关于储热热水器安全阀滴水的问题分析Word文件下载.docx
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二、理论分析
从注水到加热至热水器安全阀滴水,内胆中的空气经历了两个过程,第一个过程是从注满水用户关掉出水阀开始,到内胆中空气压力等于进水压力为止,这个过程可以近似认为是等温压缩过程。
根据理想气体方程可知:
P0V0=P1V1
(1);
式中:
P0为大气压;
V0为水面刚好达到出水管高度时,胆内空气的体积;
P1为进水绝对压强,;
V1为胆内空气压力等于进水压力时,胆内空气的体积。
特别说明:
所有的压强均应该是绝对压力,而不是表压力,我们通常说的进水压是指的表压力,所以再带入公式计算时,应该是我们通常说的进水压+0.1(即大气压),下不赘述。
并且此过程有如下几何特点:
Vs1-Vs0=△Vs1=△Vk1=V0-V1
(2)
第二个过程为热水器加热过程,水受热膨胀,将压缩空气,同时热量传递给空气,空气温度上升,压缩和温度上升两个因素都将导致胆内空气压力上升,当压力上升到安全阀的泄压压力时(忽略水柱所产生的压力),安全阀开始滴水,对此过程应用理想气体方程可知:
P1V1/T1=P2V2/T2
(3)
P2为安全阀开始滴水时的气体绝对压,可近似认为等于(安全阀外泄压+0.1);
V2为安全阀开始滴水时的气体体积;
T1为开始加热前的空气温度,近似认为等于进水温度;
T2为开始滴水时空气的温度,近似认为等于热水温度。
所有的温度均应该是热力学温度,而不是摄氏度,折算公式可以按照:
T(热力学温度)=273+t(摄氏温度),下不赘述。
Vs2-Vs1=△Vs2=△Vk2=V1-V2
(4)
再根据水的膨胀系数表查知:
从T1到T2过程,水的膨胀率为k,
定义k=(Vs2-Vs1)/Vs1,于是有下式:
△Vs2=Vs1*k
(5)
说明:
如查表得到的水的膨胀系数a的含义是Vs2/Vs1,此时利用本文中的k的定义稍作变换即可,即k=(Vs2-Vs1)/Vs1=Vs2/Vs1-1=a-1。
联立
(1)-(5),可以求解出Vs0与V0的比例关系(即水刚注到出水管管口时候,胆内水和胆内空气的比例)如下式所示:
Vs0/V0=[(P2T1-P1T2)*P0-k(P1-P0)P2T1]/P2P1T1k(6)
而内胆总体积Vd=VS0+V0,故可得到初始胆内空气体积占内胆总体积的比例为(这样就可以给设计师提供出水管管口到内胆顶端合适的距离是多少):
V0/Vd=V0/(Vs0+V0)=1/(Vs0/V0+1),(7)
将(6)带入(7)可得到:
V0/Vd=kP1P2T1/[P0*(P2T1-P1T2)+kP0P2T1]
应用举例:
假定进水温度15℃,加热至75℃,进水压力0.1MPa,安全阀外泄压力为0.75MPa,查水的膨胀系数表,可知从15℃到75℃,水的膨胀率为k=0.02488,带入上式计算(特别注意,需要将我们通常习惯定义的表压力折算为绝对压力,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%
也就是说,当进水压力为0.1MPa,水温为15℃,加热至75℃,此过程如要内胆压力小于等于0.75MPa,则内胆设计时,以出水口平面为界,上部空间需要达到内胆总空间的6.72%以上。
上述分析中,没有考虑安全阀的内泄作用(即当内胆内的压力大于(安全阀内泄压力+进水压力)时,内胆的水会回流到供水管道中),而内泄作用对降低内胆加热过程中的压力是有益的因素,所以对上述分析来看,忽略此项因素,相当于是对上述分析所得结论额外增加了一项安全系数。
三、实验验证
可通过如下试验进行验证:
方法1:
固定进水温度和加热温度(例如进水15℃和加热温度75℃),调整不同的进水压力,根据公式可以算出预留空气体积与整个内胆体积的比值,如下表所示:
进水表压力
进水绝对压力
V0/Vd
0.1
0.2
6.72%
0.3
12.47%
0.4
21.81%
根据上表,调整内胆中出水管的长度,使其满足上表要求的预留空气体积与整个内胆体积的比值,然后在内胆出水管口接一个压力表。
记录内胆顶端温度与压力表读数。
数据结果应该是当内胆顶端温度达到75℃左右时,压力表的读数才会达到0.75MPa。
方法2:
固定进水温度和进水压力(例如进水15℃,压力0.1MPa),调整不同的加热温度,根据公式和不同温度下水的膨胀系数表,可以算出预留空气体积与整个内胆体积的比值,如下表所示:
加热温度
对应水的膨胀系数
50
0.01121
3.08%
60
0.01618
4.42%
80
0.02811
7.56%
数据结果应该是预留空气体积与整个内胆体积的比值为3.08%的内胆应该在50℃左右,压力达到0.75MPa;
4.42%的内胆应该在在60℃左右,压力达到0.75MPa;
7.56%的内胆应该在在80℃左右,压力达到0.75MPa。
而且,通过对比上述两表,可以得到的结论是:
进水压力的变动对胆内压力的影响要远大于加热温度的变动。
所以解决安全阀滴水的主要方向,应该是控制进水压力。
可在热水器进水管道离热水器安全阀较远的地方装一个减压阀(之所以要一定距离,主要是考虑预留一定管道空间给安全阀内泄时将水排回供水管道。
)来实现降低进水压力的目标。
在实验室按上述两个方法分别做了实验进行验证(待进行),实验结果如下:
从实验结果看,理论分析结果和实验结果吻合的?
?
四、结束语
热水器厂家可以通过适当调整内胆出水管长度,并让用户加配减压阀来解决加热过程中的热水滴出问题。
考虑到国标允许±
10%的内胆容量偏差,调整出水管的长度并不会对厂家的成本增加产生多大影响,而又能解决滴水问题,实现水资源的节约,电资源的节约,延长内胆寿命,减少用户抱怨等多项好处。
当然增大胆内空气的体积,也存在着潜在的风险,即内胆没有得到镁棒保护的面积增多了(内胆能得到镁棒的保护,必须要有电解质的水将两者导通,构成原电池的外电路,镁棒和内胆的直接导通相当于原电池的内电路,只有内电路和外电路合在一起时,牺牲阳极阴极保护才能实现),在高温情况下,这是否会增大内胆腐蚀的风险,还需要进一步的研究分析。
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- 关于 热水器 安全阀 滴水 问题 分析