不锈钢内胆换热式承压水箱在太阳能供热系统中的应用及性能研究
来源：太阳能工程
0引言
国家发改委和住建部近期出台的《绿色建筑行动方案》，是在新的发展形势下从国家层面贯彻落实绿色建筑理念，切实转变城乡建设模式和建筑业发展方式，提高资源利用效率，实现节能减排约束性目标，积极应对全球气候变化，全面建设资源节约型、环境友好型社会的一项重要举措，对建成“美丽中国”具有十分重要的意义。
我们认为，《绿色建筑行动方案》中的绿色、循环、低碳理念至关重要，必须从建筑的规划、设计阶段就开始重视并考虑其绿色节能功能。太阳能，以其清洁、无污染、取之不尽、用之不竭等诸多优点，应予以优先考虑，并根据建筑特点和日照条件，选择不同类型的太阳能供热系统，实现节能、建筑安全、建筑美学、经济适用等多方位的结合应用。
目前适应建筑一体化热利用条件的主要是以太阳能承压供热系统为主，分为多层、中高层建筑阳台壁挂供热系统和集中集热-分户储热供热系统；适应新农村建设的单栋或联排住宅的分体别墅供热系统以及供热采暖系统。以上太阳能供热系统的核心：一是集热部件（太阳能集热器）；二是蓄热部件（换热式承压水箱）。因此、科学合理选择不同类型的换热式承压水箱，对提升太阳能供热系统的换热效率、使用效果具有决定性作用。我们通过对不锈钢内胆换热式承压水箱在建筑太阳能供热系统应用中的数据检测与解析，说明不锈钢内胆换热式承压水箱在建筑太阳能供热系统应用中所具有的优势非常明显。
1不锈钢内胆换热式承压水箱在建筑太阳能供热系统中的应用类型
1.1家用分体双回路（阳台壁挂）供热系统
如图1所示，本系统主要采取间接式自然循环和电辅加热方式，应用的换热承压水箱是用不锈钢双核夹套换热承压水箱。本系统工作原理是通过不锈钢双核夹套换热承压水箱夹套层与太阳能集热器之间循环介质的虹吸作用，完成太阳能热量吸收、转换、传导、储存和输出。
1.2集中供热-分户储热供热系统
如图2所示，本系统主要采取间接式强制循环和电辅加热方式，应用的换热承压水箱选用小规格不锈钢单盘管换热承压水箱。本系统工作原理是将屋顶缓冲水箱储存的太阳能集中换热的热量，通过定温间接式强制循环方式，与建筑内每户安装的盘管换热式承压水箱中盘管换热器进行换热，预热或加热户内盘管换热式承压水箱中水，完成太阳能热量吸收、转换、传导、储存和输出。
1.3 分体别墅供热系统
如图3所示，本系统主要采取间接式强制循环和燃气锅炉辅助加热方式，应用的换热承压水箱选用大规格不锈钢双盘管换热承压水箱。本系统工作原理是通过不锈钢双盘管换热承压水箱下部盘管换热器与太阳能集热器之间循环介质的强制循环，完成太阳能热量吸收、转换、传导、储存和输出，不锈钢双盘管换热承压水箱上部盘管换热器与燃气锅炉连接，作为太阳能热量不足的补充。
2实现不锈钢内胆换热式承压水箱性能指标提升的优化方法
2.1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。
2.1.1促使换热面积加大和换热系数提高
如图4所示：不锈钢双核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，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。
为了进一步提高换热效率，设计中可把水箱内胆换热面由光滑面滚压成螺旋上升槽型换热面,不仅扩展整个水箱内胆的换热面积35%，同时，因换热面形状、大小、位置的改变，在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,水箱表面换热系数进一步加大，强化换热效率。
如图5所示：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，从而加大换热系数、获得较高的传热效率。
同时，我们也可以通过采用翅片管、波纹管以及浮动盘管换热器等不同的结构形式，加大换热面积，提高换热系数，使换热效率得到大幅提高。
2.1.2提高流体与换热面的传热温差
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。
2.2水箱热水输出率满足使用要求
2.2.1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。
2.2.2消除水箱换热冷水区，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。
2.2.3水箱具有温度梯度分层，设计中必须考虑水箱用水使用过程中的水箱温度梯度问题，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。
2.3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。
2.3.1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。
2.3.2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。
2.3.3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。
2.4水箱承压强度的保证
依据水箱的结构、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Wa-terMark认证的250000次的脉冲测试。
2.5不锈钢内胆水箱防腐的关键措施
不锈钢内胆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，对不锈钢内胆换热承压水箱内胆再次进行防腐处理是必要的。通过水箱内胆表面金属化学液钝化处理，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，防止金属与腐蚀介质直接接触，使金属基本停止溶解，起到完全隔离金属与腐蚀介质的作用，形成钝态达到防止腐蚀的效果。
3建筑太阳能供热系统中换热式承压水箱应用的选择
目前市场上换热式承压水箱主要分为搪瓷内胆和不锈钢内胆两大类。搪瓷内胆基板为BTC-340R钢板，经过搪瓷防腐处理后，具有承压、耐腐蚀、瓷面光滑，易清洗的特点。不锈钢内胆基本为304或316不锈钢，经过钝化防腐处理后，具有承压、耐腐蚀、温度和压力聚变适应性好的特点。表1通过对搪瓷内胆和不锈钢内胆对比分析，来深入了解搪瓷内胆和不锈钢内胆的具体特性。
通过以上不锈钢内胆水箱与搪瓷内胆水箱的分析可以看出：在建筑太阳能供热领域应优先采用不锈钢内胆换热式承压水箱，不锈钢内胆水箱在适应太阳能的加热特殊性，达到水箱间接换热效率及特殊结构的要求上比搪瓷内胆水箱更适宜，但在直接加热、无需二次换热结构的电热水器应用领域，搪瓷内胆水箱应用效果会更好。
4结论
不锈钢内胆换热式承压水箱从设计到工艺的优化方法，提升了不锈钢内胆换热式承压水箱各项性能指标，特别是钝化防腐处理工艺，如同搪瓷内胆水箱的搪瓷工艺一样，成为不锈钢内胆水箱防腐的保护神和决定不锈钢内胆水箱质量好坏的关键。在适应太阳能的加热特殊性和水箱间接换热效率及特殊结构的要求上，不锈钢内胆水箱比搪瓷内胆水箱更适合现实需求，也是建筑太阳能供热系统应用的最佳选项。但是，无论不锈钢内胆水箱还是搪瓷内胆水箱，技术创新和工艺持续改进，在企业发展进步过程中都是不可或缺的重要工作。
