Выбор солнечного напорного резервуара для воды: раскрытие кода материалов и конструкций для сценариев высокого давления

В связи с двойными требованиями высотных жилых зданий и высокого качества жизни работающие на солнечной энергии водонагреватели с регулируемым давлением стали распространенным выбором для горячего водоснабжения домов.По сравнению с традиционными нерегулируемыми по давлению водонагревателями, водонагреватели с регулируемым давлением обеспечивают стабильное давление воды и мгновенный нагрев, полностью устраняя проблемы неравномерного расхода воды и недостаточного давления воды в высотных зданиях.Среди основных компонентов резервуара для воды с регулируемым давлением, резервуар для воды является не только отсеком для хранения тепла, но и основным компонентом, выдерживающим высокое давление.Выбор материала и конструкция устройства напрямую определяют его безопасность, долговечность и удобство использования.Однако современный рынок переполнен широким ассортиментом материалов для резервуаров для воды: от нержавеющей стали SUS304 до эмали и новых композитных материалов, что часто ставит пользователей перед дилеммой, связанной с необходимостью перегружать свой выбор многочисленными параметрами.В этой статье будет рассмотрена основная логика выбора резервуара для воды с учетом уникальных потребностей в резервуарах с контролируемым давлением, а также будут предоставлены пользователям научные и практические рекомендации по принятию решений.

I. Основная проблема сценариев с выдерживанием давления:

Резервуары для воды должны выдерживать «тройное давление»

Баки для воды напорных солнечных энергетических систем постоянно подвергаются тройному воздействию: высокому давлению, высокой температуре и коррозии. Это принципиально отличается от условий эксплуатации безнапорных баков и является ключевым фактором, который необходимо учитывать при выборе бака.

Первое давление – это постоянная высокая нагрузка. Баки для воды напорных солнечных энергетических систем должны быть напрямую подключены к городскому водопроводу и выдерживать постоянное давление воды 0,4–0,8 МПа. При использовании в условиях повышенного давления деформации или протечки сварных швов могут возникнуть в течение трёх месяцев или даже года.

Второе давление — это синергическая эрозия, вызванная высокой температурой и давлением. Температура воды в резервуаре для воды обычно поддерживается на уровне 40–75 °C. Высокие температуры ускоряют старение материала и коррозию. Для металлических внутренних резервуаров высокие температуры снижают прочность металла на разрыв, делая его более подверженным пластической деформации под высоким давлением. Кроме того, высокие температуры увеличивают активность ионов хлорида и кальция в воде, что усугубляет точечную коррозию и образование накипи. Например, внутренний резервуар из нержавеющей стали SUS304 устойчив к коррозии, вызываемой хлорид-ионами, при комнатной температуре. Однако в воде с температурой выше 70 °C, где содержание хлорид-ионов превышает 100 ppm, защитная пленка оксида хрома на его поверхности быстро разрушается, что приводит к появлению видимой ржавчины в течение трех–шести месяцев.

В условиях этих трёх видов давления высококачественные напорные баки должны обладать тремя основными качествами: высокопрочной конструкцией, выдерживающей давление, материалами, устойчивыми к высоким температурам и коррозии, и устойчивостью к образованию накипи. Это также означает, что не все материалы для баков, подходящие для применения без давления, подходят для применения под давлением. II. «Золотой треугольник» выбора материалов: от отдельных параметров к полной совместимости

Основные материалы для резервуаров для воды под давлением, представленные на рынке, делятся на три категории: 

Нержавеющая сталь SUS304/SUS316, эмалированная и композитная футеровка. Каждый материал обладает уникальными преимуществами и сферой применения. Ключевым фактором при выборе является не марка материала, а совместимость с рабочей средой.

1. Баки для воды из нержавеющей стали SUS304/SUS316: «классический выбор» для нейтральной воды 

Резервуары для воды из нержавеющей стали, благодаря своим преимуществам прозрачности и отработанным технологиям сварки, остаются основным выбором для интегрированных систем, работающих под давлением. Однако важно отметить, что не все виды нержавеющей стали способны выдерживать высокие давления, поэтому ключевыми факторами являются марка материала и качество внутренней облицовки.

2. Эмалированные резервуары для воды: надежный выбор для сложных условий эксплуатации 

Эмалированные баки для воды, благодаря высокой коррозионной стойкости неорганического покрытия, отлично работают в районах с жёсткой водой, высоким содержанием хлоридов или кислотной средой. Высококачественные эмалированные баки для воды имеют трёхслойную защитную структуру: основание из холоднокатаной стали толщиной 1,2–1,5 мм (обеспечивающее прочность на сжатие), клеевой слой толщиной 0,1–0,15 мм (обеспечивающий сцепление эмали со сталью) и поверхностный слой кислото- и щелочестойкой эмали толщиной 0,05–0,1 мм (защищающий от коррозии в воде).

Основное преимущество эмалированных баков для воды заключается в их полной изоляции от воды. Эмаль, состоящая в основном из диоксида кремния и оксида алюминия, обладает исключительной химической стабильностью. При температуре ниже 80 °C она выдерживает концентрацию хлорид-ионов ≤300 ppm и pH 4–10, а также обладает высокой устойчивостью к образованию накипи. Например, в регионах с жёсткой водой, таких как Шаньдун и Хэбэй, количество накипи, образующейся на эмалированных баках для воды, составляет всего одну пятую от количества накипи, образующейся на баках из нержавеющей стали SUS304. Кроме того, накипь легко очищается, что устраняет необходимость в частой разборке и удалении накипи.

Удары твёрдыми предметами по корпусу бака во время установки или эксплуатации могут привести к смещению внутреннего эмалевого слоя, образуя «коррозионные поражения». Поэтому эмалированные баки для воды больше подходят для домов с минимальными колебаниями температуры воды и стабильными условиями установки, а также следует избегать больших заборов воды в периоды пикового потребления.

3. Резервуары для воды из композитной смолы: потенциальный новый материал

В последние годы композитные резервуары для воды, в частности, из армированной стекловолокном смолы (FRP), начали приобретать популярность на рынке интегрированных резервуаров высокого давления благодаря своей лёгкости и коррозионной стойкости. В производстве резервуаров для воды из композитных смол используется ламинированный процесс, включающий стекловолокно и эпоксидную смолу, что обеспечивает толщину стенок 3–5 мм и прочность на разрыв более 600 МПа. Отсутствие металлических компонентов полностью исключает проблемы коррозии, характерные для металлических резервуаров.

Однако в настоящее время у резервуаров для воды из композитных смол есть два основных недостатка: во-первых, их ограниченная устойчивость к высоким температурам. Обычные эпоксидные смолы рассчитаны на длительное использование при температурах выше 60 °C. Если температура воды остается выше 65 °C в течение длительного времени, смола подвергается «тепловому старению», что приводит к снижению прочности покрытия. Во-вторых, рыночные стандарты противоречивы. Чтобы снизить затраты, некоторые мелкие производители используют переработанную смолу или уменьшают содержание стекловолокна, что значительно снижает несущую способность и долговечность резервуара, затрудняя оценку качества по внешнему виду. Поэтому при выборе резервуаров для воды из композитных смол отдавайте предпочтение брендам с сертификатом «Национальной сертификации оборудования, работающего под давлением (CRCC)» и требуйте отчет о долгосрочных испытаниях, подтверждающий «высокую температуру 70 °C и давление воды 1,0 МПа». III. «Скрытый код» проектирования конструкций: «детали, несущие давление», важнее материала.

Если материал соответствует требованиям, то конструкция резервуара для воды — это «скрытый ключ», определяющий его несущую способность и долговечность. Многие пользователи упускают из виду эти структурные детали, что приводит к «хорошим материалам с низкими характеристиками» — например, некоторые резервуары для воды из нержавеющей стали SUS304 могут прослужить 10 лет, в то время как другие начинают протекать уже через три. Главное отличие заключается в качестве конструкции.

II. Как построить долговечный резервуар для воды: важные производственные идеи

1. Процесс формования подкладки: «Первая линия защиты»Определение устойчивости к давлению 

Процессы формовки облицовки резервуаров для воды в основном делятся на «сварку» и «формовку», которые существенно различаются по своим характеристикам выдерживания давления. 

В настоящее время сварка является основным процессом, при котором листы нержавеющей стали разрезаются, а затем свариваются в цилиндрические или квадратные гильзы. Высококачественная сварная гильза должна соответствовать трём критериям: во-первых, типу сварки: следует использовать стыковую, а не нахлёсточную. Стыковая сварка обеспечивает более глубокое проплавление и может достигать более 90% прочности на сжатие основного материала, в то время как нахлёсточная сварка создаёт точки концентрации напряжений и подвержена растрескиванию под высоким давлением.

Процесс центробежной формовки использует специализированное оборудование для изготовления бесшовного лайнера из цельного куска нержавеющей стали, что полностью исключает риск сварных соединений и обеспечивает наилучшие характеристики устойчивости к давлению. Резервуары, изготовленные методом центробежной формовки, не имеют сварных швов, что обеспечивает равномерную прочность на сжатие. Под давлением воды 1,0 МПа деформация резервуара составляет всего одну пятую от деформации сварных резервуаров. Однако процесс центробежной формовки предъявляет чрезвычайно высокие требования к оборудованию и материалам, делая его пригодным только для цилиндрических резервуаров (квадратные резервуары не могут быть изготовлены методом центробежной формовки). Кроме того, стоимость процесса на 20–30% выше, чем у сварки, и в настоящее время он используется только в высококачественных, цельных моделях резервуаров, работающих под давлением.

2. Конструкция уплотнения интерфейса: критически важный узел для предотвращения утечек высокого давления 

Соединения бака (такие как вход и выход воды, а также интерфейс электронагревателя) являются уязвимыми к давлению точками, и их конструкция уплотнения напрямую влияет на герметичность и долговечность бака. Традиционные соединения используют метод герметизации «резиновый уплотнитель + резьбовое соединение». Под воздействием высоких температур и давления резиновый уплотнитель склонен к старению и деформации, что приводит к выходу из строя уплотнения в течение одного-двух лет и возникновению протечек. Высококачественная конструкция герметизации соединений должна иметь конструкцию «двойное уплотнение + защита от старения». Во-первых, уплотнительный материал должен быть изготовлен из силиконового каучука, а не из стандартного нитрилового каучука. Силиконовый каучук обладает высокой термостойкостью, превышающей 200 °C, и имеет срок службы до старения в 3-5 раз больше, чем нитриловый каучук, обеспечивая 8-10 лет стабильной эксплуатации при 75 °C. Во-вторых, метод герметизации должен использовать двойную конструкцию «торцевое уплотнение + радиальное уплотнение». Торцевое уплотнение предотвращает утечку воды через поверхность соединения, а радиальное уплотнение – через зазоры в резьбе, обеспечивая двойную защиту и улучшенную герметизацию. В-третьих, соединение следует усилить методом отбортовки или ребрами жесткости для увеличения толщины внутреннего слоя в месте соединения (с 0,8 мм до более 1,2 мм), предотвращая деформацию под высоким давлением.

3. Изоляция и внешняя оболочка: «буфер давления», который помогает защитить внутренний слой. 

Хотя изоляция и внешняя оболочка не несут на себе прямого давления воды, они имеют решающее значение для долговечности резервуара для воды. Высококачественный изоляционный слой должен быть изготовлен из цельнотянутого полиуретана плотностью не менее 40 кг/м³ и толщиной не менее 50 мм. Он должен плотно прилегать к внутренней и внешней оболочкам, не оставляя воздушных зазоров. Эта превосходная изоляция снижает колебания температуры внутри резервуара, предотвращая тепловое расширение и сжатие внутренней оболочки из-за больших перепадов температур, тем самым продлевая срок службы резервуара. Кроме того, изоляционный слой действует как буфер, предотвращая деформацию внутренней оболочки даже от незначительных ударов.

Внешняя оболочка также должна обладать как стойкостью к давлению, так и коррозионной стойкостью. В настоящее время основными материалами для изготовления корпусов являются «стальной лист с полимерным покрытием + оцинкованный слой» или «лист из алюминиевого сплава». Высококачественные корпусы должны соответствовать следующим требованиям: во-первых, толщина не менее 0,3 мм обеспечивает структурную прочность и предотвращает деформацию при транспортировке или монтаже. Во-вторых, для покрытия поверхности следует использовать «фторуглеродное покрытие», а не стандартное полиэфирное. Фторуглеродные покрытия обеспечивают повышенную стойкость к атмосферным воздействиям и коррозии, сохраняя свой первоначальный вид и не ржавея более 10 лет при использовании на открытом воздухе. Это предотвращает проникновение дождевой воды через изоляционный слой, что приводит к снижению теплоизоляционных свойств и коррозии внутреннего резервуара под воздействием влаги.

III. Руководство по выбору на основе сценариев: «Оптимальное решение» для различных потребностей

Учитывая различия в качестве воды, планировке дома и привычках использования, пользователи должны выбирать определенный материал и конструкцию резервуара для воды, чтобы избежать ошибки выбора «универсального решения».