基于熱交換器的電開水器冷卻設(shè)計(jì)研究

作者/楊俊哲，西北工業(yè)大學(xué)附屬中學(xué)

引言

在日常生活中，電開水器是必不可少的常用電器，在學(xué)校里更是如此。然而，目前的電開水器仍存在一些缺陷，比如，從電開水器中接出的水通常都是100℃的開水，無法直接飲用，這就給急需飲水的學(xué)生帶來很大麻煩。因此，可以考慮利用熱交換器的基本原理，對現(xiàn)有的電開水器做出改進(jìn)，保障學(xué)生能夠直接喝上溫度適宜的開水。

目前國內(nèi)外有不少與熱交換器有關(guān)的論文，在工業(yè)熱交換器領(lǐng)域，有關(guān)文章的研究點(diǎn)主要集中在對大型熱交換器的性能分析、可靠性評估、延長使用壽命的保護(hù)措施、制造工藝分析等方面，如王丹銘[1]介紹了熱交換器的結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并重點(diǎn)介紹了熱交換器殼體、管板、法蘭、折流板及管子的選材及制造工藝、組裝工藝。周振[2]等人發(fā)現(xiàn)影響板式熱交換器傳熱性能的主要因素有傳熱系數(shù)K、對數(shù)平均溫差Δtm、介質(zhì)的壓力降ΔP以及板片的承壓能力等。研究了在兩個(gè)恒定的板間流速下,對高NTU、中NTU和低NTU通道三種板片結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合并進(jìn)行熱工性能試驗(yàn)，軟板的數(shù)量對板式熱交換器的壓力降ΔP及傳熱系數(shù)K的影響得到有助于熱交換量—流量—允許壓降完全匹配的板片組合形式。在日常用熱交換器領(lǐng)域，有關(guān)文章的研究點(diǎn)主要集中在飛機(jī)或汽車空調(diào)的改進(jìn)、新型熱交換器的結(jié)構(gòu)、熱交換器的模型建立與數(shù)值計(jì)算等方面，如周慶輝[3]等人利用Fluent軟件模擬仿真和正交試驗(yàn)的方法對汽車空調(diào)暖風(fēng)機(jī)熱交換器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；而有關(guān)電開水器的論文，其研究點(diǎn)主要集中在原理、檢修、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、質(zhì)量上存在的問題、節(jié)能方面的調(diào)查與改進(jìn)等，如魏康[4]等人設(shè)計(jì)的改進(jìn)型電開水器從結(jié)構(gòu)上避免高功率電熱管一直工作的缺陷，既能不間斷供水，又大幅度的降低能耗其特有的三個(gè)水箱設(shè)計(jì)—生水箱、溫水箱、開水管,將溫度不同的三類水隔離。生水箱保證自來水的供給,溫水箱內(nèi)置電熱管將生水加熱至中間溫度并保溫,接水時(shí),溫水流入開水管被加熱至沸騰；陳榮[5]分析了商用電開水器的耗能特點(diǎn)，通過開水器之間，以及開水器與其他電器之間的對比試驗(yàn)，說明了開水器具有較大節(jié)能潛力，并介紹了開水器在能效方面的標(biāo)準(zhǔn)化情況和在這方面亟待完成的工作；師紹猛[6]等人為保證脹接后傳熱管形變滿足技術(shù)要求，應(yīng)對脹管區(qū)脹接情況進(jìn)行檢測評估，介紹了非能動余熱排出熱交換器脹接工藝、脹管評估要求、脹管輪廓渦流檢測在檢測實(shí)際中的應(yīng)用。

雖然有關(guān)熱交換器和電開水器的研究頗多，但在對電熱水器的改進(jìn)方面，有關(guān)冷卻裝置的改進(jìn)關(guān)注較少，隨著人們生活水平的提高，更加便捷地喝到直飲水是人們關(guān)注的問題。本文的研究內(nèi)容就是設(shè)計(jì)一個(gè)利用熱交換器原理的冷卻裝置，快速冷卻電開水器中的開水，減少等待開水冷卻的時(shí)間，同時(shí)這種裝置較為簡單，成本低廉，能夠有效提升生活質(zhì)量，具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。

1.設(shè)計(jì)過程

1.1 確定指標(biāo)

基于熱交換器的電熱水器冷卻裝置冷卻指標(biāo)的確定，主要來源于網(wǎng)絡(luò)上的資料和測量。開水進(jìn)口溫度為沸水溫度100℃。適宜飲用水溫度是接近人體體溫最合適，考慮到接水后的熱量散失，可將開水的出口溫度定為50℃。使用溫度計(jì)測量自來水水溫，結(jié)果約為15℃。用燒杯測量電開水器在十秒內(nèi)流出水的體積，可計(jì)算出開水流量。綜合以上結(jié)果，得到指標(biāo)如下：開水進(jìn)口溫度開水出口溫度冷卻水進(jìn)口溫度冷卻水出口溫度開水流量M1= 0.06kg/s。

管殼式熱交換器由殼體、管束、管板和封頭等部分組成,殼體多呈圓形,內(nèi)部裝有平行管束,管束兩端固定于管板上。在管殼換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱的兩種流體,一種在管內(nèi)流動,其行程稱為管程；一種在管外流動,其行程稱為殼程，管束的壁面即為傳熱面。管殼式熱交換器的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)較低，選材范圍廣，處理能力大，具有高度可靠性和廣泛的適應(yīng)性。應(yīng)用到電開水器上簡單可靠，因此選用管殼式熱交換器作為冷卻裝置。

1.2 熱交換器計(jì)算程序

①查得水的比熱cp=4.187kj(kg·℃)、密度ρ＝1000kg/m3、黏度，依據(jù)指標(biāo)得出飲用開水與冷卻水的定性溫度分別為：

②熱損失系數(shù)Lη取0.98，計(jì)算出傳熱量

冷卻水量

逆流時(shí)的對數(shù)平均溫差

溫差修正系數(shù)?為0.97，可得出有效平均溫差

材料選擇碳鋼無縫鋼管，管程內(nèi)水的流速2ω選為0.5m/s，由這些數(shù)據(jù)可計(jì)算管程所需流通截面

將內(nèi)徑取為10㎜，外徑d0取14㎜，可得每程管數(shù)

計(jì)算每根管長

④管子按等邊三角形排列，一臺管子數(shù)為8，二臺傳熱面積 F′′= 1.68m2；

⑤驗(yàn)證兩臺的殼程總阻力在規(guī)定范圍之內(nèi)。

1.3 冷卻裝置的安裝與節(jié)能

綜合考慮電開水器的規(guī)格以及安裝的簡便性，可在電開水器主體外壁懸掛固定該冷卻裝置，并對開水管路稍作修改，讓開水先流過冷卻裝置，再從水龍頭流出。由于這種外部安裝方式會造成冷卻裝置易受磨損，所以應(yīng)當(dāng)給冷卻裝置設(shè)計(jì)一套保護(hù)層，考慮到電開水器一般所處的水房濕度較大，且電開水器溫度較高,因此選用價(jià)格較低的塑料作為冷卻裝置的外殼，外殼上應(yīng)有固定裝置，最簡便的方法是用螺絲固定于電開水器外壁上。目前的社會發(fā)展主流是節(jié)能環(huán)保，該冷卻裝置也設(shè)計(jì)有循環(huán)系統(tǒng)以節(jié)約能源，基本原理是將熱交換器冷卻水從出水口再通入電開水器水箱內(nèi)加熱，由于流出的冷卻水溫度比自來水高，再加熱時(shí)可節(jié)省不少電能，因?yàn)槔鋮s水的來源也是自來水，飲用時(shí)不會有安全問題。該冷卻裝置設(shè)計(jì)指標(biāo)上冷卻水出口溫度較進(jìn)口溫度高20℃，每冷卻1kg開水需要約2.45kg冷卻水，如果將這2.45kg冷卻水通入電開水器水箱，則可節(jié)省約2.45kg×4.18kJ/(kg·℃)×20℃≈205kJ能量，不考慮電開水器加熱時(shí)的能量損失，至少可節(jié)約205kJ÷300kJ≈0.057度電，冷卻17.5kg開水即可節(jié)約1度電。學(xué)校里大約有4000名學(xué)生，按每人每天在校喝1升水，則理論上一天可節(jié)約4000×1kg÷17.5kg/度≈229度電，節(jié)能效果顯而易見。

2.結(jié)果與分析

本論文運(yùn)用管殼式熱交換器的計(jì)算程序原理，結(jié)合電開水器的具體參數(shù)，設(shè)計(jì)出了基于熱交換器原理的供電開水器使用的冷卻裝置。

⑴熱交換器具體參數(shù)如下：

選用〈1–2〉型管殼式熱交換器，2臺串聯(lián);管子：內(nèi)徑10mm，外徑14mm;每程管數(shù)：4，每根管長：1.2m;管距：19mm，等邊三角形排列;每臺換熱面積：0.84m2;二臺換熱面積：1.68m2;殼體內(nèi)徑：50mm;長徑比：24;拉桿直徑：10mm;一臺拉桿數(shù)：4;材料：碳鋼無縫鋼管

達(dá)到的冷卻指標(biāo)：可將100℃的開水在短時(shí)間內(nèi)冷卻至50℃。

⑵冷卻裝置的主要材料為碳鋼鋼管，一臺冷卻裝置需要長為1.2m的鋼管8根，根據(jù)普通碳鋼鋼管的市場價(jià)，價(jià)格約為100元，再考慮螺釘?shù)裙潭ㄑb置，冷卻裝置成本應(yīng)不超過150元。

⑶冷卻裝置充分考慮節(jié)能的要求，設(shè)計(jì)將使用過的冷卻水通入電開水器水箱中加熱后作為飲用水，該設(shè)計(jì)可使電開水器每冷卻17.5kg開水即可節(jié)約1度電，經(jīng)計(jì)算全校一天可節(jié)約229度電。

* [1]王丹銘.熱交換器的制造工藝[J].機(jī)械工程師,2012,03

* [2]周振,宋金虎,張守圣,秦妮,高建廣,張微,董艷,薛晉.板式熱交換器熱混合設(shè)計(jì)研究[J].當(dāng)代化工，2016,08

* [3]周慶輝,紀(jì)威,王奪.汽車空調(diào)暖風(fēng)機(jī)熱交換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),2010,02

* [4]魏康,肖威,李琳.現(xiàn)有電開水器的改進(jìn)與節(jié)能分析[J].科協(xié)論壇,2011,08

* [5]陳榮.商用電開水器的節(jié)能分析[J].家電科技,2013,04

* [6]師紹猛,王哲,曹剛,郭韻.非能動余熱排出熱交換器制造階段脹管區(qū)質(zhì)量檢測[J].壓力容器,2015,10