熱水器保溫性能的研究

熱水器保溫性能的研究

1加大在水泵保溫系統(tǒng)的研究力度目前，國內(nèi)各制造材料的熱水浴蓋的性能水平存在較大差異，且存在試驗缺陷。與此同時,行業(yè)內(nèi)并無對熱水器用泡沫保溫性的研究報道。相關(guān)理論的缺乏,使多數(shù)新產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計,需要通過反復(fù)多次試驗確認,不僅產(chǎn)品開發(fā)的周期過長,還造成了人力、物力等資源的浪費。因此,對水箱保溫性能的系統(tǒng)研究刻不容緩。本文以硬質(zhì)聚氨酯泡沫作為保溫隔熱層的熱水器為研究對象,探討發(fā)泡原料(即異氰酸酯與組合聚醚多元醇)配比、發(fā)泡密度對水箱保溫性能的影響。2實驗部分2.1異氰酸酯與組合聚醚多元醇配比對泡沫發(fā)泡的影響在一定溫度條件下,多異氰酸酯中的異氰酸根(-NCO)與組合聚醚(中的羥基(-OH)在催化劑的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成聚氨酯,并釋放出大量熱量對于聚氨酯發(fā)泡來說,黑白料(即異氰酸酯與組合聚醚多元醇)的配比是很重要的。按完全反應(yīng)計,應(yīng)控制異氰酸酯與羥基摩爾比為1.00。此時,兩者在反應(yīng)釜中完全反應(yīng)生成導(dǎo)熱系數(shù)較小的聚氨酯。反應(yīng)方程式如圖1中式(1)所示。但是,在實際操作中,考慮到原料中水分會消耗少量異氰酸酯等因素,多異氰酸酯一般過量5%左右,即異氰酸酯指數(shù)在1.03～1.1左右。此時,多余的異氰酸酯與組合聚醚中的水發(fā)生反應(yīng),生成聚脲2.2氣固相導(dǎo)熱系數(shù)的熱傳導(dǎo)模型硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料最重要的特性之一就是熱導(dǎo)率小,所以是一種性能優(yōu)良的絕熱材料,硬泡的熱導(dǎo)率有以下幾個因素構(gòu)成:λ=λ輻射+λ氣相+λ固相+λ對流。其中:λλλλ一般情況下,硬泡的孔徑很小,熱導(dǎo)率主要取決于前三個因素,泡孔內(nèi)氣體對流傳熱可以忽略由于聚氨酯泡沫有著特殊的泡孔結(jié)構(gòu),所以我們對其氣相和固相傳熱進行整體分析,同時由于其氣固相傳熱過程與內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系,因此其內(nèi)部結(jié)構(gòu)直接影響著氣固相導(dǎo)熱性能。通過氣固相傳熱模型,研究各參數(shù)對氣固相導(dǎo)熱系數(shù)的影響。本次我們采用平面熱傳導(dǎo)模型進行分析,以圖2所示的雙層玻璃窗模型為例根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律:其中λ根據(jù)公式(3)和(4)可得:假設(shè)雙層玻璃窗總體導(dǎo)熱系數(shù)為λ,則有:得出氣固相傳熱導(dǎo)熱系數(shù):從公式(3)～(7)可以看出,玻璃窗總導(dǎo)熱系數(shù)與玻璃、空氣的導(dǎo)熱系數(shù)和二者的厚度有關(guān)。假定聚氨酯泡沫的整體密度為ρ,其中泡孔基體聚氨酯密度為ρ其中:ρ在立方體模型中,可以將三維意義的體積分數(shù)簡化為一維,因此可以得出:其中:δ——斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)(為5.67x10從公式(8)～(12)中可以看出,導(dǎo)熱系數(shù)大小與發(fā)泡料密度有直接關(guān)系。因此,繼上一階段通過控制黑白料的比例來優(yōu)化水箱保溫性能后,我們還可以通過調(diào)節(jié)泡沫的密度來提高水箱的保溫性能。2.3試制成品網(wǎng)箱的成型在恒溫(20℃～30℃)發(fā)泡房中,采用高壓發(fā)泡機,依次調(diào)整發(fā)泡黑料(異氰酸酯)、白料(組合聚醚多元醇)比例分別為0.9:1、0.95:1、1:1、1.05:1、1.1:1、1.15:1、1.2:1,對7臺相同型號的150L水箱試驗樣機按不同黑白料比例進行發(fā)泡灌注,最終生產(chǎn)出滿足試驗要求的試制成品水箱。(注:7臺試制水箱,除發(fā)泡黑白料比例不同外,其他變量,如發(fā)泡總灌注量、熟化時間等參數(shù)均保持一致。)制得試制水箱后,在實驗室進行保溫性能測試,測試條件為:水箱中注滿55±0.5℃的熱水,在20±2℃、風(fēng)速≤0.5m/s的自然狀態(tài)下放置24h,之后測其溫降值。(注:后續(xù)試驗中,試制水箱的發(fā)泡生產(chǎn)過程及保溫性能測試過程和測試條件,不再贅述。)在恒溫(20℃～30℃)發(fā)泡房中,設(shè)定黑白料比例為1.05:1,通過調(diào)整發(fā)泡機的灌注量,制得泡沫密度分別為30Kg/m3結(jié)果與討論3.1行業(yè)內(nèi)抗菌性能對比試制水箱保溫性能測試的溫降值結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出:隨著黑白料配比的增大,水箱溫降值先減小后增加,料比為1.05:1時,溫降值最小,水箱的保溫性能最好。結(jié)合GB/T23137-2008《家用和類似用途熱泵熱水器》保溫性能要求可知,在試驗設(shè)定的黑白料配比范圍內(nèi),水箱的保溫性能均滿足國標(biāo)要求(國標(biāo)要求:容積為100～300L的水箱,放置24h后水溫溫降值≤8℃為了進一步確認黑白料配比對泡沫保溫性能的影響,可以對比水箱理論溫降值與實際溫降值的變化趨勢是否相符,對比結(jié)果如圖4所示。水箱熱水熱量損失:其中:c——水的比熱容4200J/kg.℃;m——水箱容量(以150L水箱為例,m=150kg);Δt——水箱溫度變化值。根據(jù)熱量散失公式:其中:Q——每小時每平方米物質(zhì)的總散熱量,單位W/mα——保溫層表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(保溫場合該系數(shù)通常為11.63W/mδ——發(fā)泡層厚度,單位m;tt根據(jù)能量守恒定律和傅里葉定律故保溫性能理論公式:其中:H——時間,單位h;S——水箱內(nèi)膽表面積,單位m同樣條件下采用小模具發(fā)泡,制得泡沫樣件測試其導(dǎo)熱系數(shù),并結(jié)合保溫性能理論公式Δt=[(t3.2固相導(dǎo)熱系數(shù)的增加保溫性能測試,結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出,在30～50Kg/m從圖6可知,在聚氨酯泡沫密度較小的密度區(qū)域內(nèi),泡孔較大,氣相導(dǎo)熱占據(jù)著主導(dǎo)(即:主要是由氣相導(dǎo)熱引起的)。隨著泡沫密度的增加,泡孔減小泡孔壁變薄,氣相導(dǎo)熱和輻射傳熱減小,而此時固相導(dǎo)熱的增加還不足以彌補氣相導(dǎo)熱和輻射導(dǎo)熱的減小,使得泡沫整體導(dǎo)熱減小;隨著泡沫密度的進一步增加,泡沫基體引發(fā)固相導(dǎo)熱系數(shù)增大,且增加的速率超過了氣相導(dǎo)熱和輻射導(dǎo)熱的減小速率,最終使得泡沫整體導(dǎo)熱增加。導(dǎo)熱系數(shù)大小與發(fā)泡料密度有直接關(guān)系,且泡沫總的導(dǎo)熱系數(shù)在38～45Kg/m為了進一步檢驗我們的研究效果,并將相關(guān)成果更加直觀地表達出來,按照相同的工藝參數(shù)及研究得出的保溫性能最佳時的工藝參數(shù)值,采用相同工藝制備了2臺水箱試制機,并對其進行保溫性能測試,水箱的保溫性能明顯提高,放置24h后熱水的溫度溫降值降低0.5℃。4對水景保溫性能的影響通過試驗驗證和結(jié)合相關(guān)理論、建模分析,系統(tǒng)深入地研究黑白料配比、發(fā)泡密度對水箱保溫性能的影響規(guī)律,最終探索出影響水箱保溫性能最佳的黑白料配比、發(fā)泡層密度關(guān)鍵參數(shù)值。采用科學(xué)合理的試驗方案,理論和實測值間的對比分析,證實了該項目試驗