一、背景分析和問(wèn)題的提出
鄙人在熱水器行業(yè)做研發(fā)工作近9年,在收集用戶需求的過(guò)程中,熱水器加熱過(guò)程中安全閥過(guò)早滴水的問(wèn)題是用戶抱怨較多的一個(gè)問(wèn)題。根據(jù)對(duì)不同廠家的產(chǎn)品進(jìn)行滴水測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)看,一個(gè)加熱過(guò)程,平均滴水量要達(dá)到1升左右。保守估計(jì)市場(chǎng)存量機(jī)器為5000萬(wàn)臺(tái),按一天加熱一次計(jì)算,浪費(fèi)的水量是驚人的:1*5000/1000=5萬(wàn)噸水,相當(dāng)于48個(gè)標(biāo)準(zhǔn)游泳池的水量。并且需要注意的是滴水并不是冷水,而是加熱后的水,取進(jìn)水15度,滴水的平均水溫為50度,則損失的熱量為:50000*1000*4.17*(50-15)=7297.5MJ,折合標(biāo)煤為250噸??梢?jiàn)安全閥滴水看似小事,但其中對(duì)節(jié)能減排,水資源節(jié)約大有文章可做。此外,安全閥過(guò)早滴水說(shuō)明內(nèi)膽過(guò)早達(dá)到額定壓力,換言之內(nèi)膽是長(zhǎng)時(shí)間處于高壓狀態(tài)下,這對(duì)內(nèi)膽的壽命而言也是不利的。所以鄙人認(rèn)為有必要對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行分析和研究,找到改善的方法。
二、理論分析
從注水到加熱至熱水器安全閥滴水,內(nèi)膽中的空氣經(jīng)歷了兩個(gè)過(guò)程,第一個(gè)過(guò)程是從注滿水用戶關(guān)掉出水閥開(kāi)始,到內(nèi)膽中空氣壓力等于進(jìn)水壓力為止,這個(gè)過(guò)程可以近似認(rèn)為是等溫壓縮過(guò)程。根據(jù)理想氣體方程可知:
P0V0=P1 V1 (1);
式中:
P0為大氣壓;
V0為水面剛好達(dá)到出水管高度時(shí),膽內(nèi)空氣的體積;
P1為進(jìn)水絕對(duì)壓強(qiáng),;
V1為膽內(nèi)空氣壓力等于進(jìn)水壓力時(shí),膽內(nèi)空氣的體積。
特別說(shuō)明:所有的壓強(qiáng)均應(yīng)該是絕對(duì)壓力,而不是表壓力,我們通常說(shuō)的進(jìn)水壓是指的表壓力,所以再帶入公式計(jì)算時(shí),應(yīng)該是我們通常說(shuō)的進(jìn)水壓+0.1(即大氣壓),下不贅述。
并且此過(guò)程有如下幾何特點(diǎn):
Vs1-Vs0=△Vs1=△Vk1=V0-V1 (2)
第二個(gè)過(guò)程為熱水器加熱過(guò)程,水受熱膨脹,將壓縮空氣,同時(shí)熱量傳遞給空氣,空氣溫度上升,壓縮和溫度上升兩個(gè)因素都將導(dǎo)致膽內(nèi)空氣壓力上升,當(dāng)壓力上升到安全閥的泄壓壓力時(shí)(忽略水柱所產(chǎn)生的壓力),安全閥開(kāi)始滴水,對(duì)此過(guò)程應(yīng)用理想氣體方程可知:
P1V1/T1=P2V2/T2 (3)
式中:
P2 為安全閥開(kāi)始滴水時(shí)的氣體絕對(duì)壓,可近似認(rèn)為等于(安全閥外泄壓+0.1);
V2為安全閥開(kāi)始滴水時(shí)的氣體體積;
T1為開(kāi)始加熱前的空氣溫度,近似認(rèn)為等于進(jìn)水溫度;
T2為開(kāi)始滴水時(shí)空氣的溫度,近似認(rèn)為等于熱水溫度。
特別說(shuō)明:所有的溫度均應(yīng)該是熱力學(xué)溫度,而不是攝氏度,折算公式可以按照:T(熱力學(xué)溫度)=273+t(攝氏溫度),下不贅述。
并且此過(guò)程有如下幾何特點(diǎn):
Vs2-Vs1=△Vs2=△Vk2=V1-V2 (4)
再根據(jù)水的膨脹系數(shù)表查知:從T1到T2過(guò)程,水的膨脹率為k,
定義k=(Vs2-Vs1)/Vs1,于是有下式:
△Vs2=Vs1*k (5)
說(shuō)明:如查表得到的水的膨脹系數(shù)a的含義是Vs2/Vs1,此時(shí)利用本文中的k的定義稍作變換即可,即k=(Vs2-Vs1)/Vs1= Vs2/Vs1-1=a-1。
聯(lián)立(1)-(5),可以求解出Vs0與V0的比例關(guān)系(即水剛注到出水管管口時(shí)候,膽內(nèi)水和膽內(nèi)空氣的比例)如下式所示:
Vs0/V0=[( P2T1- P1T2)*P0-k(P1-P0)P2T1]/P2P1T1k (6)
而內(nèi)膽總體積Vd=VS0+V0,故可得到初始膽內(nèi)空氣體積占內(nèi)膽總體積的比例為(這樣就可以給設(shè)計(jì)師提供出水管管口到內(nèi)膽頂端合適的距離是多少):
V0/Vd=V0/(Vs0+V0)=1/(Vs0/V0+1),(7)
將(6)帶入(7)可得到:
V0/Vd=kP1P2T1/[P0*( P2T1 - P1T2) +kP0P2T1]
應(yīng)用舉例:
假定進(jìn)水溫度15℃,加熱至75℃,進(jìn)水壓力0.1MPa,安全閥外泄壓力為0.75MPa,查水的膨脹系數(shù)表,可知從15℃到75℃,水的膨脹率為k=0.02488,帶入上式計(jì)算(特別注意,需要將我們通常習(xí)慣定義的表壓力折算為絕對(duì)壓力,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%
也就是說(shuō),當(dāng)進(jìn)水壓力為0.1 MPa,水溫為15℃,加熱至75℃,此過(guò)程如要內(nèi)膽壓力小于等于0.75 MPa,則內(nèi)膽設(shè)計(jì)時(shí),以出水口平面為界,上部空間需要達(dá)到內(nèi)膽總空間的6.72%以上。
上述分析中,沒(méi)有考慮安全閥的內(nèi)泄作用(即當(dāng)內(nèi)膽內(nèi)的壓力大于(安全閥內(nèi)泄壓力+進(jìn)水壓力)時(shí),內(nèi)膽的水會(huì)回流到供水管道中),而內(nèi)泄作用對(duì)降低內(nèi)膽加熱過(guò)程中的壓力是有益的因素,所以對(duì)上述分析來(lái)看,忽略此項(xiàng)因素,相當(dāng)于是對(duì)上述分析所得結(jié)論額外增加了一項(xiàng)安全系數(shù)。
三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
可通過(guò)如下試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證:
方法1:
固定進(jìn)水溫度和加熱溫度(例如進(jìn)水15℃和加熱溫度75℃),調(diào)整不同的進(jìn)水壓力,根據(jù)公式可以算出預(yù)留空氣體積與整個(gè)內(nèi)膽體積的比值,如下表所示:
進(jìn)水表壓力
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進(jìn)水絕對(duì)壓力
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V0/Vd
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0.1
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0.2
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6.72%
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0.2
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0.3
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12.47%
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0.3
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0.4
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21.81%
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根據(jù)上表,調(diào)整內(nèi)膽中出水管的長(zhǎng)度,使其滿足上表要求的預(yù)留空氣體積與整個(gè)內(nèi)膽體積的比值,然后在內(nèi)膽出水管口接一個(gè)壓力表。記錄內(nèi)膽頂端溫度與壓力表讀數(shù)。數(shù)據(jù)結(jié)果應(yīng)該是當(dāng)內(nèi)膽頂端溫度達(dá)到75℃左右時(shí),壓力表的讀數(shù)才會(huì)達(dá)到0.75 MPa。
方法2:
固定進(jìn)水溫度和進(jìn)水壓力(例如進(jìn)水15℃,壓力0.1 MPa),調(diào)整不同的加熱溫度,根據(jù)公式和不同溫度下水的膨脹系數(shù)表,可以算出預(yù)留空氣體積與整個(gè)內(nèi)膽體積的比值,如下表所示:
加熱溫度
|
對(duì)應(yīng)水的膨脹系數(shù)
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V0/Vd
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50
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0.01121
|
3.08%
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60
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0.01618
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4.42%
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80
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0.02811
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7.56%
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根據(jù)上表,調(diào)整內(nèi)膽中出水管的長(zhǎng)度,使其滿足上表要求的預(yù)留空氣體積與整個(gè)內(nèi)膽體積的比值,然后在內(nèi)膽出水管口接一個(gè)壓力表。記錄內(nèi)膽頂端溫度與壓力表讀數(shù)。數(shù)據(jù)結(jié)果應(yīng)該是預(yù)留空氣體積與整個(gè)內(nèi)膽體積的比值為3.08%的內(nèi)膽應(yīng)該在50℃左右,壓力達(dá)到0.75 MPa;4.42%的內(nèi)膽應(yīng)該在在60℃左右,壓力達(dá)到0.75 MPa;7.56%的內(nèi)膽應(yīng)該在在80℃左右,壓力達(dá)到0.75 MPa。
而且,通過(guò)對(duì)比上述兩表,可以得到的結(jié)論是:進(jìn)水壓力的變動(dòng)對(duì)膽內(nèi)壓力的影響要遠(yuǎn)大于加熱溫度的變動(dòng)。所以解決安全閥滴水的主要方向,應(yīng)該是控制進(jìn)水壓力??稍跓崴鬟M(jìn)水管道離熱水器安全閥較遠(yuǎn)的地方裝一個(gè)減壓閥(之所以要一定距離,主要是考慮預(yù)留一定管道空間給安全閥內(nèi)泄時(shí)將水排回供水管道。)來(lái)實(shí)現(xiàn)降低進(jìn)水壓力的目標(biāo)。
在實(shí)驗(yàn)室按上述兩個(gè)方法分別做了實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證(待進(jìn)行),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,理論分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的??
四、結(jié)束語(yǔ)
熱水器廠家可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)整內(nèi)膽出水管長(zhǎng)度,并讓用戶加配減壓閥來(lái)解決加熱過(guò)程中的熱水滴出問(wèn)題??紤]到國(guó)標(biāo)允許±10%的內(nèi)膽容量偏差,調(diào)整出水管的長(zhǎng)度并不會(huì)對(duì)廠家的成本增加產(chǎn)生多大影響,而又能解決滴水問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)水資源的節(jié)約,電資源的節(jié)約,延長(zhǎng)內(nèi)膽壽命,減少用戶抱怨等多項(xiàng)好處。
當(dāng)然增大膽內(nèi)空氣的體積,也存在著潛在的風(fēng)險(xiǎn),即內(nèi)膽沒(méi)有得到鎂棒保護(hù)的面積增多了(內(nèi)膽能得到鎂棒的保護(hù),必須要有電解質(zhì)的水將兩者導(dǎo)通,構(gòu)成原電池的外電路,鎂棒和內(nèi)膽的直接導(dǎo)通相當(dāng)于原電池的內(nèi)電路,只有內(nèi)電路和外電路合在一起時(shí),犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)才能實(shí)現(xiàn)),在高溫情況下,這是否會(huì)增大內(nèi)膽腐蝕的風(fēng)險(xiǎn),還需要進(jìn)一步的研究分析。