承压式储热水箱脉冲压力试验的研究

摘要 本文阐述了承压式太阳能储热水箱存在的问题及国家标准对于其寿命试验作出的规定要求，提出了脉冲压力试验系统研制思路及相关关键问题解决方案。该系统已成功应用于承压式储热水箱脉冲压力试验测试，在实际应用过程中，将不断优化改进，使其更方便、更快捷、更高效地应用于广大水箱生产制造企业水箱测试过程中。 　　0 发展现状 　　为鼓励可再生能源的推广应用，国家出台了多种扶持可再生能源发展政策，全国各级政府先后出台了140多项有关太阳能热水系统在城市和建筑上应用的相关文件，助推太阳能热利用产业发展。 　　目前，已经有20多个省、自治区和直辖市出台了强制推广太阳能热水系统的政策，对城市新建12 层以下建筑需要配套推广太阳能热水系统。在各级政府政策大力支持及强大的市场需求下，分体式太阳能热水系统因其容易与建筑相结合，易于在多层乃至高层建筑上应用而得到迅速发展应用。 　　1 存在问题 　　在行业快速发展的同时，由于激烈的市场竞争， 作为热水承载装置的系统关键部件———承压水箱质量参差不齐，差异很大，随之而来的质量问题也挑战着这个“朝阳”产业。由于承压水箱内胆长期处于较高温度且承压运行，部分水箱易发生腐蚀或变形因而出现漏水等较大质量问题。 　　另外，分体式太阳能热水系统多采用传热介质向水箱传递热量，传热介质多为醇类液体，其高温运行过程中对水箱换热夹层、盘管或内胆具有一定的腐蚀作用。承压水箱在自来水水压及被传热介质包裹的“内忧外患”下长年运行，如果不进行严格的工艺质量控制，存在未来几年内集中爆发重大质量问题的隐患，影响行业健康发展。 　　2 技术要求 　　为了规范太阳能热水系统储热水箱产品质量，2012年国家能标委重磅推出两项国家标准，即太阳能热水系统储热水箱技术条件及试验方法。2013年行业亦在积极制订承压式搪瓷内衬储热水箱行业标准用以规范自律。随之而来，消费者以及行业对于地方政府监管的呼吁之声越来越强烈，急需开发建设太阳能热水系统储热水箱检验能力。 　　2.1 标准要求 　　采用封闭式储水箱的家用太阳能热水系统在承受8万次脉冲压力试验后，加热管和储热水箱应无渗漏，贮热水箱应无明显变形和开裂。 　　2.2 试验方法 　　将家用太阳能热水系统连接到耐压试验装置上，对家用太阳能热水系统注水加压至额定工作压力100%±5%,保持5min，检查热水系统是否有渗漏等异常现象。 　　将家用太阳能热水系统连接到脉冲压力试验装置上，按如下要求进行试验： 　　脉动压力：容器内注入环境温度的水；排空容器内空气，按额定工作压力的15%到（100%±5%）之间的数值交替对容器加压。 　　频率：25次/min~60次/min循环次数：8 万次，每加压1 万次结束时，将压力至少维持在额定工作压力10min，目测容器无明显变形，再进行下面的循环试验。 　　2.3 最终检查 　　脉冲压力试验完成后目测家用太阳能热水系统的贮热水箱、辅助热源、集热器、集热管、管路以及其他设备组件有无渗漏和明显变形。 　　3 需要解决的关键问题 　　3.1 脉冲信号的发生方式与高低压力控制常见的脉冲压力试验装备一般采用以下两种脉冲信号发生方式：一是采用脉冲信号发生器的方式； 　　二是采用伺服电机配合伺服阀的方式。脉冲信号发生器的方式易于调控信号输出，但是对于执行部件快速响应具有较高的要求，对于信号的反馈也比较难于随时快速调控，因而压力输出波形不尽理想，但是由于操作简便，常被用以与变频增压泵组合形成脉冲压力试验系统。 　　采用伺服电机与伺服阀发生压力脉冲的方式也是脉冲压力试验系统常用的应用方式，由于伺服电机可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，使控制速度，位置精度非常准确。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高等特性，能由此获得较好的压力输出及反馈调控。 　　但是在这种方式下，伺服阀长期处于工作状态，几万次甚至十几万次、几十万次脉冲试验下来，伺服阀也即将磨损消耗殆尽，而伺服阀一般价格不菲，长此以往试验消耗就会非常大。 　　本系统在研制的过程中采用PLC 作为脉冲信号输出及反馈控制源，采用西门子MM440变频器配合格兰富循环增压泵作为执行部件，PLC 及变频器同时接受测控计算机的信号采集及指令输出，调控过程采用预置高低压频率，在测试过程中运用模糊控制反馈调整的方式进行，经连续测试压力输出状态良好(见图2）。 　　3.2 系统响应慢 　　太阳能热水系统储热水箱因容积较大且顶端带有膨胀气囊，进行压力试验时时间常数较大，响应相对较慢，常规的换热器、耐压管等专用脉冲压力试验设备用在热水系统储水箱上时颇为“力不从心”。因而，需要针对容积较大的储水箱需重点解决如何使其快速升压、快速泄压等问题。 　　研制过程中，采用单通道增压、双通道减压的方式进行管路系统设计，采用大容量变频循环增压泵做为系统压力源，升压时变频器拖动的循环增压泵快速启动直至达到设定压力，泄压时变频器快速降频，采用双通道增加系统泄压流通面积，从而实现压力的快升与快降，进而实现脉冲压力25次/min~60次/min的调节。 　　3.3 脉冲信号检测 　　脉冲压力试验过程中，采用压力变送器可以读取试验压力，但是采用压力信号值作为脉冲信号的检测在操作过程中会引起一定程度的滞后。因此，选用合适的脉冲感知元件进行信号的检测也是系统设计的一项关键内容，本系统设计过程中选用霍尔元件检测每一次系统脉冲，在准确获知脉冲信号输出的同时既不影响升压也不妨碍系统泄压。 　　3.4 压力曲线记录 　　为了直观反映并记录脉冲压力试验过程中实际试验压力的变化，绘制实时压力曲线显得颇为重要。采用低频示波器可精确显示压力波形变化，但示波器难以记录或难以长时间记录压力曲线。 　　常见的数据记录软件绘制实时曲线一般以秒作为时间计量单位，无法准确显示脉冲压力试验过程中密集的压力测试数据，采用ms作为计量单位时运算量巨大，容易造成计算机运行缓慢。本系统采用100ms作为数据记录显示单位，采用相对数据的方式，实时绘制压力变化曲线，基本能满足压力波形的记录与实时显示（见图3）。 　　4 结语 　　在分体式太阳能热水系统快速发展进程中，严格把关生产工艺，提高产品质量水平对于消费者认知接受度的提高，对于行业健康快速发展等都是非常必要的。储热水箱作为系统核心部件，承担着换热与储热等重要职责，工作过程中既要承受自来水压力又要承受来自于传热介质的腐蚀，因此其质量水平直接决定着整个系统的使用寿命。 　　为有效测试水箱耐受脉冲压力的能力水平，研制性能优良的脉冲压力试验系统具有非常重大的意义。本系统在研制过程中，利用PLC与计算机、变频器组合的测控方式实现了脉冲压力的发生及测控，有效解决了较大容量装置脉冲压力试验高低压难以快速调控、系统响应慢等技术难题，采用霍尔元件检测脉冲信号的输出，采用相对曲线记录实时压力曲线，成功实现了脉冲压力信号的输出检测及实时曲线绘制。 　　目前，该系统已成功应用于承压式储热水箱脉冲压力试验测试，在实际应用过程中，将不断优化改进，使其更能方便、快捷、高效的应用于广大水箱生产制造企业水箱测试过程中。（国家节能产品质量监督检验中心 刘华凯 李郁武 王帅 颜士峰　江苏徐州三科电气有限公司 朱汉武）