承压水箱设计和工艺的优化方法，使其性能指标满足太阳能换热承压系统的应用需求。

　　2.1不锈钢内胆水箱防腐的关键措施

　　不锈钢换热承压水箱内胆一般采用304不锈钢材或者316L不锈钢材料制作，材料本身具有一定防腐功能，在焊接制作过程中，虽然采用氩气保护焊接设备，但焊接本身就是一个金属金相组织变化及抗电化学腐蚀的极其复杂而高难度的技术工艺过程，不可能完全保证不锈钢材料经过高温焊接后，焊缝处材质不会出现变化。因此、在内胆组件焊接完毕后，对不锈钢换热承压水箱内胆再次进行防腐处理是必然的。通过水箱内胆表面金属化学液表面特殊处理，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。如图1，将2件304不锈钢同等焊接工件，其中一件焊接后采取表面特殊处理，另一件未采取防腐表面处理，经过5%盐雾试验，在试验30天后，左边的焊接后未作防腐表面特殊处理不锈钢工件就出现锈蚀。

　　2.2换热效率提高

　　由于太阳能供热系统中的换热过程，基本都是无相变的对流换热过程，主要通过增大换热面积、加大流体与换热面的传热温差、提高表面换热系数三个方面考虑，进行优化设计，达到提高水箱换热效率的目的。图2所示，不锈钢夹套承压水箱采用叠层夹套双核内胆，将换热内胆设计成狭窄换热空间，可在一定比例换热路径、小流量定压条件下，可保持流体较好流速，使流体在换热过程中流层变薄，换热系数得到加大，取得较高传热效率。

　　不锈钢盘管换热式承压水箱采用螺旋上升盘管换热器，设计中需要根据水箱内胆直径、容水量、水温综合考虑换热器的大小、形状。通过对盘管管径、螺旋上升角度、换热盘管之间的螺距、盘管与内胆的间隙匹配和选择。在确定一定流动阻力条件下，尽可能提高盘管内循环介质流速和二次环流，加强盘管外的换热状态由稳态向紊态趋势的改变，从加大而换热系数、获得较高的传热效率。

　　同时，由于水箱内冷水加热时，液体流动方向会由下向上运动，必须将水箱一次换热进出接口设计成逆流循环换热方式，热流体介质由换热器上部流入，再由换热器下部流出，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。

　　2.3水箱热水输出率满足使用要求

　　水箱容水量必须符合标称要求，设计时必须剔除换热器及部件所占水箱容积，一般取水箱容积的正偏差范围。注意消除水箱换热冷水区，图3所示：设计时换热器换热范围必须涉及到底部水箱端盖容水部位，一般在冷水分水器进水口位置。

　　同时还要考虑水箱具有温度梯度分层，图3所示：设计中必须考虑水箱用水使用过程中的水箱内水的温度梯度问题，冷水进水端必须安装水流分水器，保持进水的均匀和缓慢，进水分水器尽可能接近水箱底部;出水口同样也必须安装出水汇流器，保持水流平稳，不出现漩涡和搅拌现象，出水汇流器尽可能接近水箱顶部。

　　2.4降低24小时固有损耗

　　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。

　　首先，保温材料的选择，目前水箱保温材料一般采用聚氨酯发泡剂，但质量会有参差不齐，采用进口陶氏环保聚氨酯发泡剂是符合保温性能需求的。

　　其次，保温层厚度确定，必须根据水箱容积大小，按保温效果线性计算方法，确定适宜的保温层厚度，一般取计算厚度的1.05倍。

　　第三，聚氨酯发泡必须采用恒温恒压整体发泡而成，保温层致密度要达到36kg/m³以上。

　　2.5水箱承压强度的保证

　　依据不锈钢水箱的结构、容积和承压的强度，核算水箱桶身和封头端盖的板厚，在制作工艺上确保水箱的板材、端盖、管件实现自动焊接，排除人为因素，保证水箱整体强度要求。水箱承压强度的测试采用压力脉冲测试和静态压力测试结合方式，压力脉冲测试国内分为四个等级最低8万次、最高16万次;静态压力测试为1.5倍工作压力;目前水箱强度最高标准是通过澳洲Water-Mark认证的250000次的脉冲测试。

　　3不锈钢换热式承压水箱检测指标

　　目前换热式承压水箱性能指标可根据不同用途，按储水式电热水器(GB/T20289-2006),家用和类似用途热泵热水器(GB/T23137-2008)和家用太阳热水器储箱(NY514-2002)标准来执行，