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淺析搪瓷儲熱水箱在空氣源熱泵中的應用

放大字體  縮小字體 發布日期:2016-02-18  浏覽次數:443
核心提示:本文通過對比內置盤管和外置盤管的優劣勢,分析了當下空氣源熱泵熱水器換熱(冷凝)技術的應用情況,並通過GMO邁能對于外盤管空氣源熱泵搪瓷儲熱水箱的技術改進和實際産品的測試,分析說明了外置式空氣源熱泵熱水器的改進方向和可行性。
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摘要:本文通過對比內置盤管和外置盤管的優劣勢,分析了當下空氣源熱泵熱水器換熱(冷凝)技術的應用情況,並通過GMO邁能對于外盤管空氣源熱泵搪瓷儲熱水箱的技術改進和實際産品的測試,分析說明了外置式空氣源熱泵熱水器的改進方向和可行性。

       關鍵詞:外置盤管,內置盤管,空氣源熱泵熱水器,搪瓷儲熱水箱

0引言

上世紀90 年代末期出現的空氣源熱泵熱水器運行原理和制冷空調相似,通過利用制冷劑的氣液兩相變化,將熱量從低溫轉移到高溫環境中。儲熱水箱作爲空氣源熱泵熱水器産品中的儲熱和換熱部件,既是一個儲水的容器,同時也是熱泵系統的換熱器(或稱冷凝器),擔負著通過壓縮機排出高溫冷媒蒸汽加熱熱水的任務。本文通過對比分析空氣源熱泵熱水器不同的換熱/ 冷凝形式的優缺點,對空氣源熱泵儲熱水箱的選配提出了自己的觀點。

1空氣源熱泵熱水器的三種換熱形式

空氣源熱泵熱水器有3 種換熱形式。一是稱爲水泵水循環式(水循環),換熱器置于室外機一側,通過一個小水泵將水箱中的水抽到室外機一側進行加熱。二是將換熱器置于水箱內,讓換熱盤管浸于水中,換熱盤管直接加熱水,行業內稱之爲內置盤管,此類空氣源熱水器屬于氟循環式。三是將管盤繞儲熱水箱內膽外,盤管不與水接觸,換熱盤管不直接加熱水,而是通過加熱金屬內膽來間接加熱水,普遍稱之爲外置盤管,其屬于氟循環式的空氣源熱水器。
水循環空氣源熱泵熱水器和氟循環空氣源熱泵熱水器屬于兩大不同的範疇,在技術要求以及安裝應用方面都具有較大差異,下文將重點對氟循環的兩大換熱方式進行闡述。

1.1內置盤管空氣源熱泵熱水器

內置盤管的換熱器一般位于內膽的下端,換熱盤管直接與水接觸,壓縮機排出的高溫冷媒在銅管內流動,通過加熱銅管來加熱水罐中的熱水,材質分別有銅盤管、不鏽鋼盤管和搪瓷盤管3種。

無論使用何種材質盤管,內置盤管用材都相對較少,結構也簡單,因此成本相對低廉,而且換熱器置于水箱內膽內部,傳熱過程中熱阻小,導熱速度快,縮短了空氣源熱泵熱水器的工作時間,這樣更方便用水,保護壓縮機,最主要的是換熱效率高,更能體現空氣源熱泵熱水器節能的巨大優勢。

但是內置盤管也有致命弱點,冷凝銅管直接與水接觸,隨著使用時間的增長,銅管表面會結一層致密的水垢,水垢的熱阻很大,是銅管熱阻的數百倍,相當于在銅管的外面蓋了一層厚厚的棉被(如圖1 所示)。水垢的存在大大影響了冷媒與熱水之間換熱效果,導致熱水不能被加熱,而熱泵系統也會因爲熱量散不出去而不能高效或正常工作。爲了提高換熱效率,需要定期對水箱中結垢進行清理。但是水箱內膽又是全封閉的,清洗難度非常大。


圖1結垢的內置盤管

1.2外置盤管空氣源熱泵熱水器

外置盤管空氣源熱泵熱水器,盤管換熱器是有規律地纏繞在水箱內膽的外壁,一般使用導熱硅膠讓盤管緊緊與水箱內膽緊密貼合。加熱時,壓縮機排出的高溫冷媒先加熱外置換熱器(冷凝管),盤管加熱內膽外壁,再通過內膽將冷水加熱。目前市場上有3種材質形式:銅盤管、鋁盤管和微通道(如圖2所示)。


圖2銅盤管、微通道以及鋁盤管換熱形式空氣源搪瓷儲熱水箱

相對于內置盤管,外置盤管空氣源熱泵熱水器有明顯優勢:第一,盤管換熱器不與水直接接觸,不存在盤管被腐蝕後冷媒泄漏對水質的汙染,可靠性比較好,更不會對人體健康造成危害;第二,內置盤管使用時間一長就容易産生腐蝕和結垢現象,而外置艇則完全避免了這種現象,不管使用多少年,盤管依舊如新;第三,外置盤管由于受熱均勻,所以外置的熱水實際出水量能達到95%。因此同樣的型號,外置盤管出水量要比內置的高出高多。第四,由于外置盤管不易泄露,所以在主機出現問題則維修主機或更換主機,水箱有問題則維修水箱或換水箱,無需整機報廢,減少了經銷商和用戶的麻煩和經濟負擔。

2外置銅盤管、外置鋁盤管和外置微通道

2.1外置銅盤管

外置銅盤管目前在市場上應用較爲廣泛,技術也比較成熟。銅盤管延展和導熱性能較好,使用外置銅盤管的系統也更爲穩定。外置銅盤管換熱空氣源搪瓷儲熱水箱內膽如圖3所示。


圖3外置銅盤管換熱空氣源搪瓷儲熱水箱內膽

2.2外置鋁盤管

作爲換熱載體,鋁盤管外置換熱形式與銅盤管基本類似,只是在選用鋁材有一定考究,不同牌號的鋁材延展性和剛性較大,制作D 型管形狀也不一樣。
通常在選型時,應采用剛性相對偏大,不易變型的鋁管和D型管的有效長度適宜,由于鋁管導熱系數沒有銅管導熱系數高,約爲同種規格銅管的2/3,因此在設計換熱面積時應盡可能考慮鋁管的長度,當然還要根據整個配置系統來分析,不能一味地加長長度,需要根據整個系統運行的壓力、冷凝壓力和過冷度等參數作爲設計基礎。外置鋁盤管換熱空氣源搪瓷儲熱水箱內膽如圖4所示。


圖4外置鋁盤管換熱空氣源搪瓷儲熱水箱內膽

2.3外置微通道

微通道基本選材也是鋁爲主要基材,形狀是扁管,每根扁管中間通孔比較細小且數目衆多,再由多根這樣扁管組合而成,其最大的優勢在于換熱面積大,冷凝效果明顯,制冷劑在流經數目衆多的小孔時,容易産生較大的溫差,強化換熱,使得制冷劑很快達到需要的狀態。在制冷領域中,有數據表明,冷凝時換熱性能提高30%,制冷劑充注量可以減少8%,爲此該結構可以適用于壓力更高的系統。外置微通道換熱空氣源搪瓷儲熱水箱內膽如圖5所示。


圖5外置微通道換熱空氣源搪瓷儲熱水箱內膽

3如何改進盤管換熱技術

針對外盤管加熱存在的不足,GMO 邁能的空氣源熱泵熱水器儲熱水箱從以下幾點加以改進和提高:

(1)在銅管或鋁管在盤繞之前,對銅管或鋁管的形狀進行改變,將其擠壓成“D”型管,並施加一定牽引力,使D型管緊密地纏繞在內膽的外表面;

(2)在繞管之前,對內膽外表面進行抛丸工藝的處理,去除因搪瓷後外表産生的氧化皮,降低傳熱過程中熱阻;

(3)在繞管的同時,對“D”型管與內膽接觸面之間注入導熱硅脂,解決“D”型管與內膽之間可能存在的凹陷不平和出現的傳熱盲點。

通過GMO 邁能試驗測試,內膽外壁與內壁溫差在3℃~5℃之間。通常情況下水垢的形成與加熱面的溫度有很大的關系。在加熱表面低于60℃的情況下,加熱表面可以在較長的運行時間內保持較輕的結垢程度;若加熱面高于60℃,加熱表面在短期內就容易出現結垢現象。由于采用外盤管方式使傳熱溫差很小,只有3℃~5℃,當熱水溫度達到55℃時,加熱面不會超過60℃,因此水罐加熱面結垢的情況可以得到很大的緩解。從太陽能夾套水箱(類似熱泵水箱)解剖觀察,水罐內壁僅局部有少量的松散狀物質,用手指一摸就可清除,並沒有出現結構致密的水垢。

另外,由于銅和鋼的膨脹系數比較接近(銅的膨脹系數:0.0000167米/℃,鋼的膨脹系數:0.0000136 米/℃),因此只要繞管工藝精湛,銅管或鋁管一直受到機械牽引力的作用,銅管或鋁管能與內膽緊密貼合。而且在熱泵系統中,氟系統溫度的變化通常在50℃左右,內膽的變化也差不多,因此就兩種材料産生的間隙很小,這對整個內膽不會産生影響。

4結語

空氣源熱泵熱水器內置盤管換熱和外置盤管換熱均具有優劣勢,但相對于內盤管換熱致命的腐蝕、結垢缺陷,外置盤管更具有優勢。通過對各方面技術的改進,外置盤管目前已能夠滿足空氣源熱泵熱水器系統性能的要求,而銅盤管、鋁盤管以及微通道的應用更加豐富了外置盤管換熱的選擇性。

 
關鍵詞: 搪瓷 水箱

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