对比分析热泵热水器换热盘管内置与外置性能

摘要：空气源热泵热水器储水箱主要由内胆、外胆、换热盘管、保温材料等组成。其中换热盘管在热泵系统中起冷凝器的作用，高温高压气体冷媒通过换热盘管将热量传递给水，温度升高，如此循环制得热水。空气源热泵热水器根据盘管结构的不同，可分为内置盘管式热泵热水器、外置盘管式热泵热水器。本文就一种应用于内置盘管热泵热水器的不锈钢水箱的技术作详细介绍。 　　一、引言 　　目前，一种应用于热泵热水器的内置不锈钢盘管热泵水箱(专利号：201420041158.9)在黄石东贝太阳能公司被研发成功，并申请了多项专利保护。 　　储水箱作为热泵热水器的主要部件，对热水器的性能起到重要的作用，其主要体现在水箱的换热性能（内置冷凝器）、保温性能、热水输出率，内胆的防腐性能。而目前市场上外置盘管搪瓷水箱、滚塑水箱都存在很多的质量缺陷，比如：外置盘管换热效果差、搪瓷水箱的漏搪、热胀冷缩易出现裂搪、必须采用阳极镁棒进行保护、阳极镁棒消耗后的沉浸物会影响水质使用，国内各地区水质的差异性导致镁棒很难做好监测和售后服务。我司生产的不锈钢承压水箱具有可承压、卫生、换热效果好、防腐性强（防腐专利号：201220394501.9）、寿命长等优点成为热泵热水器，壁挂炉供暖热水系统，以及太阳能热水系统的首选。 　　二、盘管内置、外置性能比较分析： 　　1、换热效率 　　换热效率是换热水箱的一个重要指标，它影响着热泵热水器的性能系数与能效比（即COP值）。 　　目前热泵热水器家用机中，水箱换热器以盘管式结构为主。从盘管材质上分类主要有：铜盘管、铝制盘管和不锈钢盘管三种；从盘管结构上分主要有：外置盘管和内置盘管两种。其中外置盘管热泵热水器，由于盘管是盘绕在内胆的外壁，水箱换热时盘管中的热量必须经过内胆壁才能传递给水，多出了一个热传导过程，传热效率较低。 　　特别是对于搪瓷水箱，盘管中的热量经过了内胆壁、搪瓷层两次热传导，每次热传导都有热阻，且搪瓷层属于非金属材料，其传热系数远小于金属材料，所以外置盘管搪瓷热泵水箱的传热效率远远低于内置不锈钢盘管热泵水箱。 　　另在热泵系统的设计中，冷凝器（盘管）的大小，是根据压缩机的匹配进行选型，冷凝器（盘管）面积过大导致压缩机润滑油难以返回，烧坏压缩机；冷凝器（盘管）面积过小导致冷凝器温度过高，压缩机易出现跳机，缩短了压缩机的使用寿命。故外置盘管热泵水箱要想达到内置盘管热泵水箱相同的换热量，即使增大盘管换热面积也不可能达到内置盘管热泵水箱的换热效率和能效比（COP值）。 　　对于铜盘管外盘缠绕在内胆上的方式，一般分为三种，一种是传统圆管外盘管，一种是D型外盘管，另外一种是凹槽型外盘管。对于传统圆管外盘管而言，水箱内胆与盘管线面接触，有效换热面积非常小；对于D型外盘管而言，水箱内胆与盘管面面接触，接触面比线面接触好，但有效换热面积依然较小，热量传递速度慢，能效比很低，且铜管由于不断地热胀冷缩变化，时间长了外盘管与水箱内胆的接触紧密度也随之产生变化，换热效果逐年下降，且D型管的两个边角因受力不均在长期的热胀冷缩作用下容易破裂；对于凹槽型外盘管而言，它需将水箱内胆压成波浪型，铜管盘在凹槽内，相对比D型管的接触面积有所提高，但最大接触面积也只有50%。始终还是隔着水箱内胆换热，能效比还是不理想，而且因水箱内胆压槽工艺的需要，内胆变薄了，压槽过程也会影响焊接口的质量，影响水箱内胆的寿命。 　　在制作过程中铜盘管外盘内胆方式的结构设计要求高，不仅要求盘管与水箱内胆紧贴，还要注意盘管间距，管间距太小，冷凝管利用效率较低，管间距太大则冷凝换热面积不够；为了增强薄壁管与内胆水箱的换热，就需要单根盘绕密度高，这回造成冷凝器系统过长，内侧流动阻力较大，从而导致制冷介质在薄壁铜管中的流速较低，换热效果大大的降低； 　　而内置盘管热泵热水器，是将盘管（即冷凝管）直接放置于水箱内胆中，热交换管整体与水接触，管壁完全参与换热，传热温差较小，冷凝侧压力相对较低，不会影响到压缩机的使用寿命相同管长的换热管有效换热面积高，其换热效率较好；且盘管的外管壁完全与水接触，无论何种管型，传热效率均比较高； 　　下面是外置盘管的热阻与内置盘管的热阻性能的比较计算： 　　对内置盘管式热泵热水器，以管外侧面积为基准的传热系数计算式为： 　  　　式中，R为盘管螺旋的曲率半径，Nu为努赛尔数，Re为雷诺数， Pr为普朗特数，p为流体密度，u1为管内流速，u为运动粘度。 　　内置盘管式热泵热水器和外置盘管式热泵热水器的热阻比较： 　　从上式可以看出，外置盘管式的热阻远要大于内置盘管式的热阻，即外置盘管式的换热性能要比内置盘管式差很多。上式同时说明了，外置盘管式的热阻相比内置式，多了内胆的导热热阻，而原来的盘管外的对流热阻变成了内胆内部的对流热阻，性能也有一定的下降。如果是搪瓷水箱，水箱内胆中增加了搪瓷层，而搪瓷层属于非金属，热阻更大，使热泵水箱盘管的换热性能更差，整个系统的加热时间就会变得更长。 　　2、对压缩机使用寿命的影响 　　压缩机在热泵系统中起着决定性因素，它直接影响着整个系统的COP值。而外置盘管热泵水箱因为其自身因素，传热效果不好，且盘管被水箱中的保温层所包围，系统运行过程中盘管中的冷媒长期处于高温状态，这样会导致压缩机吸、排气温度较高而过载，长期下去将会使压缩机的寿命严重缩短。 　　而大部分热泵生产厂家解决此现象的办法就是将压缩机所使用的冷媒充注量减小，这样的解决方法，经过研究与分析，将会导致由于没有足够的制冷剂参与热泵系统的循环，因此热泵机组中的蒸发器吸热量小，系统的整个加热时间就会变长。而对压缩机来说，当制冷剂冲入量少时，其流量也会随之减小，而蒸发器的过热度大，使得吸气温度升高，吸入蒸气比容增大；吸气温度升高，吸入蒸气比容增大又会引起压缩热增大，致使排气温度升高，从而导致压缩机发热，引起压缩功能增大，耗电量增大，这对系统寿命是很不利的，同时对节能也是不利的，严重的影响了热泵机组的COP值。 　　三、防腐性能分析： 　　 内置换热器的换热效果比外置换热器的效果好，我们以上已经有了论述。而市场上大部分的热泵水箱都是外盘，这是什么原因呢？经过我们调查与分析，了解到最主要的一个因素就是其生产厂家不能有效的解决内置盘管长期浸入在水中而引起的腐蚀现象，特别是在水质比较差的地区，腐蚀现象非常严重。比如在河南伊川等地内置盘管水箱几乎百分之百的会出现因盘管穿孔腐蚀而导致的整机报废。为了避免此问题引起的损失，所以其生产厂家只能选择生产外置盘管热泵水箱。 　　东贝太阳能公司自主创新的“防腐墙”专利技术（防腐专利号：201220394501.9），是在承压水箱中与水接触的的零部件，如内胆、水管、盘管等制作完成后，将与水接触的表面进行钝化处理。钝化是提高不锈钢材料防腐性能的关键，最终形成一层致密的、均匀的含铬的钝化膜，这层保护膜完全覆盖金属的表面。 　　  下面是未经过防腐处理的SUS304不锈钢板与经过防腐处理的SUS304不锈钢板的对比试验： 　　试验一： 　　取两块相同的经过自动氩弧焊接的SUS304不锈钢板材，一件经过钝化处理，另外一件未作钝化的样品分别放入5%的盐水和清水中。 　　结果：经过两个月浸泡后观察，经过防腐处理的SUS304不锈钢板在浓度为5%的盐水中，基本没有出现锈蚀。而没有经过防腐处理的SUS304不锈钢板在清水中出现了严重的锈蚀。 　　说明：水质再差的地区如西北、华北等地其水质（水中氯离子含量）也比浓度为5%的盐水（NaCl溶液）要好。 　　试验二： 　　取两块相同的经过自动氩弧焊接的SUS304不锈钢板材，一件经过防腐处理，另外一件未经过防腐处理的样品放入5%的盐水盐雾试验箱内进行盐雾试验，历时：16h（见表1）。 　　表1    盐雾试验 　　试验一中，图2的工件未经过钝化防腐处理，尽管SUS304不锈钢材料具有防腐性能，在空气中也能自然生成Cr2O3保护膜，Cr2O3保护膜对于点蚀和缝隙腐蚀的发展能起到阻滞的作用。但是对于经过切割、冷作，特别是焊接热处理过的不锈钢材料，其保护膜被破坏、也不完整和不均匀，由于水中含有Cl-，在正常的使用中就会出现严重的氧化腐蚀。而试验一图1是应用了东贝太阳能公司自主创新的“防腐墙”专利技术，没有出现任何腐蚀现象。   　　四、完美的品质来自于48年的管理和制造基因 　　东贝太阳能作为东贝集团旗下的子公司，传承了东贝集团48年的制造和管理基因，拥有强大的研发团队，针对新能源（热泵、太阳能、暖通等）各个领域的需求，研制开发了多款不同种类的水箱产品。 　　东贝太阳能公司近10年的不锈钢承压水箱制造经验，已经拥有先进的生产设备。这款内置盘管热泵水箱整合了公司多项技术，包括不锈钢焊接和防腐技术，同时应用了“防腐墙”特护内胆技术。 　　东贝太阳能凭借其领先的不锈钢专业技术，9年市场零返还率的品质及完善的售后服务，博得了广大消费者的好评。在热泵行业、太阳能行业，暖通行业，东贝太阳能的热泵承压水箱已经成为部分客户的指定产品。