浅析承压搪瓷储热水箱换热技术
江苏迈能高科技有限公司 刘予
摘要：目前，承压搪瓷储热水箱被广泛应用于太阳能阳台壁挂系统、集分系统、多能源系统等各种热水、供暖系统，集储热、换热功能于一体。本文将从搪瓷储热水箱的换热技术来进行分析，说明不同系统所应用的夹套、胆中胆、盘管等换热技术的特点、市场应用前景。
关键词：搪瓷水箱 夹套 胆中胆 盘管 储热水箱
0 引言
随着中国太阳能热利用工程市场的兴起，人们对于舒适生活热水及供暖的需求，承压搪瓷储热水箱被广泛应用于太阳能阳台壁挂系统、集分系统、多能源系统等各种热水、供暖系统，集储热、换热功能于一体。目前，搪瓷承压储热水箱的主要换热技术有夹套、胆中胆以及盘管3大系列，其中夹套搪瓷储热水箱被广泛应用于太阳能阳台壁挂自然循环系统，胆中胆如波纹胆、子弹头、大弹头等换热方式的承压搪瓷储热水箱被应用于集分式太阳能热水系统，而盘管应用范围更广，主要应用于多能源集成系统、家用/商用热水供暖系统、空气能热水/采暖系统。不同的应用系统应选择不同的换热技术和换热器，一般情况下，系统技术工程师会从换热器的换热效率、系统的整体防腐以及安全性三大方面来考虑使用何种换热技术和换热器。
1 夹套换热技术
1.1 夹套换热结构设计
所谓的夹套，当初是根据换热器技术结构而命名的，夹套是双层钢板之间的夹层，通过嵌套式而形成夹套空间，这个夹套密闭空间灌上换热介质就形成了一个完整的换热器，其功能就是通过换热介质将集热器中吸收的热量转移到水箱内的水中。
（图：夹套换热结构示意图）
1.2 夹套换热搪瓷储热水箱特点
夹套换热是一个内胆外壁包围式换热空间，其换热面积很大（迈能高科100L夹套水箱换热面积0.8m2），即使使用自然循环形式换热效率依然很高。另外，由于换热工质加热后会不断膨胀，占用夹套空间，对内胆形成挤压，因此一般情况下，工程师都会在结构方面考虑预设膨胀空间（例如：迈能100L夹套式水箱膨胀空间1.3L）。但是夹套换热技术结构也有其弊端，一般而言搪瓷储热水箱内胆直径都在300mm以上，加工过程又不可能将内胆筒体卷成正圆，当压力达到一定值时，夹套层之间的压力会挤瘪内胆，造成夹套层耐压能力很弱。所以有人提出夹套内胆搪瓷水箱不适合做集中集热分户储热系统，这是很有道理的。而且夹套换热搪瓷储热水箱所应用的自然循环太阳能阳台壁挂系统对集热器、水箱安装位置、管路排布都有要求限制，应用范围相对较窄。
1.3 夹套换热目前主要应用系统
夹套换热的结构特点决定了其应用领域的局限，目前市场上大部分的夹套换热搪瓷储热水箱都应用于太阳能阳台壁挂系统，可自然循环也可以使用小型外置泵，如迈能研发的“微控智循环阳台壁挂系统”就是使用外置循环泵的夹套换热搪瓷储热水箱。除了阳台壁挂系统，当前夹套换热搪瓷储热水箱也应用于平板承压一体机，这种系统主要适用于单体独栋建筑类的低层建筑。
1.4 夹套换热搪瓷储热水箱市场分析
以迈能为代表的夹套换热搪瓷储热水箱换热面积大，换热效率高，内置膨胀空间在市场得到了成功应用，消除了市场对分体式换热效率不如紧凑式太阳能的误区。夹套式的阳台壁挂系统得到了大面积的应用，成为城市高层建筑太阳能一体化的最主要形式。
但夹套换热搪瓷储热水箱对水箱的换热结构、膨胀空间设置以及抗负压能力有着比较高的要求。针对这三点，我们可以逐一来分析市面上一些夹套换热搪瓷储热水箱的问题。
第一，很多厂家的夹套换热搪瓷储热水箱为半夹套式换热器，即在内胆筒身上部分覆盖夹套换热。其弊端为：换热面积小、膨胀空间不足、水箱底部水加不热。
第二，系统使用玻璃真空管集热器，闷晒介质温度过高而气化，液体气化体积膨胀200倍，而系统没有安装泄压阀，造成介质管路压力过高，挤瘪内胆（内胆可靠运行负压≤0.15Mpa）。
第三，一些厂家采用内胆筒体滚筋的办法。在筒体上滚筋目的是增强内胆的抗负压能力。虽然抗负压能力加强了，但是内胆额定工作压力下降了。原本内胆设计需要内胆刚度越强越好，但是滚筋将内胆筒体变为一个弹性结构，违背承压水箱的设计原理。
2 胆中胆换热技术
2.1 胆中胆换热结构设计
顾名思义，胆中胆换热即为太阳能搪瓷储热水箱内胆内部所设计的另一个小内胆，这个小内胆就用作热交换，因为是内胆中的一个小内胆，所以才称为胆中胆换热。胆中胆换热搪瓷储热水箱按照小内胆材质来分有两类：不锈钢换热内胆搪瓷储热水箱和搪瓷换热内胆储热水箱；而按照小内胆的具体结构样式来分，又有好几种：波纹胆搪瓷储热水箱、子弹头搪瓷储热水箱、双弹头搪瓷储热水箱以及翅片搪瓷储热水箱等。
2.2 胆中胆换热特点
胆中胆系列换热器耐受内压和负压的能力都比较强，而且简单易实现，成本低，被一些企业用于太阳能阳台壁挂自然循环系统和集中分户系统。但后来在反复试验中我们发现，换热效率和水箱结构是两大技术难点。一方面，胆中胆系列换热器换热面积普遍不大，市场上很多100L水箱配置换热面积不足0.3m2；另一方面，换热胆与内胆结合方式不合理，换热内胆管接口与内胆结合方式在耐受压力脉冲时局部部位容易出现撕裂漏水。因此，迈能工程师尝试使用盘管换热来替代胆中胆，并由此研制发明了另一种换热方式——侧循环塔式盘管换热搪瓷储热水箱。
（图：GMO迈能塔式盘管换热器局部示意图，专利产品）
2.3 胆中胆换热主要应用系统及市场分析
胆中胆换热搪瓷储热水箱普遍耐压能力强，适用于集分系统，而侧循环塔式盘管搪瓷储热水箱攻克卧式搪瓷盘管气堵技术难题，突破传统胆中胆换热效率低等技术瓶颈，近年来逐步替代翅片、子弹头等一些胆中胆换热搪瓷储热水箱，成为集中集热分户储热系统的最佳选择。
3盘管换热技术
3.1盘管换热结构
一般人对盘管都不陌生，其结构形式是有规律盘错的呈螺旋状的管道。而应用在搪瓷储热水箱中的盘管按照结构样式来分有3大类，一类是塔式盘管，其呈不规则的螺旋状，立体形状像塔结构，因此取名塔式盘管；第二类是单盘管，立体形状一般为规则的圆柱形；第三类为多盘管，立体形状也为规则的圆柱形，一般为双盘管。
3.2 盘管换热搪瓷储热水箱特点
可以说盘管换热是当前最被市场所接受的换热形式。盘管换热面积大，工质管道流动距离远，换热充分。盘管可以根据需求绕制成不同的形状、大小，可以根据应用环境设置不同大小的管径、盘管之间的间距，而且盘管耐压能力强，适合强制循环分体系统，能够满足很多系统的应用需求。
3.3盘管换热搪瓷储热水箱应用系统与市场分析
在太阳能热利用领域，盘管换热搪瓷储热水箱可以应用在集中集热分户储热系统（上文已讲）。也可以应用在太阳能采暖系统，太阳能集热器吸收的热量通过盘管换热加热水箱中的水，提供生活热水和取暖，地板预埋的取暖管道中的导热介质也可以通过和储热水箱盘管进行连接，进行换热和取暖。盘管换热搪瓷储热水箱在多能源互补系统中应用更为广泛，基本上所有的多能源互补系统均无一例外地会选用盘管换热搪瓷储热水箱。
但目前，盘管热水搪瓷储热水箱技术性较强，工艺要求高，尤其是盘管管座处的焊接点的防腐以及盘管搪瓷工艺等技术壁垒，导致很多缺乏技术与经验的搪瓷储热水箱生产企业望梅止渴，除了迈能、AO史密斯、胡赫等企业，其他很多搪瓷储热水箱生产企业对多能源盘管换热搪瓷储热水箱市场没有涉足，停留在简单的小容量水箱生产的初始阶段。
3.4搪瓷盘管与铜盘管
盘管按照使用材质可以分为搪瓷盘管水箱和铜盘管水箱两大类。目前有些人士对于盘管的材料有些争议。主要纠结于铜盘管的换热器和搪瓷盘管的换热器。赞成铜盘管的主要认为铜盘管的导热系数高，换热效果好，而搪瓷的基材是低碳钢加搪瓷层换热效果要比铜材的差。铜盘管表面经过防腐处理可以大大延长换热盘管的使用寿命。关于这样的说法其实存在很大的误区。
（图：GMO迈能搪瓷盘管与铜盘管）
3.4.1 搪瓷盘管与铜盘管的换热效率问题
搪瓷盘管的材料和表面附着搪瓷导热系数确实低于铜材的盘管，但是在实际产品中可以发现，搪瓷盘管往往做的比较大比较长，换热面积要比铜盘管大很多。另外搪瓷盘管的通径也比铜盘管的大很多，循环工质的流量也要大。最终影响换热效率的有循环工质与使用水的温差、工质流量、换热面积、传热系数。单单的谈传热系数是不能完全说明问题的。欧洲壁挂炉配套水箱使用的换热形式就是搪瓷盘管，换热功率可以和几十个千瓦燃气壁挂炉匹配。图示（1），显示了不同条件下的换热功率。太阳能远远达不到这样的功率，所以大可不必怀疑搪瓷盘管的换热效率。
|
换热面积 |
工质温度 |
单位 |
功率 流量 |
|
1.0m2 生活用水从10℃升到45℃。不同工质温度对应流量下的换热功率。 |
80℃ |
kW |
32 |
|
l/h |
786 |
||
|
70℃ |
kW |
25 |
|
|
l/h |
614 |
||
|
60℃ |
kW |
17 |
|
|
l/h |
417 |
||
|
50℃ |
kW |
9 |
|
|
l/h |
221 |
图（1）
3.4.2搪瓷盘管和铜盘管的腐蚀问题
搪瓷盘管表面搪瓷了，做到了防腐。那么铜盘管表面也做一些特殊的防腐处理来保证盘管的寿命。其实这是一个非常大的误区，铜盘管安装在搪瓷内胆里面，铜盘管是不会发生腐蚀的，无需进行表面处理。真正的问题是，因为有了铜盘管，会加快内胆的腐蚀，影响到搪瓷内胆的使用寿命。这里面就要讲到金属原电池的化学原理了，当铜和铁（搪瓷内胆基材主要成分）置于酸性溶液中，二者未用导体连接时，铜和铁均会发生腐蚀。但是当用导线将铜和铁接通时，铜不会受到腐蚀，而铁的腐蚀则大大加快。这时候如果用电流表检测导线会发现，导线上有电流通过。电池就是根据这一原理而发明出来的。
了解搪瓷内胆水箱的人都知道，搪瓷内胆水箱必须安装镁棒的，为什么一定要安装镁棒呢，因为镁的金属活泼性要强于铁，利用金属原电池的原理，牺牲镁棒保护内胆。回到原先的话题，铜盘管安装到内胆中，铁的金属活泼性强于铜，那么牺牲的一定是作为内胆材料的铁了。铁被腐蚀，那么性能再好的水箱也会发生漏水。所以铜盘管表面做防腐处理再安装到搪瓷内胆水箱中来延长水箱寿命，能够起到的作用完全是相反的。
3.5盘管换热搪瓷储热水箱应注意的问题
第一，盘管与内胆最好使用相同材质。因为材质不同盘管与内胆没有做成电绝缘，会产生金属原电池反应（电化学反应）倾向性的快速腐蚀其中一种金属，造成泄漏。表现特别明显的就是不锈钢内胆铜盘管的水箱，2年内漏水率已经非常高。
第二，盘管换热面积与集热面积不匹配。由于减小换热面积可以比较大的降低水箱成本，为迎合低价竞标需求认为减少盘管配置降低了水箱的换热性能。
第三，预先考虑盘管气堵问题。盘管的放置和绕制没有考虑盘管排气问题，造成微气泡进入盘管不能被排出来，造成循环阻力变大。
第四，盘管通径一定要根据系统来选配。大功率的换热需要介质大流量的通径，换热面积满足的情况下，通径不足，造成流量限制，换热功率不够。比如供暖配套的换热盘管就必须采用大通径的盘管。
4 其他换热技术
除以上所述的搪瓷储热水箱换热形式以外，目前市场上还有外置盘管、微通道等换热形式，这些都主要应用于空气能领域。
空气能热水器市场发展历史不是很长，但由于其具备节能、安全、使用方便等突出性能特点，在市场颇受欢迎，这几年实现了突飞猛进的增长。空气能热水器利用逆卡诺原理，使用压缩机将空气中的热量搬运转移到水箱中的水中。这个热量搬运转移过程其实也是一个转换和换热过程。空气能热水器也通过介质进行换热，介质的主要换热点就是盘管、微通道等换热器。
空气能热水器以前多用内置式盘管（有铜盘管，也有不锈钢盘管），这种换热技术成本低、换热效率高，但是腐蚀是其致命的缺陷，至今鲜有解决办法，很多内置盘管空气能搪瓷储热水箱的抗震、防腐、防结垢问题其实并没有得到根本性的解决。
因此，现阶段，空气能热水器最佳的换热方式为外置式换热。经过不断的探索研究，目前已经形成外置铜盘管、外置铝管以及微通道3大换热方式。外置铜盘管以格力、迈能为代表，采用D型内螺纹外置铜盘管，极大地为换热提供有利条件，保证了换热效率，目前外置铜盘管技术最为成熟。外置铝管和微通道技术相对来讲还处于初步应用阶段，目前迈能以及其他一些企业已经在搪瓷储热水箱中应用外置铝管和微通道技术。
（图：GMO迈能外置铜盘管、微通道、铝盘管换热产品）
5 结语
不同的应用环境和应用需求决定了使用什么样的换热技术和换热方式，因此，我们在选配搪瓷储热水箱时一定要充分考虑应用的条件。搪瓷储热水箱在进行研制开发时也必须以市场实际需求为准，量身定制，提供完整的解决方案，否则就有可能在防腐、安全等方面造成各种问题。
