اختيار خزان المياه المضغوط بالطاقة الشمسية: استكشاف الكود المادي والبنيوي لسيناريوهات الضغط العالي

بسبب المتطلبات المزدوجة للمباني السكنية الشاهقة وأسلوب الحياة عالي الجودة، أصبحت خزانات المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية والتي يتم التحكم في ضغطها خيارًا رئيسيًا لإمدادات المياه الساخنة في المنزل.بالمقارنة مع خزانات المياه التقليدية غير الخاضعة للتحكم في الضغط، توفر خزانات المياه الخاضعة للتحكم في الضغط مزايا ضغط المياه المستقر والتسخين الفوري، مما يحل تمامًا نقاط الألم المتمثلة في تقلب تدفق المياه وعدم كفاية ضغط المياه في المباني الشاهقة.من بين المكونات الأساسية لخزان المياه الذي يتم التحكم في ضغطه، لا يعد خزان المياه حجرة تخزين للحرارة فحسب، بل يعد أيضًا مكونًا أساسيًا لتحمل الضغط العالي.إن اختيار المواد والتصميم الهيكلي للجهاز يحددان بشكل مباشر سلامة الجهاز ومتانته وتجربة المستخدم.ومع ذلك، يعاني السوق الحالي من مجموعة واسعة من مواد خزان المياه، بدءًا من الفولاذ المقاوم للصدأ SUS304 إلى المينا والمواد المركبة الناشئة، مما يترك المستخدمين في كثير من الأحيان في معضلة زيادة اختياراتهم بالعديد من المعلمات.ستتناول هذه المقالة المنطق الأساسي وراء اختيار خزان المياه بناءً على الاحتياجات الفريدة لخزانات المياه التي يتم التحكم في الضغط فيها، مما يوفر للمستخدمين دليلًا علميًا وعمليًا لاتخاذ القرارات.

I. التحدي الأساسي المتمثل في سيناريوهات تحمل الضغط: 

"الضغوط الثلاثية" التي يجب أن تتحملها خزانات المياه

تتعرض خزانات المياه في أنظمة الطاقة الشمسية المقاومة للضغط باستمرار لضغوط ثلاثية، تتمثل في الضغط العالي، ودرجة الحرارة المرتفعة، والتآكل المائي. ويختلف هذا اختلافًا جوهريًا عن بيئة تشغيل خزانات المياه غير المقاومة للضغط، وهو عامل أساسي يجب مراعاته عند اختيار خزان المياه.

الضغط الأول هو حمل ضغط عالٍ مستمر. يجب توصيل خزانات المياه في أنظمة الطاقة الشمسية التي تتحمل الضغط مباشرةً بخط أنابيب المياه البلدية، وأن تتحمل ضغطًا مائيًا ثابتًا يتراوح بين 0.4 و0.8 ميجا باسكال. في حال استخدامها في بيئات مضغوطة، قد يحدث تشوه أو تسرب لحام خلال ثلاثة أشهر أو حتى عام.

الضغط الثاني هو التآكل التآزري الناتج عن ارتفاع درجة الحرارة والضغط. عادةً ما تُحافظ درجة حرارة الماء داخل خزان الماء على 40-75 درجة مئوية. تُسرّع درجات الحرارة العالية من شيخوخة المواد وتآكلها. بالنسبة للخزانات الداخلية المعدنية، تُقلل درجات الحرارة العالية من قوة شد المعدن، مما يجعله أكثر عرضة للتشوه البلاستيكي تحت الضغط العالي. علاوة على ذلك، تزيد درجات الحرارة العالية من نشاط أيونات الكلوريد والكالسيوم في الماء، مما يُفاقم تآكل الحفر وتراكم الترسبات الكلسية. على سبيل المثال، يقاوم الخزان الداخلي المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ SUS304 تآكل أيونات الكلوريد في درجة حرارة الغرفة. ومع ذلك، في الماء الذي تزيد درجة حرارته عن 70 درجة مئوية، حيث يتجاوز محتوى أيونات الكلوريد 100 جزء في المليون، يتحلل غشاء أكسيد الكروم الواقي على سطحه بسرعة، مما يؤدي إلى ظهور صدأ واضح في غضون ثلاثة إلى ستة أشهر.

لمواجهة هذه الضغوط الثلاثة، يجب أن تتمتع خزانات المياه عالية الجودة بثلاث خصائص أساسية: هيكل عالي المتانة يتحمل الضغط، ومواد مقاومة للتآكل في درجات الحرارة العالية، ومقاومة لالتصاق الترسبات. هذا يعني أيضًا أن مواد خزانات المياه المناسبة للتطبيقات غير المضغوطة ليست جميعها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب ضغطًا. ثانيًا: "المثلث الذهبي" لاختيار المواد: من المعايير الفردية إلى التوافق الشامل.

تنقسم مواد خزان المياه المضغوطة السائدة في السوق إلى ثلاث فئات: 

الفولاذ المقاوم للصدأ SUS304/SUS316، والبطانة المطلية بالمينا، وبطانة الراتنج المركب. لكل مادة مزاياها وتطبيقاتها الفريدة. ليس معيار الجودة هو المعيار، بل التوافق مع بيئة التشغيل.

1. خزانات المياه المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ SUS304/SUS316: الخيار الأمثل للمياه المحايدة 

تظل خزانات المياه المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ، بفضل شفافيتها ودقة عمليات اللحام، الخيار الأمثل للأنظمة المتكاملة التي تتحمل الضغط. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن ليس كل أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ تلبي متطلبات الضغط، ومن الاعتبارات الرئيسية جودة المادة وجودة البطانة.

2. خزانات المياه المطلية بالمينا: الخيار المتين لظروف المياه المعقدة 

تتميز خزانات المياه المطلية بالمينا، بفضل مقاومتها العالية للتآكل بفضل طلاءها غير العضوي، بأداء استثنائي في المناطق ذات المياه العسيرة، أو مستويات الكلوريد العالية، أو الظروف الحمضية. تتميز خزانات المياه المطلية بالمينا عالية الجودة بهيكل واقٍ من ثلاث طبقات: قاعدة فولاذية مدلفنة على البارد بسمك 1.2-1.5 مم (مما يوفر مقاومة للضغط)، وطبقة لاصقة بسمك 0.1-0.15 مم (تضمن الالتصاق بين المينا والفولاذ)، وطبقة سطحية من المينا المقاوم للأحماض والقلويات بسمك 0.05-0.1 مم (مما يقاوم التآكل المائي).

تكمن الميزة الأساسية لخزانات المياه المطلية بالمينا في عزلها التام عن الماء. يوفر المينا، المكون أساسًا من السيليكا والألومينا، ثباتًا كيميائيًا استثنائيًا. عند درجات حرارة أقل من 80 درجة مئوية، يتحمل محتوى أيونات الكلوريد ≤300 جزء في المليون ودرجة حموضة تتراوح بين 4 و10، كما يتميز بمقاومته العالية لتراكم الترسبات الكلسية. على سبيل المثال، في المناطق ذات المياه العسرة، مثل شاندونغ وخبي، لا تتجاوز كمية الترسبات الكلسية المترسبة على خزانات المياه المطلية بالمينا خُمس كمية الترسبات الكلسية المترسبة على خزانات الفولاذ المقاوم للصدأ SUS304. علاوة على ذلك، يسهل تنظيف الترسبات الكلسية، مما يُغني عن التفكيك المتكرر وإزالة الترسبات الكلسية.

قد يؤدي اصطدام الأجسام الصلبة بغلاف الخزان أثناء التركيب أو الاستخدام إلى خلع طبقة المينا الداخلية، مما يُشكل "آفات تآكل". لذلك، تُعدّ خزانات المياه المطلية بالمينا أكثر ملاءمةً للمنازل ذات التقلبات البسيطة في درجة حرارة الماء وبيئة التركيب المستقرة، ويجب تجنب استهلاك كميات كبيرة من المياه خلال فترات ذروة الاستخدام.

3. خزانات المياه المصنوعة من الراتنج المركب: مادة ناشئة محتملة

في السنوات الأخيرة، بدأت خزانات المياه المركبة، مثل الراتنج المقوى بالألياف الزجاجية (FRP)، تكتسب أهميةً في سوق الخزانات المتكاملة المقاومة للضغط بفضل خفة وزنها ومقاومتها للتآكل. تستخدم خزانات المياه المصنوعة من الراتنج المركب عمليةً مرققةً من الألياف الزجاجية وراتنج الإيبوكسي، مما ينتج عنه سمك جدار يتراوح بين 3 و5 مم وقوة شد تتجاوز 600 ميجا باسكال. يُغني غياب المكونات المعدنية تمامًا عن مشاكل التآكل المرتبطة بالخزانات المعدنية.

ومع ذلك، تعاني خزانات المياه المصنوعة من الراتنج المركب حاليًا من عيبين رئيسيين: أولًا، مقاومتها لدرجات الحرارة العالية محدودة. تُصنف راتنجات الإيبوكسي العادية للاستخدام طويل الأمد عند درجات حرارة تزيد عن 60 درجة مئوية. إذا ظلت درجة حرارة الماء أعلى من 65 درجة مئوية لفترة طويلة، فسيتعرض الراتنج لـ"شيخوخة حرارية"، مما يؤدي إلى انخفاض قوة البطانة. ثانيًا، معايير السوق غير متسقة. لخفض التكاليف، يستخدم بعض المصنّعين الصغار الراتنج المُعاد تدويره أو يُقللون من محتوى الألياف الزجاجية، مما يُقلل بشكل كبير من أداء الخزان ومتانته في تحمل الضغط، مما يُصعّب على المستخدمين تقييم الجودة بناءً على المظهر. لذلك، عند اختيار خزانات المياه المصنوعة من الراتنج المركب، أعطِ الأولوية للعلامات التجارية الحاصلة على "شهادة معدات الضغط الوطنية (CRCC)" واشترط تقرير اختبار طويل الأمد يُظهر "درجة حرارة عالية تبلغ 70 درجة مئوية، وضغط ماء 1.0 ميجا باسكال". ثالثًا. "الرمز الخفي" للتصميم الهيكلي: "تفاصيل تحمل الضغط" أهم من المادة.

بافتراض استيفاء المادة للمتطلبات، يُعد التصميم الهيكلي لخزان المياه "المفتاح الخفي" الذي يحدد قدرته على تحمل الضغط ومتانته. يتجاهل العديد من المستخدمين هذه التفاصيل الهيكلية، مما ينتج عنه "مواد جيدة ذات أداء ضعيف" - على سبيل المثال، تدوم بعض خزانات المياه المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ SUS304 لعشر سنوات، بينما يتسرب بعضها الآخر بعد ثلاث سنوات فقط. يكمن الاختلاف الجوهري في جودة التصميم الهيكلي.

II. كيفية بناء خزان مياه يدوم طويلاً: رؤى تصنيعية مهمة

1. عملية تشكيل البطانة: "خط الدفاع الأول"تحديد استقرار تحمل الضغط 

تنقسم عمليات تشكيل بطانة خزان المياه بشكل أساسي إلى "اللحام" و"الغزل"، والتي تختلف بشكل كبير في أداء تحمل الضغط. 

يُعدّ اللحام حاليًا العملية السائدة، حيث تُقطع صفائح الفولاذ المقاوم للصدأ ثم تُلحم في شكل بطانة أسطوانية أو مربعة. يجب أن تستوفي البطانة الملحومة عالية الجودة ثلاثة معايير: أولًا، نوع اللحام: يُفضّل استخدام اللحام التناكبي بدلًا من اللحام المتداخل. يُتيح اللحام التناكبي اختراقًا أعمق للحام، ويمكنه تحقيق أكثر من 90% من قوة ضغط المادة الأصلية، بينما يُشكّل اللحام المتداخل نقاط تركيز إجهاد، وهو عرضة للتشقق تحت الضغط العالي.

تستخدم عملية التشكيل بالدوران معدات متخصصة لغزل قطعة واحدة من الفولاذ المقاوم للصدأ وتحويلها إلى بطانة سلسة، مما يُلغي تمامًا خطر اللحامات ويُقدم أفضل أداء لتحمل الضغط. لا تحتوي الخزانات المُشكّلة بالدوران على أي لحامات، مما يضمن قوة تحمل موحدة للضغط. تحت ضغط ماء يبلغ 1.0 ميجا باسكال، يكون تشوه الخزان خُمس تشوه الخزانات الملحومة فقط. ومع ذلك، تتطلب عملية التشكيل بالدوران متطلبات عالية جدًا من المعدات والمواد، مما يجعلها مناسبة فقط للخزانات الأسطوانية (لا يُمكن تشكيل الخزانات المربعة بالدوران). علاوة على ذلك، فإن تكلفتها أعلى بنسبة 20%-30% من تكلفة اللحام، وتُستخدم حاليًا فقط في نماذج الخزانات عالية الجودة والمتكاملة المقاومة للضغط.

2. هيكل مانع التسرب للواجهة: عقدة أساسية لمنع تسرب الضغط العالي 

تعد واجهات الخزان (مثل مدخل المياه ومخرجها وواجهة التسخين الكهربائي) نقاطًا معرضة للضغط، ويؤثر تصميم الختم الخاص بها بشكل مباشر على أداء الختم ومتانة الخزان. تستخدم الواجهات التقليدية طريقة الختم "الختم المطاطي + التوصيل الملولب". تحت درجة الحرارة العالية والضغط العالي، يكون الختم المطاطي عرضة للتقادم والتشوه، مما يؤدي إلى فشل الختم خلال سنة إلى سنتين وحدوث تسربات. يجب أن يتميز هيكل ختم المفاصل عالي الجودة بتصميم "ختم مزدوج + مضاد للشيخوخة". أولاً، يجب أن تكون مادة الختم عبارة عن أختام مطاطية من السيليكون بدلاً من مطاط النتريل القياسي. يتمتع مطاط السيليكون بمقاومة درجات الحرارة العالية التي تتجاوز 200 درجة مئوية وعمر افتراضي يبلغ 3-5 أضعاف عمر مطاط النتريل، مما يوفر 8-10 سنوات من الاستخدام المستقر عند 75 درجة مئوية. ثانيًا، يجب أن تستخدم طريقة الختم هيكلًا مزدوجًا "الختم النهائي + الختم الشعاعي". يمنع الختم النهائي تسرب الماء عبر وجه المفصل، بينما يمنع الختم الشعاعي الماء من التسرب عبر فجوات الخيط، مما يوفر حماية مزدوجة لتحسين الغلق. ثالثًا، يجب تقوية المفصل من خلال "عملية التشفيه" أو "تصميم ضلع التعزيز" لزيادة سمك البطانة الداخلية عند المفصل (من 0.8 مم إلى أكثر من 1.2 مم)، مما يمنع التشوه تحت الضغط العالي.

3. العزل والغلاف الخارجي: "مخزن الضغط" الذي يساعد على حماية البطانة الداخلية. 

على الرغم من أن العازل والغلاف الخارجي لا يتحملان ضغط الماء مباشرةً، إلا أنهما أساسيان لضمان متانة خزان المياه على المدى الطويل. يجب أن تُصنع طبقة العزل عالية الجودة من البولي يوريثان المتمدد بشكل متكامل بكثافة لا تقل عن 40 كجم/م³ وسمك لا يقل عن 50 مم. يجب أن تلتصق هذه الطبقة بإحكام بالغلافين الداخلي والخارجي، دون ترك أي فجوات هوائية. يقلل هذا العزل الممتاز من تقلبات درجات الحرارة داخل الخزان، ويمنع التمدد والانكماش الحراري للغلاف الداخلي الناتج عن اختلافات درجات الحرارة الكبيرة، مما يطيل عمره الافتراضي. علاوة على ذلك، تعمل طبقة العزل كعازل، مما يمنع تشوه الغلاف الداخلي حتى من الصدمات البسيطة.

يجب أن يتمتع الغلاف الخارجي بمقاومة للضغط والتآكل. حاليًا، مواد التغليف الرئيسية هي "صفائح فولاذية مطلية بالألوان + طبقة مجلفنة" أو "صفائح سبائك الألومنيوم". يجب أن تستوفي الأغطية عالية الجودة المتطلبات التالية: أولًا، سمك لا يقل عن 0.3 مم يضمن قوة الهيكل ويمنع التشوه أثناء النقل أو التركيب. ثانيًا، يجب أن يستخدم طلاء السطح "طلاء الفلوروكربون" بدلاً من طلاء البوليستر القياسي. يوفر طلاء الفلوروكربون مقاومة أفضل للعوامل الجوية والتآكل، ويبقى مقاومًا للبهتان والصدأ لأكثر من 10 سنوات في البيئات الخارجية. هذا يمنع تآكل الغلاف من السماح لمياه الأمطار باختراق طبقة العزل، مما يؤدي إلى انخفاض أداء العزل وتآكل الخزان الداخلي بسبب الرطوبة.

ثالثًا: دليل الاختيار القائم على السيناريوهات: "الحل الأمثل" لمختلف الاحتياجات

بناءً على الاختلافات في جودة المياه وتخطيط المنزل وعادات الاستخدام، يجب على المستخدمين اختيار مادة وهيكل محددين لخزان المياه لتجنب خطأ الاختيار "مقاس واحد يناسب الجميع".