CN109386956A - 由多种金属构成的玻璃涂覆式热水器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及由多种金属构成的玻璃涂覆式热水器。热水器包括：罐，所述罐至少部分地由低碳钢构成并且用于保持被加热的水；热交换器，所述热交换器至少部分地由不锈钢构成并且用于加热水；入口，所述入口用于向所述罐添加水；出口，所述出口用于从所述罐抽出水；以及阳极，所述阳极连接到所述罐。所述罐的内部面向水的表面至少部分地涂覆有保护涂层，并且所述热交换器的面向水的表面至少部分地涂覆有保护涂层。

Description

由多种金属构成的玻璃涂覆式热水器
技术领域
本发明涉及由多种金属构成的玻璃涂覆式热水器。
背景技术
商用燃气热水器在市场上主要采用两种设计：带有阳极保护的玻璃衬里低碳钢罐和没有阳极保护的无衬里不锈钢罐。这样的热水器总体包括用于保持待加热水的罐以及热交换器，热交换器与罐中的水呈热交换关系以将热量从热源(例如，燃烧器、热泵冷凝器线圈或加热元件)传递到罐中的水。每种设计均有优点和缺点并且具有与罐的构造和热交换器的操作相关的故障模式。
发明内容
本发明的一个方面提供一种热水器，该热水器包括：罐，所述罐至少部分地由低碳钢构成并且适于保持待加热的水；热交换器，所述热交换器至少部分地由不锈钢构成，适于加热所述罐中的水；入口，所述入口用于向所述罐添加水；出口，所述出口用于从所述罐抽出水；以及阳极组件，所述阳极组件电连接到所述罐，其中，所述罐的内部面向水的表面至少部分地涂覆有第一保护涂层；其中，所述热交换器的面向水的表面至少部分地涂覆有第二保护涂层。
在本发明的一个方面中，所述第一保护涂层和述第二保护涂层包括玻璃。在本发明的一个方面中，所述第一保护涂层包括环氧树脂。在本发明的一个方面中，所述热交换器至少部分地由铁素体不锈钢或双相不锈钢构成。在本发明的一个方面中，所述热交换器的所述表面至少部分地涂覆有具有25-50粒度或50-80粒度的白色金属喷砂，所述白色金属喷砂布置在玻璃涂层与所述铁素体不锈钢或所述双相不锈钢之间。在本发明的一个方面中，所述热交换器至少部分地由奥氏体不锈钢构成。在本发明的一个方面中，所述热交换器的所述表面至少部分地涂覆有具有25-50粒度或50-80粒度的白色金属喷砂，所述白色金属喷砂布置在玻璃涂层与所述奥氏体不锈钢之间。在本发明的一个方面中，所述阳极组件是牺牲阳极组件或供电阳极组件。本发明的一个方面进一步包括供应至少约为40mA/m2的电流密度的供电阳极。本发明的一个方面进一步包括供应大于或等于约100mA/m2的电流密度的恒定电流阳极。在本发明的一个方面中，所述不锈钢包括304L不锈钢。在本发明的一个方面中，所述不锈钢构成所述热交换器上的至少一个高热通量区域。本发明的一个方面进一步包括所述热交换器和燃烧器的过渡敏感区域，其中，所述不锈钢构成所述热交换器上的一个或更多个以下区域：(i)在与所述燃烧器接触的视线内的区域；(ii)所述过渡敏感区域内的过渡位置；(iii)所述过渡敏感区域内的挡板；(iv)所述过渡敏感区域内的弯管或弯曲部；以及(v)距所述燃烧器约为3个燃烧器长度内的位置。在本发明的一个方面中，所述不锈钢构成所述热交换器上的至少一个高热通量区域，所述至少一个高热通量区域在燃烧器运行期间的表面温度比水温高大于或等于约30°F。在本发明的一个方面中，所述不锈钢构成所述热交换器上的至少一个高热通量区域，其中，所述低碳钢与由所述不锈钢构成的所述至少一个高热通量区域被热通量减少的区域分开约3英寸到约6英寸的距离。在本发明的一个方面中，所述不锈钢构成所述热交换器上的至少一个高热通量区域，其中，所述低碳钢构成所述罐上的至少一个区域，所述至少一个区域距由所述不锈钢构成的所述至少一个高热通量区域小于约3英寸，其中，与所述罐的距由不锈钢构成的所述至少一个高热通量区域大于约3英寸的由低碳钢构成的区域相比，由低碳钢构成的所述至少一个区域更厚。在本发明的一个方面中，被涂覆的所述不锈钢构成所述热交换器上的至少一个高热通量区域，其中，所述阳极组件为由被涂覆的所述不锈钢构成的所述至少一个高热通量区域提供了增加的耐腐蚀性，或者其中，所述阳极组件为由低碳钢组成的至少一个区域提供了增加的耐腐蚀性，所述至少一个区域距由被涂覆的不锈钢构成的所述至少一个高热通量区域小于约3英寸。本发明的一个方面进一步包括由低碳钢构成的高热通量区域和由不锈钢构成的非高热通量区域。在本发明的一个方面中，高热通量区域不包括低碳钢。在本发明的一个方面中，当存在冷凝区域时，所述冷凝区域不包括低碳钢/不锈钢界面。
通过考虑详细描述和附图，本发明的其他方面将变得明显。
附图说明
图1是根据本发明的第一构造的热水器的竖直剖视图。
图2是沿着线2-2截取的图1的热水器的剖视图。
图3是根据本发明的第二构造的热水器的竖直剖视图。
图4是沿着线4-4截取的图3的热水器的剖视图。
具体实施方式
在详细解释本发明的任何实施方式之前，应理解的是，本发明的应用不限于在下面的描述中阐述的或在随附附图中图示的构造的细节和部件的布置。本发明能够具有其他实施方式并且能够以各种方式实践或实施。
结合数量使用的修饰语“约”包括所述值并且具有上下文所指示的含义(例如，它至少包括与特定数量的测量相关的误差程度)。修饰语“约”也应该被视为公开由两个端点的绝对值定义的范围。例如，表述“从约2至约4”也公开了“从2至4”的范围。术语“约”可指所表示数的正负10％。例如，“约10％”可表示9％至11％的范围，“约1％”可表示0.9-1.1。从上下文中可明显看出“约”的其他含义，例如四舍五入，因此，例如“约1”也可以表示从0.5至1.4。
图1和图2图示根据本发明的第一类型的热水器100。热水器100包括罐110、燃气燃烧器115、燃烧室120和烟道125。罐110包括用于从水源供应冷水的入水口130以及用于将热水从罐110输送至热水消耗装置(例如，淋浴器、水槽、洗碗机、洗衣机)的出水口135。罐110的内表面、燃烧室120的外表面和烟道125的外表面可称为“面向水的表面”，因为它们面向罐110中的内部空间140，在内部空间中的水在抽取之间被加热并储存。内部空间140中的水与面向水的表面(或者更技术地，与面向水的表面上的涂层，这将在下面讨论)接触。
燃气燃烧器115具有长度115L和宽度115W。燃气燃烧器115燃烧空气和燃料(例如，燃气)的可燃混合物，以在燃烧室120中生成燃烧产物。燃烧器115可穿过燃烧室120的顶部部分地延伸到燃烧室120中。燃烧器115向下将火喷入燃烧室120，因此可称为向下燃烧器。燃烧产物从燃烧室120流入烟道125。燃烧室120和烟道125的壁被燃烧产物加热，并且热量被传递至内部空间140中的水。
烟道125包括收窄部150、第一弯管155、竖直区段160、第二弯管165和线圈170。收窄部150在燃烧室120的下端和第一弯管155之间连通。收窄部150接收来自燃烧室120的燃烧产物。收窄部150成形为喷嘴并且在燃烧产物输送至第一弯管155时致使燃烧产物的速度增加。
第一弯管155在收窄部150和竖直区段160之间连通。第一弯管155接收来自收窄部150的下端的燃烧产物。第一弯管155的弯曲将燃烧产物的流动方向从向下(如从收窄部150接收)改变到向上(如输送至竖直区段160)。因此，燃烧产物在上升方向上输送至竖直区段160。
竖直区段160在第一弯管155(在竖直区段160的底端处)和第二弯管165(在竖直区段160的顶端处)之间连通。燃烧产物在竖直区段160中上升并且输送至第二弯管165。第二弯管165在竖直区段160的顶端和线圈170的顶部之间连通。第二弯管165的弯曲将燃烧产物的流动方向从向上(如从竖直区段160的顶部接收)转动至基本水平(如输送至线圈170)。因此，燃烧产物在基本水平的流动方向上输送至线圈170的顶端。
线圈170在热水器100的第二弯管165和排放组件175之间连通。线圈170在大致水平的流动方向上接收来自第二弯管165的燃烧产物并且在向下螺旋路径中引导燃烧产物。线圈170围绕燃烧室120的主要部分(在图示构造中，除燃烧室120的最顶部之外)、收窄部150、第一弯管155和竖直区段160缠绕。线圈170的底端经由罐110的下部中的孔与排放组件175连通，以排出来自系统的燃烧产物。
图3和图4图示根据本发明的第二类型的热水器200。热水器200包括罐210、动力燃气燃烧器215(即，包括鼓风机217)、燃烧室220、多个烟道225和底部气室227。罐210包括用于将冷水从水源供应到罐210的底部的冷水入口230以及用于将预热水输送至罐210的上部(预加热器热交换器可定位在例如罐210下方的空间中，或者可作为单独的单元提供)的预热水入口233。热水器200还包括用于从罐210抽取热水以输送至热水消耗装置(例如，淋浴器、水槽、洗碗机、洗衣机)的热水出口。罐210的内表面以及燃烧室220和烟道225的外表面可称为“面向水的表面”，因为它们面向罐210中的内部空间240，在内部空间中的水在抽取之间被加热并储存。
燃气燃烧器215具有长度215L和宽度215W。燃气燃烧器215燃烧空气和燃料(例如，燃气)的可燃混合物并且在燃烧室220中生成燃烧产物。燃烧器215可穿过燃烧室220的顶部部分地延伸到燃烧室220中。燃烧器215向下将火喷入燃烧室220，因此可称为向下燃烧器。燃烧室220包括具有多个孔247的平坦底端245，以与多个烟道225连通。燃烧室220相对较宽并充当气室，从而减小燃烧产物的压力并将燃烧产物分配到多个烟道225。燃烧产物从燃烧室220流入烟道225。燃烧室220和烟道225的壁被燃烧产物加热，并且热量被传递至内部空间240中的水。
每个烟道225为大致柱形管。在一些实施方式中，烟道225能配备有内部挡板或者能被弄平成具有波浪形轮廓的带状物以增强热传递。每个烟道管225的顶端经由平坦底端245中的上述孔247与燃烧室220的内部连通。每个烟道管225的底端与底部气室227连通。底部气室227收集来自多个烟道管225的燃烧产物并且经由与图1中的排放组件175类似的排放组件来排放燃烧产物。
图1至图4中图示的两种类型或配置的热水器100、200均包括高热通量区域。术语“高热通量区域”用于表示热水器100、200的具有本文公开的特殊特性的那部分，其能导致加速腐蚀。
参照图1至图4，高热通量区域的示例为满足一个或更多个以下标准的区域：与燃烧器视线接触的位置，这是由于高火焰温度或来自燃烧器的辐射热传递(在图1和图3中用“A”表示的“视线区域”)；从较大腔室或管到较小腔室或管的过渡位置，这是由于边界层厚度减小以及因气体速度增加而产生的湍流的一些微小增加(在图1和图3中用“B”表示的“过渡区域”)；带挡板的热交换器或具有增强表面特征的热交换器，在区域中所述特征增加了气体湍流(在图3中用“C”表示的“湍流区域”)；导致高热通量的弯管或弯曲部，这是由于气体湍流增加和弯管的相邻部的边界层厚度减小(在图1中用“D”表示的“弯管区域”)；以及距燃烧器大约三个燃烧器长度或宽度内的位置，由于气体温度高导致高热通量(在图1和图3中用“E”表示的“近端区域”)。
区域B(过渡)、C(湍流)和D(弯管)仅是热交换器的担忧部分，即在这些部分中燃烧气体足够热以引起玻璃涂层损失的担忧。通常，该部分将在冷凝单元中的热交换器的前半部分内或非冷凝单元中的热交换器的前三分之二内。
“视线”意指热源和该区域之间的畅通路径，使得该区域暴露于来自热源的辐射热。视线区域A的示例是图1中的燃烧室120的在燃烧器115的下端旁边的侧壁，以及图3中的燃烧室220的平坦底部245的位于燃烧器215的底端正下方的中央部。过渡区域B的示例是图1中从收窄部150到第一弯管155的过渡处以及图3中从燃烧室220到每个烟道225的过渡处。
“湍流区域”意指致使燃烧产物以增强热传递的方式停留或移动的挡板或其他增强表面特征。潜在湍流区域C的示例在图3至图4中图示的热水器200的多个烟道225的内侧，此时安装有挡板250或者烟道管225被形成为平坦波状带。弯管区域D的示例是图1中的第一弯管155。
为了找到近端区域，术语“燃烧器长度”可意指燃烧器的主要尺寸，“燃烧器宽度”可意指燃烧器的次要尺寸。在所示的构造中，燃烧器的长度和宽度如上所述(115L、115W、215L、215W)。近端区域经历高热通量，因为燃烧产物的温度在靠近燃烧器处最高。近端区域E的示例是燃烧室120、220的靠近一部分燃烧器115、215的那部分。高热通量区域A-E不是相互排斥的；一个区域可能有资格作为多个类别下的高热通量区域。例如，视线区域A通常也将是近端区域E。
在某些实施方式中，尤其是在冷凝燃气热水器中，朝向热交换器端部的相对低热区域也是重要的。这些区域可被称为“冷凝区域”，因为它主要是气体冷凝成液体的地方。另外或另选地，其他非高热通量区域可能是重要的。
材料成分是任何类型热水器的重要设计考虑因素。然而，材料的选择必然受其成本的影响。如此，目前市场上的商用燃气热水器主要有两种设计：带有阳极保护的玻璃衬里低碳钢罐和没有阳极保护的无衬里不锈钢罐。每种设计都有优点和缺点，并且每种设计都具有与罐的构造和热交换器的操作有关的故障模式。
与住宅热水器相比，低碳钢和不锈钢商用燃气热水器二者通常都具有极高的负载率。商业单元的平均负载率可以是约15％(即，例如一天24小时的给定时间段内燃烧器活动15％)，或者可以高达40％以上。相比之下，住宅热水器的典型负载率可以是约6％，但是可能发生更高的用水条件。高负载率的要求可能导致商业热水器或高使用率的住宅热水器的更高腐蚀速率或更短寿命。
在带阳极保护的玻璃涂层低碳钢罐中，面向水的表面衬有玻璃或涂有玻璃，以降低腐蚀的可能性。术语“玻璃衬里”和“玻璃涂层”是可互换的。为了保持一致性，术语“玻璃涂层”将用于指衬有玻璃或涂有玻璃的所有表面。玻璃涂层通常仅应用于面向水的表面以降低成本。在高负载率下，热交换器的面向水的表面上的玻璃涂层区段将劣化。在玻璃涂层劣化的情况下，面向水的表面的下面的低碳钢暴露于罐中的水并最终腐蚀和失效。
在一些高效燃气热水器中，玻璃也应用于面向气体的冷凝区域。然而，面向气体侧的玻璃涂层是困难且昂贵的。例如，在玻璃化期间氢气可溶于低碳钢中，并且如果在玻璃凝固后的冷却期间氢从钢中释放出来，则会导致玻璃中的缺陷，例如剥落。
不锈钢一般比低碳钢更耐腐蚀，但通常更昂贵并且在制造期间更难以加工。因此，为了降低总成本，除了其他原因之外，商业不锈钢罐之前未进行过玻璃涂覆。同样，低碳钢和不锈钢的组合会使生产过程复杂化，并在低碳钢和/不锈钢界面处导致显著的电偶腐蚀。然而，在具有高氯化物或高硫酸盐水条件的区域中，暴露的面向水的不锈钢表面的腐蚀可能是严重的。面向水的不锈钢表面上的矿物沉积物也会导致沉积物附近或下面的高水平的腐蚀(“沉积不足”腐蚀)。
例如，未涂覆的不锈钢燃气热水器可能在焊接位置和热交换器上的某些位置处易于失效。同样，玻璃涂层的低碳钢燃气热水器通常在热交换器的一些位置处失效。不受理论限制，这可能是由于热交换器上的高表面温度加速了玻璃涂层的劣化和/或增加了暴露的面向水的钢表面上的沉积速率。
例如，这样的沉积物可包括石灰垢、碳酸钙、碳酸氢钙、硫酸钙、草酸钙、硫酸钡、硫化锰、碳酸氢镁、氢氧化镁、氧化镁、硅酸盐、氧化铝氢氧化物、硅铝酸盐、铜、磷酸盐、方铁矿石、赤铁矿、磁铁矿或镍铁氧体。在未涂覆的不锈钢热水器的面向水的表面上或在劣化的玻璃涂层热水器的暴露的低碳钢表面上的沉积物可能导致沉积物周围或下面的高水平的沉积不足腐蚀。
不锈钢表面可以通过阳极进一步被保护，但是对完全暴露的不锈钢表面区域(例如，热交换器表面区域)进行的更适度保护也可能需要电流密度，电流密度可能导致高水平的氢生成。一般认为高水平的氢是不期望的，因为它可能导致水质问题，例如硫化氢气味。而且，在未涂覆的罐中，可能难以检测具有增加的电流密度要求的区域并且阳极保护可能难以适应由高表面温度和表面条件(即沉积物)引起的腐蚀条件。
本文公开了混合商用燃气热水器，其特别是在高氯化物或高硫酸盐水条件下具有显著改善的耐腐蚀性，以及最小的额外成本。在混合设计中，热水器(100、200)的一些部分包括低碳钢，而热水器(100、200)的一些部分包括不锈钢。在某些实施方式中，仅在高热通量区域(A、B、C、D、E)处包括不锈钢以降低成本，并且在其他区域中包括低碳钢。另选地，不锈钢可包括在额外区域中，例如在冷凝区域的气体侧不需要玻璃涂层的冷凝区域。在某些实施方式中，所有面向水的表面都可以是玻璃涂覆的。
另外或另选地，某些实施方式可包括阳极保护。用于本发明的不锈钢可以是例如304L不锈钢。在某些实施方式中，304L不锈钢可包含高达约0.03重量％的C、高达约2.00重量％的Mn、高达约0.045重量％的P、高达约0.030重量％的S、高达约0.75重量％的Si、大于或等于约18.0重量％且小于或等于约20.0重量％的Cr、大于或等于约8.0重量％且小于或等于约12.0重量％的Ni和高达约0.10重量％的N，余量是Fe和杂质元素和杂质。
在混合设计中，玻璃涂层可保护低碳钢和不锈钢的面向的水表面不受腐蚀，例如沉积不足腐蚀。尽管玻璃涂层最终会劣化并暴露下面的钢表面，特别是在高热通量区域中，但是阳极保护可提供额外的耐腐蚀性。在高氯化物或高硫酸盐水条件下，阳极保护对于暴露的不锈钢的沉积不足腐蚀特别有效。
令人惊讶的是，发现玻璃涂层(即使在高利用率应用中劣化时)足够完整，以大大减少具有阳极保护的不锈钢表面上的氢生成。即使在严重劣化的情况下，热交换器上的玻璃涂层也为热交换器表面提供了约80％的覆盖率。早期的测试表明，腐蚀性水条件下的不锈钢可以在等于约80mA/m2的电流密度下得到保护，并且进一步的测试表明，在燃烧器(115、215)运行期间为了保护低碳钢热交换器，需要高达500mA/m2的电流密度。相反，发现玻璃涂覆的不锈钢热交换器提供比商用玻璃涂覆的低碳钢热交换器或未涂覆的不锈钢热交换器明显更好的腐蚀保护，如表1的数据所示。
此外，因为玻璃涂层通常在如本文所公开的高热通量区域中劣化最快，所以可以有效地将阳极定位在混合设计中以获得最大程度的保护。这与有机涂层不同，有机涂层在可预测的区域中不会劣化。
由于经验已经向发明人表明，高达约20％的热交换器将在严重劣化的条件下暴露，所以可确定最大所需电流约为100mA/m2以基本上消除低碳钢和/不锈钢界面腐蚀问题。在某些实施方式中，最大电流必须大于约100mA/m2乘以约20％的HX表面(以米为单位)。在诸如住宅热水器的某些其他实施方式中，最大电流可能较低(因为玻璃涂层的劣化使得较少的钢暴露)：例如，约100mA/m2乘以约10％的HX表面(以米为单位)，或者约100mA/m2乘以约5％的HX表面(以米为单位)。
腐蚀测试是在填充有1000ppm NaCl水的小型腐蚀电池中在150°F在不同电流密度下进行的。令人惊讶的是，发现劣化的玻璃涂层混合罐中可用的电流密度(46mA/ft2)为暴露的高氯化物水中的不锈钢提供了良好的保护。尽管总电流比重度劣化的混合罐高2.4倍，但是未涂覆的不锈钢罐中可用的电流密度(3.3mA/ft2)在高氯化物水中提供的保护不足。未涂覆的不锈钢罐比没有阳极保护的未涂覆罐具有更少的腐蚀点蚀，但令人惊讶的是，对于形成的腐蚀坑，坑深度同样深。与此同时，混合罐的总电流要求明显较低，并且热交换器完全免受腐蚀点蚀。
表1
在一些实施方式中，阳极是供电阳极(例如，具有检测的阳极)，其具有已知的电阻。供电阳极将根据阳极电阻和所施加电压来生成已知电流。例如，阳极可周期性地关闭并测量基于其已知电路电位的罐电位；然后阳极可根据此测量值自动向上或向下调节电流。表1和整个说明书中使用的电流密度是暴露的面向水的每单位面积的电流量。
需要约40mA/m2的最小电流密度以降低玻璃涂层与不锈钢脱粘的可能性。由于在高热通量区域中玻璃涂层劣化而暴露出更多面向水的表面区域，通过增加电流(即，增加阳极两端的电压)能保持约10mA/m2的最小电流密度。发明人还通过测试了解到，在90-100mA/m2的电流密度下，不锈钢和低碳钢之间的电偶腐蚀的影响基本上被中和(即，低碳钢和不锈钢的腐蚀速率大约相当于它们在没有电偶腐蚀的影响下的情况)。
在某些实施方式中，在所公开的混合设计中，不锈钢的玻璃涂层在ASTMB196-2001粘合测试中具有1的最小粘合水平。这可以基本上消除膜下腐蚀。相反，发现不锈钢上的环氧树脂涂层表现出显著的膜下腐蚀和增加的表面腐蚀。进一步的测试表明，阳极保护增强了玻璃涂层不锈钢的底切腐蚀抗性，但由于环氧树脂涂层的阴极剥离，损害了有机涂层不锈钢的性能。另选地，环氧树脂涂层可用于低碳钢表面上。虽然在低碳钢或不锈钢上可能发生阴极剥离，但是对于不锈钢而言，分层薄膜可能会产生裂缝，这会致使严重的点腐蚀。对于低碳钢来说，这种点腐蚀的原因不是问题。
在高氯化物水条件下的表面裂化测试表明，对于铁素体(439)和双相(2101)不锈钢，用25-50粒度或50-80粒度的白色金属喷砂能获得ASTM B196-2001粘合测试中至少1的粘合水平。对于奥氏体不锈钢(304、316)而言，能通过相同的喷砂或清洁剂清洁和无喷砂的水冲洗获得足够的粘附力。
在某些实施方式中，暴露的不锈钢的存在可能增加低碳钢表面的腐蚀。在某些实施方式中，位于高热通量玻璃涂覆的不锈钢表面附近的低碳钢表面的厚度可从压力容器部件所需的最小厚度增加三倍以上。较厚的低碳钢表面可能会防止热水器故障或延长热水器的使用寿命。
例如，典型的热水器具有相对较厚的头部以满足压力容器标准，但具有相对薄壁的烟道(或火管)以促进有效的热传递。如果头部和烟道均由低碳钢制成，则故障模式通常是烟道的腐蚀。可以理解的是，当不同的金属非常接近时会出现电偶腐蚀，当烟道使用不锈钢且头部使用低碳钢时就是如此。然而，发明人惊奇地发现，头部材料的厚度能抵消更快的腐蚀速率。
例如，在一次测试中，当使用不锈钢烟道操作时，单元的低碳钢顶部头部(约0.25英寸厚)的腐蚀增加约30％。尽管如此，混合单元的整体寿命仍增加约2.5倍，因为对于可供比较的所有低碳钢热水器而言，热交换器上的低碳钢部件要薄得多(约0.06英寸)。即使被测试单元受到阳极保护的保护不足(平均电流密度约为42mA/m2)，也观察到混合设计的寿命显著改善。
在某些实施方式中，可增加不锈钢表面和低碳钢表面之间的距离。另选地或另外，可通过设计修改而在两种金属之间的区域中减少热通量。基于低碳钢和大面积暴露的不锈钢之间的距离，在高导电率水(约900μS/cm)中的测试显示出最小的影响。令人惊讶的是，在低导电率水(例如，约45μS/cm)中，低碳钢(距大面积不锈钢约1英寸)上所需的保护电流密度比保护低碳钢表面(间隔约为6英寸或约10英寸)所需的电流密度高出约100％以上。与暴露的不锈钢表面相距约1英寸的低碳钢表面的阳极保护可能需要比距离暴露的不锈钢表面约3英寸的低碳钢表面高出约33％的电流密度。在某些实施方式中，低碳钢表面可与高热通量区域分开约3英寸至约6英寸以上。
在某些实施方式中，燃烧器的燃烧区段延伸使得接头处的不锈钢/低碳钢界面不在高热通量区域中和/或在罐的低碳钢区域约3英寸内(例如，头部)没有高热通量区域。在某些实施方式中，过渡区域包括较重的壁。在某些实施方式中，过渡区域包括过渡件：例如，不锈钢过渡锥以及小直径管和低碳钢大直径管，其中过渡锥的逐渐过渡允许玻璃涂层存续。在某些实施方式中，弯管和距弯曲部约5个管道直径的区域是不锈钢，允许玻璃涂层保持完整。
在某些实施方式中，阳极可定位在接头或其他高热通量区域附近。在某些实施方式中，混合热水器可包括对暴露钢表面的改进检测。靠近钢接头的阳极的取向可在较低的电流密度下产生更大的保护(更多的负电压)。例如，表2显示了在劣化罐中如何通过改进的阳极几何形状来保护低碳钢界面。
供电阳极电极位置 电流(mA) 钢电位@1英寸(V) 钢电位@10英寸(V)
以钢缺陷为中心的阳极 55.7 -1.03 -2.01
以接头为中心的阳极 51.4 -1.32 -1.16
以不锈钢为中心的阳极 63.3 -1.05 -1.05
表2：较大不锈钢缺陷及较小低碳钢缺陷
然而，难以预测玻璃涂层尚未劣化时新罐中的有效阳极几何形状。发明人已经发现，如果将低碳钢样品(诸如1/4英寸缺陷)放置在低碳钢界面处并距界面6英寸，则能通过测量界面处的电位何时比界面两侧6英寸处的电位更负约0.15V来确定正确的阳极配置(表3)。在高电导率水条件(例如，50μS/cm以上)下不太容易进行该测定。
15μS/cm水(70F) 电位6英寸 以低碳钢/不锈钢界面为中心 不锈钢上的电位
以较小低碳钢缺陷为中心的阳极保护 -0.823V -0.520V -0.423V
在界面上居中的阳极保护 -0.865V -1.11V -0.767V
在较大不锈钢缺陷上居中的阳极保护 -0.651V -0.65V -0.93V
50μS/cm水(70F) 电位6英寸 以低碳钢/不锈钢界面为中心 不锈钢上的电位
以较小低碳钢缺陷为中心的阳极保护 -0.853V -0.801V -0.983V
在界面上居中的阳极保护 -0.998V -1.094V -0.751V
在较大不锈钢缺陷上居中的阳极保护 -0.833V -0.83V -0.57V
850μS/cm水(70F) 电位6英寸 以低碳钢/不锈钢界面为中心 不锈钢上的电位
以较小低碳钢缺陷为中心的阳极保护 -1.125V -1.135V -1.322V
在界面上居中的阳极保护 -1.132V -1.211V -1.012V
在较大不锈钢缺陷上居中的阳极保护 -1.281V -1.14V -1.049V
表3：测量电位-0.25平方英寸缺陷
所公开的混合热水器可设计成允许在低碳钢/不锈钢界面附近的阳极保护的设定点增加而不会显著增加总电流。测试表明，最接近不锈钢/低碳钢界面的短电极的阳极设定点电压增加，因此在最接近燃烧管顶部大缺陷的短阳极上增加阳极电流约三倍，从而提高了缺陷区域的电位(从-0.45V到-0.65V)。由于两个电极提供的保护相互作用，总电流仅增加了23％，这导致较长阳极的阳极电流较低(表4)。该技术可增强对低碳钢/不锈钢界面的保护，而不会显著增加阳极电流。
表4
由于在本文公开的混合设计中容易识别高热通量区域，因此可以针对例如不同种类的阳极(诸如牺牲阳极(例如，镁)、阳极检测(参见美国专利号7,372,005，通过引用整体并入本文)或恒定电流来容易地调节阳极保护。在某些实施方式中，额外的牺牲阳极位于低碳钢/不锈钢界面附近。在另一个实施方式中，可增加最接近接头的电极上的设定点电位(控制电位)。在又一个实施方式中，可增加最接近接头的电极的恒定电流。
在所公开的混合设计的面向气体侧，在冷凝区域中的低碳钢/不锈钢界面处可能发生显著的电偶腐蚀。有几种方式可以修改混合设计以防止这种情况发生。在一些实施方式中，低碳钢/不锈钢界面向上游移动到热交换器的非冷凝区域。在其他实施方式中，低碳钢和不锈钢界面都是玻璃涂覆的(在面向气体的一侧)。与罐的水侧不同，玻璃涂层可能仅需要在低碳钢/不锈钢界面的约2英寸内。在其他实施方式中，低碳钢/不锈钢界面的低碳钢部分比界面的不锈钢部分厚。
因此，本发明尤其提供了一种热水器，其包括至少部分由低碳钢制成的用于保持热水的罐、至少部分由不锈钢制成的用于加热水的热交换器、用于向罐添加水的入口、用于从罐中抽出水的出口和连接到罐的阳极，其中罐的内表面至少部分地涂有保护涂层，并且热交换器至少部分地涂有保护涂层。在随附权利要求书中阐述了本发明的各种特征和优点。

Claims (20)

1.一种热水器，该热水器包括：
罐，所述罐至少部分地由低碳钢构成并且适于保持待加热的水；
热交换器，所述热交换器至少部分地由不锈钢构成，适于加热所述罐中的水；
入口，所述入口用于向所述罐添加水；
出口，所述出口用于从所述罐抽出水；以及
阳极组件，所述阳极组件电连接到所述罐，
其中，所述罐的内部面向水的表面至少部分地涂覆有第一保护涂层；
其中，所述热交换器的面向水的表面至少部分地涂覆有第二保护涂层。
2.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述第一保护涂层和所述第二保护涂层包括玻璃。
3.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述第一保护涂层包括环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述热交换器至少部分地由铁素体不锈钢或双相不锈钢构成。
5.根据权利要求4所述的热水器，其中，所述热交换器的所述表面至少部分地涂覆有具有25-50粒度或50-80粒度的白色金属喷砂，所述白色金属喷砂布置在玻璃涂层与所述铁素体不锈钢或所述双相不锈钢之间。
6.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述热交换器至少部分地由奥氏体不锈钢构成。
7.根据权利要求6所述的热水器，其中，所述热交换器的所述表面至少部分地涂覆有具有25-50粒度或50-80粒度的白色金属喷砂，所述白色金属喷砂布置在玻璃涂层与所述奥氏体不锈钢之间。
8.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述阳极组件是牺牲阳极组件或供电阳极组件。
9.根据权利要求1所述的热水器，所述热水器进一步包括供应至少约为40mA/m2的电流密度的供电阳极。
10.根据权利要求1所述的热水器，所述热水器进一步包括供应大于或等于约100mA/m2的电流密度的恒定电流阳极。
11.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述不锈钢包括304L不锈钢。
12.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述不锈钢构成所述热交换器上的至少一个高热通量区域。
13.根据权利要求1所述的热水器，所述热水器进一步包括所述热交换器和燃烧器的过渡敏感区域，其中，所述不锈钢构成所述热交换器上的一个或更多个以下区域：(i)在与所述燃烧器视线接触内的区域；(ii)所述过渡敏感区域内的过渡位置；(iii)所述过渡敏感区域内的挡板；(iv)所述过渡敏感区域内的弯管或弯曲部；以及(v)距所述燃烧器约为3个燃烧器长度内的位置。
14.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述不锈钢构成所述热交换器上的至少一个高热通量区域，所述至少一个高热通量区域在燃烧器运行期间的表面温度比水温高大于或等于约30°F。
15.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述不锈钢构成所述热交换器上的至少一个高热通量区域，其中，所述低碳钢与由所述不锈钢构成的所述至少一个高热通量区域被热通量减少的区域分开约3英寸到约6英寸的距离。
16.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述不锈钢构成所述热交换器上的至少一个高热通量区域，其中，所述低碳钢构成所述罐上的至少一个区域，所述至少一个区域距由所述不锈钢构成的所述至少一个高热通量区域小于约3英寸，其中，与所述罐的距由不锈钢构成的所述至少一个高热通量区域大于约3英寸的由低碳钢构成的区域相比，由低碳钢构成的所述至少一个区域更厚。
17.根据权利要求1所述的热水器，其中，被涂覆的所述不锈钢构成所述热交换器上的至少一个高热通量区域，其中，所述阳极组件为由被涂覆的所述不锈钢构成的所述至少一个高热通量区域提供了增加的耐腐蚀性，或者其中，所述阳极组件为由低碳钢构成的至少一个区域提供了增加的耐腐蚀性，所述至少一个区域距由被涂覆的不锈钢构成的所述至少一个高热通量区域小于约3英寸。
18.根据权利要求1所述的热水器，所述热水器进一步包括由低碳钢构成的高热通量区域和由不锈钢构成的非高热通量区域。
19.根据权利要求1所述的热水器，其中，高热通量区域不包括低碳钢。
20.根据权利要求1所述的热水器，其中，当存在冷凝区域时，所述冷凝区域不包括低碳钢/不锈钢界面。
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