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問題。根據(jù)對不同廠家的產(chǎn)品進行滴水測試結(jié)果統(tǒng)計看，一個加熱過程，平均滴水量要達到1升左右。保守估計市場存量機器為5000萬臺，按一天加熱一次計算，浪費的水量是驚人的：1*5000/1000=5萬噸水，相當于48個標準游泳池的水量。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)膽過早達到額定壓力，換言之內(nèi)膽是長時間處于高壓狀態(tài)下，這對內(nèi)膽的壽命而言也是不利的。所以鄙人認為有必要對此問題進行分析和研究，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)歷了兩個過程，第一個過程是從注滿水用戶關掉出水閥開始，到內(nèi)膽中空氣壓力等于進水壓力為止，這個過程可以近似認為是等溫壓縮過程。根據(jù)理想氣體方程可知：

P₀V₀=P₁ V₁       (1);

式中：

P₀為大氣壓；

V₀為水面剛好達到出水管高度時，膽內(nèi)空氣的體積；

P₁為進水絕對壓強，；

V₁為膽內(nèi)空氣壓力等于進水壓力時，膽內(nèi)空氣的體積。

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

并且此過程有如下幾何特點：

V_s1-V_s0=△V_s1=△V_k1=V₀-V₁    （2）

第二個過程為熱水器加熱過程，水受熱膨脹，將壓縮空氣，同時熱量傳遞給空氣，空氣溫度上升，壓縮和溫度上升兩個因素都將導致膽內(nèi)空氣壓力上升，當壓力上升到安全閥的泄壓壓力時（忽略水柱所產(chǎn)生的壓力），安全閥開始滴水，對此過程應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的氣體絕對壓，可近似認為等于（安全閥外泄壓+0.1）；

V₂為安全閥開始滴水時的氣體體積；

T₁為開始加熱前的空氣溫度，近似認為等于進水溫度；

T₂為開始滴水時空氣的溫度，近似認為等于熱水溫度。

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

并且此過程有如下幾何特點：

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的比例關系（即水剛注到出水管管口時候，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（這樣就可以給設計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：

應用舉例：

假定進水溫度15℃，加熱至75℃，進水壓力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，帶入上式計算（特別注意，需要將我們通常習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，當進水壓力為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)膽設計時，以出水口平面為界，上部空間需要達到內(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（即當內(nèi)膽內(nèi)的壓力大于（安全閥內(nèi)泄壓力+進水壓力）時，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，忽略此項因素，相當于是對上述分析所得結(jié)論額外增加了一項安全系數(shù)。

可通過如下試驗進行驗證：

方法1：

固定進水溫度和加熱溫度（例如進水15℃和加熱溫度75℃），調(diào)整不同的進水壓力，根據(jù)公式可以算出預留空氣體積與整個內(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留空氣體積與整個內(nèi)膽體積的比值，然后在內(nèi)膽出水管口接一個壓力表。記錄內(nèi)膽頂端溫度與壓力表讀數(shù)。數(shù)據(jù)結(jié)果應該是當內(nèi)膽頂端溫度達到75℃左右時，壓力表的讀數(shù)才會達到0.75 MPa。

 

方法2：

固定進水溫度和進水壓力（例如進水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，可以算出預留空氣體積與整個內(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留空氣體積與整個內(nèi)膽體積的比值，然后在內(nèi)膽出水管口接一個壓力表。記錄內(nèi)膽頂端溫度與壓力表讀數(shù)。數(shù)據(jù)結(jié)果應該是預留空氣體積與整個內(nèi)膽體積的比值為3.08%的內(nèi)膽應該在50℃左右，壓力達到0.75 MPa；4.42%的內(nèi)膽應該在在60℃左右，壓力達到0.75 MPa；7.56%的內(nèi)膽應該在在80℃左右，壓力達到0.75 MPa。

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

 

在實驗室按上述兩個方法分別做了實驗進行驗證（待進行），實驗結(jié)果如下：

 

從實驗結(jié)果看，理論分析結(jié)果和實驗結(jié)果吻合的？？

 

熱水器廠家可以通過適當調(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好處。

當然增大膽內(nèi)空氣的體積，也存在著潛在的風險，即內(nèi)膽沒有得到鎂棒保護的面積增多了（內(nèi)膽能得到鎂棒的保護，必須要有電解質(zhì)的水將兩者導通，構(gòu)成原電池的外電路，鎂棒和內(nèi)膽的直接導通相當于原電池的內(nèi)電路，只有內(nèi)電路和外電路合在一起時，犧牲陽極陰極保護才能實現(xiàn)），在高溫情況下，這是否會增大內(nèi)膽腐蝕的風險，還需要進一步的研究分析。