关于储热热水器安全阀滴水的问题分析0半圆键
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关于储热热水器安全阀滴水的问题分析
关于储热热水器安全阀滴水的问题分析 2016年03月11日 来源： 一、背景分析和问题的提出鄙人在热水器行业做研发工作近9年，在收集用户需求的过程中，热水器加热过程中安全阀过早滴水的问题是用户抱怨较多的一个问题。根据对不同厂家的产品进行滴水测试结果统计看，一个加热过程，平均滴水量要达到1升左右。保守估计市场存量机器为5000万台，按一天加热一次计算，浪费的水量是惊人的：1*5000/1000=5万吨水，相当于48个标准游泳池的水量。并且需要注意的是滴水并不是冷水，而是加热后的水，取进水15度，滴水的平均水温为50度，则损失的热量为：50000*1000*4.17*（50-15）=7297.5MJ，折合标煤为250吨。可见安全阀滴水看似小事，但其中对节能减排，水资源节约大有文章可做。此外，安全阀过早滴水说明内胆过早达到额定压力，换言之内胆是长时间处于高压状态下，这对内胆的寿命而言也是不利的。所以鄙人认为有必要对此问题进行分析和研究，找到改善的方法。二、理论分析从注水到加热至热水器安全阀滴水，内胆中的空气经历了两个过程，第一个过程是从注满水用户关掉出水阀开始，到内胆中空气压力等于进水压力为止，这个过程可以近似认为是等温压缩过程。根据理想气体方程可知：P0V0=P1 V1 (1);式中：P0为大气压；V0为水面刚好达到出水管高度时，胆内空气的体积；P1为进水绝对压强，；V1为胆内空气压力等于进水压力时，胆内空气的体积。特别说明：所有的压强均应该是绝对压力，而不是表压力，我们通常说的进水压是指的表压力，所以再带入公式计算时，应该是我们通常说的进水压+0.1（即大气压），下不赘述。并且此过程有如下几何特点：Vs1-Vs0=△Vs1=△Vk1=V0-V1 （2）第二个过程为热水器加热过程，水受热膨胀，将压缩空气，同时热量传递给空气，空气温度上升，压缩和温度上升两个因素都将导致胆内空气压力上升，当压力上升到安全阀的泄压压力时（忽略水柱所产生的压力），安全阀开始滴水，对此过程应用理想气体方程可知：P1V1/T1=P2V2/T2 （3）式中：P2 为安全阀开始滴水时的气体绝对压，可近似认为等于（安全阀外泄压+0.1）；V2为安全阀开始滴水时的气体体积；T1为开始加热前的空气温度，近似认为等于进水温度；T2为开始滴水时空气的温度，近似认为等于热水温度。特别说明：所有的温度均应该是热力学温度，而不是摄氏度，折算公式可以按照：T（热力学温度）=273+t（摄氏温度），下不赘述。并且此过程有如下几何特点：Vs2-Vs1=△Vs2=△Vk2=V1-V2 （4）再根据水的膨胀系数表查知：从T1到T2过程，水的膨胀率为k，定义k=(Vs2-Vs1)/Vs1，于是有下式：△Vs2=Vs1*k（5）说明：如查表得到的水的膨胀系数a的含义是Vs2/Vs1，此时利用本文中的k的定义稍作变换即可，即k=(Vs2-Vs1)/Vs1= Vs2/Vs1-1=a-1。联立（1）-（5），可以求解出Vs0与V0的比例关系（即水刚注到出水管管口时候，胆内水和胆内空气的比例）如下式所示：Vs0/V0=[( P2T1- P1T2)*P0-k(P1-P0)P2T1]/P2P1T1k （6）而内胆总体积Vd=VS0+V0，故可得到初始胆内空气体积占内胆总体积的比例为（这样就可以给设计师提供出水管管口到内胆顶端合适的距离是多少）：V0/Vd=V0/(Vs0+V0)=1/(Vs0/V0+1)，（7）将（6）带入（7）可得到：V0/Vd=kP1P2T1/[P0*( P2T1 - P1T2) +kP0P2T1]应用举例：假定进水温度15℃，加热至75℃，进水压力0.1MPa，安全阀外泄压力为0.75MPa，查水的膨胀系数表，可知从15℃到75℃，水的膨胀率为k=0.02488，带入上式计算（特别注意，需要将我们通常习惯定义的表压力折算为绝对压力，即P1=0.1+0.1=0.2；P2=0.75+0.1=0.85；T1=273+15=288； T2=273+75=348）：V0/Vd=0.02488*0.2*0.85*288/(0.1*(0.85*288-0.2*348) +0.02488*0.1*0.85*288)=6.72%也就是说，当进水压力为0.1 MPa，水温为15℃，加热至75℃，此过程如要内胆压力小于等于0.75 MPa，则内胆设计时，以出水口平面为界，上部空间需要达到内胆总空间的6.72%以上。上述分析中，没有考虑安全阀的内泄作用（即当内胆内的压力大于（安全阀内泄压力+进水压力）时，内胆的水会回流到供水管道中），而内泄作用对降低内胆加热过程中的压力是有益的因素，所以对上述分析来看，忽略此项因素，相当于是对上述分析所得结论额外增加了一项安全系数。三、实验验证可通过如下试验进行验证：方法1：固定进水温度和加热温度（例如进水15℃和加热温度75℃），调整不同的进水压力，根据公式可以算出预留空气体积与整个内胆体积的比值，如下表所示：
进水表压力进水绝对压力V0/Vd0.10.26.72%0.20.312.47%0.30.421.81%根据上表，调整内胆中出水管的长度，使其满足上表要求的预留空气体积与整个内胆体积的比值，然后在内胆出水管口接一个压力表。记录内胆顶端温度与压力表读数。数据结果应该是当内胆顶端温度达到75℃左右时，压力表的读数才会达到0.75 MPa。方法2：固定进水温度和进水压力（例如进水15℃，压力0.1 MPa），调整不同的加热温度，根据公式和不同温度下水的膨胀系数表，可以算出预留空气体积与整个内胆体积的比值，如下表所示：
加热温度对应水的膨胀系数V0/Vd500.011213.08%600.016184.42%800.028117.56%根据上表，调整内胆中出水管的长度，使其满足上表要求的预留空气体积与整个内胆体积的比值，然后在内胆出水管口接一个压力表。记录内胆顶端温度与压力表读数。数据结果应该是预留空气体积与整个内胆体积的比值为3.08%的内胆应该在50℃左右，压力达到0.75 MPa；4.42%的内胆应该在在60℃左右，压力达到0.75 MPa；7.56%的内胆应该在在80℃左右，压力达到0.75 MPa。而且，通过对比上述两表，可以得到的结论是：进水压力的变动对胆内压力的影响要远大于加热温度的变动。所以解决安全阀滴水的主要方向，应该是控制进水压力。可在热水器进水管道离热水器安全阀较远的地方装一个减压阀（之所以要一定距离，主要是考虑预留一定管道空间给安全阀内泄时将水排回供水管道。）来实现降低进水压力的目标。在实验室按上述两个方法分别做了实验进行验证（待进行），实验结果如下：从实验结果看，理论分析结果和实验结果吻合的？？四、结束语热水器厂家可以通过适当调整内胆出水管长度，并让用户加配减压阀来解决加热过程中的热水滴出问题。考虑到国标允许±10%的内胆容量偏差，调整出水管的长度并不会对厂家的成本增加产生多大影响，而又能解决滴水问题，实现水资源的节约，电资源的节约，延长内胆寿命，减少用户抱怨等多项好处。当然增大胆内空气的体积，也存在着潜在的风险，即内胆没有得到镁棒保护的面积增多了（内胆能得到镁棒的保护，必须要有电解质的水将两者导通，构成原电池的外电路，镁棒和内胆的直接导通相当于原电池的内电路，只有内电路和外电路合在一起时，牺牲阳极阴极保护才能实现），在高温情况下，这是否会增大内胆腐蚀的风险，还需要进一步的研究分析。