關(guān)于儲(chǔ)熱熱水器安全閥滴水的問(wèn)題分析

1、關(guān)于儲(chǔ)熱熱水器安全閥滴水的問(wèn)題分析 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)題是用戶埋怨較多的一個(gè)問(wèn)題。依據(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

2、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。依據(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

3、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.

4、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 再依據(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*k5 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的定義稍作變幻即可，即k=(Vs2-Vs1)/Vs1

5、= 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制定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0.1MP

6、a，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)膽制定時(shí)，以出水口平面為界，上

7、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)有合計(jì)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，依據(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 進(jìn)水絕對(duì)壓力 V0/Vd 6.72% 12.47% 21.81% 依據(jù)上表，調(diào)整內(nèi)膽中出水管的長(zhǎng)度，使其滿足上表

8、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，依據(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) V0/Vd 50 3.08% 60 4.42% 80 7.56% 依據(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

9、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，主要是合計(jì)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。合計(jì)到國(guó)標(biāo)同意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，減少用戶埋怨等多項(xiàng)好處。 當(dāng)然增大膽內(nèi)空