鄙人在熱水器行業(yè)做研發(fā)工作近9年，在收集用戶需求的過程中，熱水器加熱過程中安全閥過早滴水的問題是用戶抱怨較多的一個(gè)問題。根據(jù)對不同廠家的產(chǎn)品進(jìn)行滴水測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)看，一個(gè)加熱過程，平均滴水量要達(dá)到1升左右。保守估計(jì)市場存量機(jī)器為5000萬臺，按一天加熱一次計(jì)算，浪費(fèi)的水量是驚人的：1*5000/1000=5萬噸水，相當(dāng)于48個(gè)標(biāo)準(zhǔn)游泳池的水量。并且需要注意的是滴水并不是冷水，而是加熱后的水，取進(jìn)水15度，滴水的平均水溫為50度，則損失的熱量為：50000*1000*4.17*（50-15）=7297.5MJ，折合標(biāo)煤為250噸?？梢姲踩y滴水看似小事，但其中對節(jié)能減排，水資源節(jié)約大有文章可做。此外，安全閥過早滴水說明內(nèi)膽過早達(dá)到額定壓力，換言之內(nèi)膽是長時(shí)間處于高壓狀態(tài)下，這對內(nèi)膽的壽命而言也是不利的。所以鄙人認(rèn)為有必要對此問題進(jìn)行分析和研究，找到改善的方法。

從注水到加熱至熱水器安全閥滴水，內(nèi)膽中的空氣經(jīng)歷了兩個(gè)過程，第一個(gè)過程是從注滿水用戶關(guān)掉出水閥開始，到內(nèi)膽中空氣壓力等于進(jìn)水壓力為止，這個(gè)過程可以近似認(rèn)為是等溫壓縮過程。根據(jù)理想氣體方程可知：

P₀V₀=P₁ V₁       (1);

式中：

P₀為大氣壓；

V₀為水面剛好達(dá)到出水管高度時(shí)，膽內(nèi)空氣的體積；

P₁為進(jìn)水絕對壓強(qiáng)，；

V₁為膽內(nèi)空氣壓力等于進(jìn)水壓力時(shí)，膽內(nèi)空氣的體積。

特別說明：所有的壓強(qiáng)均應(yīng)該是絕對壓力，而不是表壓力，我們通常說的進(jìn)水壓是指的表壓力，所以再帶入公式計(jì)算時(shí)，應(yīng)該是我們通常說的進(jìn)水壓+0.1（即大氣壓），下不贅述。

并且此過程有如下幾何特點(diǎn)：

V_s1-V_s0=△V_s1=△V_k1=V₀-V₁    （2）

第二個(gè)過程為熱水器加熱過程，水受熱膨脹，將壓縮空氣，同時(shí)熱量傳遞給空氣，空氣溫度上升，壓縮和溫度上升兩個(gè)因素都將導(dǎo)致膽內(nèi)空氣壓力上升，當(dāng)壓力上升到安全閥的泄壓壓力時(shí)（忽略水柱所產(chǎn)生的壓力），安全閥開始滴水，對此過程應(yīng)用理想氣體方程可知：

P₁V₁/T₁=P₂V₂/T₂      （3）

式中：

P₂ 為安全閥開始滴水時(shí)的氣體絕對壓，可近似認(rèn)為等于（安全閥外泄壓+0.1）；

V₂為安全閥開始滴水時(shí)的氣體體積；

T₁為開始加熱前的空氣溫度，近似認(rèn)為等于進(jìn)水溫度；

T₂為開始滴水時(shí)空氣的溫度，近似認(rèn)為等于熱水溫度。

特別說明：所有的溫度均應(yīng)該是熱力學(xué)溫度，而不是攝氏度，折算公式可以按照：T（熱力學(xué)溫度）=273+t（攝氏溫度），下不贅述。 

并且此過程有如下幾何特點(diǎn)：

V_s2-V_s1=△V_s2=△V_k2=V₁-V₂   （4）

再根據(jù)水的膨脹系數(shù)表查知：從T1到T2過程，水的膨脹率為k，

定義k=(V_s2-V_s1)/V_s1，于是有下式：

△V_s2=V_s1*k （5） 

說明：如查表得到的水的膨脹系數(shù)a的含義是V_s2/V_s1，此時(shí)利用本文中的k的定義稍作變換即可，即k=(V_s2-V_s1)/V_s1= V_s2/V_s1-1=a-1。

聯(lián)立（1）-（5），可以求解出V_s0與V₀的比例關(guān)系（即水剛注到出水管管口時(shí)候，膽內(nèi)水和膽內(nèi)空氣的比例）如下式所示：

V_s0/V₀=[( P₂T₁- P₁T₂)*P₀-k(P₁-P₀)P₂T₁]/P₂P₁T₁k （6）

而內(nèi)膽總體積Vd=VS0+V0，故可得到初始膽內(nèi)空氣體積占內(nèi)膽總體積的比例為（這樣就可以給設(shè)計(jì)師提供出水管管口到內(nèi)膽頂端合適的距離是多少）：

V₀/V_d=V₀/(V_s0+V₀)=1/(V_s0/V₀+1)，（7）

將（6）帶入（7）可得到：

應(yīng)用舉例：

假定進(jìn)水溫度15℃，加熱至75℃，進(jìn)水壓力0.1MPa，安全閥外泄壓力為0.75MPa，查水的膨脹系數(shù)表，可知從15℃到75℃，水的膨脹率為k=0.02488，帶入上式計(jì)算（特別注意，需要將我們通常習(xí)慣定義的表壓力折算為絕對壓力，即P₁=0.1+0.1=0.2；P₂=0.75+0.1=0.85；T₁=273+15=288； T₂=273+75=348）：

V₀/V_d=0.02488*0.2*0.85*288/(0.1*(0.85*288-0.2*348) +0.02488*0.1*0.85*288)

=6.72%

也就是說，當(dāng)進(jìn)水壓力為0.1 MPa，水溫為15℃，加熱至75℃，此過程如要內(nèi)膽壓力小于等于0.75 MPa，則內(nèi)膽設(shè)計(jì)時(shí)，以出水口平面為界，上部空間需要達(dá)到內(nèi)膽總空間的6.72%以上。

上述分析中，沒有考慮安全閥的內(nèi)泄作用（即當(dāng)內(nèi)膽內(nèi)的壓力大于（安全閥內(nèi)泄壓力+進(jìn)水壓力）時(shí)，內(nèi)膽的水會回流到供水管道中），而內(nèi)泄作用對降低內(nèi)膽加熱過程中的壓力是有益的因素，所以對上述分析來看，忽略此項(xiàng)因素，相當(dāng)于是對上述分析所得結(jié)論額外增加了一項(xiàng)安全系數(shù)。

可通過如下試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證：

方法1：

固定進(jìn)水溫度和加熱溫度（例如進(jìn)水15℃和加熱溫度75℃），調(diào)整不同的進(jìn)水壓力，根據(jù)公式可以算出預(yù)留空氣體積與整個(gè)內(nèi)膽體積的比值，如下表所示：

 

根據(jù)上表，調(diào)整內(nèi)膽中出水管的長度，使其滿足上表要求的預(yù)留空氣體積與整個(gè)內(nèi)膽體積的比值，然后在內(nèi)膽出水管口接一個(gè)壓力表。記錄內(nèi)膽頂端溫度與壓力表讀數(shù)。數(shù)據(jù)結(jié)果應(yīng)該是當(dāng)內(nèi)膽頂端溫度達(dá)到75℃左右時(shí)，壓力表的讀數(shù)才會達(dá)到0.75 MPa。

 

方法2：

固定進(jìn)水溫度和進(jìn)水壓力（例如進(jìn)水15℃，壓力0.1 MPa），調(diào)整不同的加熱溫度，根據(jù)公式和不同溫度下水的膨脹系數(shù)表，可以算出預(yù)留空氣體積與整個(gè)內(nèi)膽體積的比值，如下表所示：

 

根據(jù)上表，調(diào)整內(nèi)膽中出水管的長度，使其滿足上表要求的預(yù)留空氣體積與整個(gè)內(nèi)膽體積的比值，然后在內(nèi)膽出水管口接一個(gè)壓力表。記錄內(nèi)膽頂端溫度與壓力表讀數(shù)。數(shù)據(jù)結(jié)果應(yīng)該是預(yù)留空氣體積與整個(gè)內(nèi)膽體積的比值為3.08%的內(nèi)膽應(yīng)該在50℃左右，壓力達(dá)到0.75 MPa；4.42%的內(nèi)膽應(yīng)該在在60℃左右，壓力達(dá)到0.75 MPa；7.56%的內(nèi)膽應(yīng)該在在80℃左右，壓力達(dá)到0.75 MPa。

而且，通過對比上述兩表，可以得到的結(jié)論是：進(jìn)水壓力的變動(dòng)對膽內(nèi)壓力的影響要遠(yuǎn)大于加熱溫度的變動(dòng)。所以解決安全閥滴水的主要方向，應(yīng)該是控制進(jìn)水壓力?？稍跓崴鬟M(jìn)水管道離熱水器安全閥較遠(yuǎn)的地方裝一個(gè)減壓閥（之所以要一定距離，主要是考慮預(yù)留一定管道空間給安全閥內(nèi)泄時(shí)將水排回供水管道。）來實(shí)現(xiàn)降低進(jìn)水壓力的目標(biāo)。

 

在實(shí)驗(yàn)室按上述兩個(gè)方法分別做了實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證（待進(jìn)行），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

 

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，理論分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的？？

 

熱水器廠家可以通過適當(dāng)調(diào)整內(nèi)膽出水管長度，并讓用戶加配減壓閥來解決加熱過程中的熱水滴出問題?？紤]到國標(biāo)允許±10%的內(nèi)膽容量偏差，調(diào)整出水管的長度并不會對廠家的成本增加產(chǎn)生多大影響，而又能解決滴水問題，實(shí)現(xiàn)水資源的節(jié)約，電資源的節(jié)約，延長內(nèi)膽壽命，減少用戶抱怨等多項(xiàng)好處。

當(dāng)然增大膽內(nèi)空氣的體積，也存在著潛在的風(fēng)險(xiǎn)，即內(nèi)膽沒有得到鎂棒保護(hù)的面積增多了（內(nèi)膽能得到鎂棒的保護(hù)，必須要有電解質(zhì)的水將兩者導(dǎo)通，構(gòu)成原電池的外電路，鎂棒和內(nèi)膽的直接導(dǎo)通相當(dāng)于原電池的內(nèi)電路，只有內(nèi)電路和外電路合在一起時(shí)，犧牲陽極陰極保護(hù)才能實(shí)現(xiàn)），在高溫情況下，這是否會增大內(nèi)膽腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，還需要進(jìn)一步的研究分析。