雙加熱系統(tǒng)飲水機(jī)設(shè)計(jì)分析

江啟峰 熊世強(qiáng) 曾守曦 吳光耀

摘 要 本裝置是為了改變普通飲水機(jī)反復(fù)加熱的弊端來(lái)設(shè)計(jì)的一種雙加熱系統(tǒng)的飲水機(jī)。通過(guò)二次加熱做到不會(huì)反復(fù)加熱的目的，并且可以保證用戶可以接到100℃的沸水。兩套加熱系統(tǒng)分別使用的是電阻加熱和石英加熱，加熱效果優(yōu)異。另外通過(guò)計(jì)算，本裝置的節(jié)能效果顯著，相對(duì)于普通飲水機(jī)可以節(jié)能50%以上。本裝置的主要構(gòu)成是一級(jí)加熱系統(tǒng)、二級(jí)加熱系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)。為了滿足用戶的更多需求，在本裝置中加設(shè)了制冷系統(tǒng)，用戶可以飲用到冰水。制冷采用的是半導(dǎo)體制冷，對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)生的冷熱均達(dá)到了利用，沒(méi)有損耗。

關(guān)鍵詞 雙加熱系統(tǒng) 二次加熱 保溫 溫度傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)：TM924 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2020）02-0019-02

1 研究背景及意義

隨著國(guó)民生活水平的提高，飲水機(jī)已經(jīng)走進(jìn)了很多家庭，飲水機(jī)在我們身邊處處可見(jiàn)[1]。但是現(xiàn)在普通飲水機(jī)均有一個(gè)普遍存在的問(wèn)題，就是存在反復(fù)加熱的現(xiàn)象。反復(fù)加熱次數(shù)過(guò)多會(huì)對(duì)飲用水產(chǎn)生影響，如果人類(lèi)飲用了這樣的水會(huì)對(duì)人的身體健康產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。另外就是反復(fù)加熱會(huì)造成能量損失，由于飲水機(jī)數(shù)量多，反復(fù)加熱的現(xiàn)象對(duì)于大多數(shù)飲水機(jī)都存在。因此造成的能量損失會(huì)是一筆非常巨大的數(shù)目。

目前市面上存在的飲水機(jī)解決飲水機(jī)反復(fù)加熱的問(wèn)題比較主流的一種辦法就是內(nèi)部無(wú)加熱系統(tǒng)，通過(guò)采用水壺來(lái)加熱，相對(duì)于用戶而言操作變得復(fù)雜，實(shí)用性不高[2]。另外還有一種飲水機(jī)的解決辦法就是采用即熱式飲水機(jī)，這種飲水機(jī)可以杜絕反復(fù)加熱，但是由于要做到即熱，對(duì)于加熱材料要求比較嚴(yán)格，造價(jià)相對(duì)較高，另外還存在功率比較大，對(duì)于線路要求大，因此即熱式飲水機(jī)在市面上并未廣泛實(shí)用。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 總體設(shè)計(jì)

本裝置可以劃分為幾個(gè)模塊：

一級(jí)加熱系統(tǒng)：該系統(tǒng)的主要作用是快速的將水升溫，并且將水溫溫度加熱到100℃。本系統(tǒng)的主要構(gòu)成是加熱電阻絲，主要的原理就是電阻發(fā)熱與普通飲水機(jī)的制熱原理相同。另外在入口處以及出口均設(shè)置有閥門(mén)，二個(gè)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)分別由熱水保溫箱的水位高低來(lái)控制（入水口的閥門(mén)）以及本加熱系統(tǒng)內(nèi)部的水溫控制閥門(mén)的開(kāi)啟。

保溫裝置：保溫裝置主要包括溫水箱的保溫桶以及熱水箱的保溫桶，保溫桶由絕熱內(nèi)膽以及絕熱外殼組成，外殼與內(nèi)膽之間保持真空，以達(dá)到保溫的效果。保溫的原理與保溫杯的原理相同，都是阻止了熱水向外傳遞熱能的過(guò)程以達(dá)到保溫的效果。本裝置中考慮到閥門(mén)的開(kāi)閉會(huì)增加熱水的散熱，不可能達(dá)到完全的絕熱，綜合裝置的各部分構(gòu)造假設(shè)在理想的狀態(tài)下（即沒(méi)有熱水進(jìn)入也沒(méi)有水排出的情況）熱水從100℃降低到室溫的用時(shí)為12小時(shí)。根據(jù)現(xiàn)在的絕熱材料完全可以達(dá)到這種程度，所以保溫裝置可以采用普通絕熱材料，成本不會(huì)太高，并且可以達(dá)到理想的保溫效果。另外為了延緩溫度的降低，在保溫桶內(nèi)壁均勻的分布有半導(dǎo)體制熱一極，制冷系統(tǒng)工作時(shí)，保溫桶內(nèi)壁則會(huì)產(chǎn)生熱量延緩保溫桶水溫的降低。

二級(jí)加熱系統(tǒng)：二級(jí)加熱系統(tǒng)分布在熱水箱中及溫水箱出水管中。這種加熱與傳統(tǒng)的加熱模式具有很大的區(qū)別，傳統(tǒng)的都是加熱靜止的水而本裝置加熱的石英分布是沿著出水管均勻分布的，可以做到水一邊流動(dòng)一邊加熱的目的[3]。本系統(tǒng)采用的是石英加熱，相對(duì)于普通的電阻加熱，效率更好。

制冷系統(tǒng)：添加制熱系統(tǒng)主要是為了滿足人的需求，夏天由于溫度更高，相比于要等待降溫的熱水，人們對(duì)于冰水的需求更大，因此本飲水機(jī)添加了制冷模塊，增加飲水機(jī)的功能，使飲水機(jī)更加人性化。

溫控系統(tǒng)：本裝置為了可以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，在整個(gè)飲水機(jī)中幾乎全部通過(guò)溫度來(lái)控制整個(gè)裝置的運(yùn)行。所以溫度是本裝置中的核心，在各個(gè)系統(tǒng)中均設(shè)置有溫度感應(yīng)器，通過(guò)溫度的變化來(lái)做出反應(yīng)。另外為了保證出水的溫度能夠達(dá)到預(yù)期的溫度，所以出水孔閥門(mén)的溫度全部為溫度感應(yīng)閥門(mén)。所有的溫度感應(yīng)器以及溫控閥門(mén)在整個(gè)裝置中組成了一個(gè)溫度系統(tǒng)。

2.2 運(yùn)行步驟

（1）當(dāng)自來(lái)水由飲水機(jī)管道進(jìn)入后，首先通過(guò)凈水裝置進(jìn)行水的凈化處理。

（2）水位（水溫）監(jiān)測(cè)：檢測(cè)到熱水箱內(nèi)的水位低于了預(yù)留的最低水位（水溫低于設(shè)定溫度）時(shí)、控制打開(kāi)一級(jí)加熱系統(tǒng)上部的進(jìn)水控制閥門(mén)進(jìn)水，并定時(shí)關(guān)閉。

（3）保溫箱儲(chǔ)水過(guò)程：當(dāng)一級(jí)加熱系統(tǒng)的水溫達(dá)到了100℃后，熱水保溫箱與溫水保溫箱的閥門(mén)打開(kāi)，將熱水箱內(nèi)的余水全部排入溫水箱后，關(guān)閉此閥門(mén)[4]。最后將加熱系統(tǒng)內(nèi)部的水排進(jìn)熱水保溫箱。

（4）熱水的二次加熱：當(dāng)用戶打開(kāi)出水口的后，二級(jí)加熱系統(tǒng)迅速加熱，同時(shí)熱水箱底部開(kāi)啟，水一邊流動(dòng)一邊加熱。當(dāng)水達(dá)到出口時(shí)已達(dá)到95℃以上，當(dāng)停止出水后管道內(nèi)部的水會(huì)排進(jìn)溫水箱內(nèi)。

（5）溫水箱的運(yùn)行：當(dāng)顧客有溫水的需求時(shí)，溫水箱底部閥門(mén)開(kāi)啟，同時(shí)開(kāi)始制熱。在出水口位置可以達(dá)到確保的溫度。另外溫水箱的水量一般都在最低水位上，當(dāng)?shù)陀谠撍粫r(shí)，會(huì)直接由熱水箱注入水。

（6）冷水箱的運(yùn)行：冷水箱直接由水管注水，該箱主要負(fù)責(zé)二個(gè)溫度：常溫以及冰水。常溫水不需加熱以及制冷直接排出。當(dāng)顧客有制冷需求時(shí)，半導(dǎo)體模塊運(yùn)行，流經(jīng)的水會(huì)降低一定的溫度，達(dá)到顧客冰水的需求。另外水箱還有儲(chǔ)存前面余水的功能。

（7）緊急關(guān)閉系統(tǒng)：當(dāng)水箱內(nèi)的水位超過(guò)設(shè)定水位，表明用戶長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有熱水需求。此時(shí)自動(dòng)的關(guān)閉一級(jí)熱水系統(tǒng)的進(jìn)水口，重啟需要用戶手動(dòng)啟動(dòng)，并設(shè)置提示信息。

2.3 工作原理

（1）半導(dǎo)體制冷原理：利用特種半導(dǎo)體材料的構(gòu)成的P-N結(jié)，形成熱電偶對(duì)，產(chǎn)生珀?duì)栙N效應(yīng)，是一種通過(guò)直流電制冷的一種新型制冷方法，又稱(chēng)半導(dǎo)體制冷或電子制冷[5]。

現(xiàn)在常用的制冷方式有壓縮機(jī)制冷、吸收式制冷、半導(dǎo)體制冷。

（2）石英加熱原理：石英管是采用了經(jīng)特殊工藝加工的乳白石英玻璃管、配用電阻合材料作為發(fā)熱子，由于乳白石英玻璃可以吸收來(lái)自電熱絲輻射的幾乎全部的可見(jiàn)光和近紅外光，且能使之轉(zhuǎn)化為遠(yuǎn)紅外輻射，對(duì)水進(jìn)行加熱。

（3）保溫原理：保溫即減少熱能的散失，減少熱能散失的三個(gè)方面（對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射）。保溫桶采取的保溫措施：保溫桶分內(nèi)外二層材料，二層材料之間抽成真空形成一個(gè)真空層，減少對(duì)流以及熱的傳導(dǎo)，從而達(dá)到保溫效果。保溫桶內(nèi)層渡銀，反彈熱量輻射。

3 理論計(jì)算

3.1 可行性分析

在本次裝置的設(shè)計(jì)中，影響裝置的可行性最關(guān)鍵的部分是二次加熱裝置中，加熱溫度是否可以到達(dá)預(yù)定溫度值。

二次加熱最大的溫度加熱變化值為50℃，選擇功率為500w的石英加熱管，通過(guò)控制石英管內(nèi)熱水的流速以做到預(yù)定加熱的效果。根據(jù)能量守恒定律、流體力學(xué)知識(shí)計(jì)算得：管道半徑R≥1.1cm，二次加熱裝置技術(shù)可行。

3.2 節(jié)能效果

在平常生活中自來(lái)水的溫度約為22℃，水的比熱容是4.2×103/kg·℃，每1L水加熱到100℃碳纖維石英加熱管電-熱轉(zhuǎn)換效率約達(dá)95%，而第一加熱后的水一般再次加熱時(shí)溫度為65℃，得到總加熱費(fèi)電為：

W（新）=0.131（KW·h）

當(dāng)加熱罐里的傳感器感覺(jué)到水溫上升到95℃左右時(shí)，就會(huì)切斷加熱電源，水溫隨之下降，當(dāng)降到75℃時(shí)，溫度傳感器會(huì)傳遞信號(hào)，對(duì)水重新加熱。經(jīng)過(guò)對(duì)普通飲水機(jī)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在冬天熱水反復(fù)加熱的次數(shù)較少，平均為3到4次，在夏天反復(fù)加熱的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，夏天用戶對(duì)于熱水的需求量比較小，但是大部分用戶依然會(huì)選擇給飲水機(jī)通電使水反復(fù)加熱，保守估計(jì)夏天反復(fù)加熱的次數(shù)超過(guò)8次，一年平均每L水反復(fù)加熱的次數(shù)平均估計(jì)為6次。普通飲水機(jī)總的耗能：

W（普）=0.223（kW·h）

節(jié)能效果：η=41.26%

另外普通飲水機(jī)除了反復(fù)加熱的弊端之外，冷水與熱水直接的混合也會(huì)帶走相當(dāng)大一部分熱量，因此初步估計(jì)每1L水使用該裝置所耗費(fèi)的能量低于普通飲水機(jī)的50%，節(jié)能效果優(yōu)異。

由于飲水機(jī)數(shù)目巨大，并且我國(guó)人口數(shù)量也很龐大，每日每人都會(huì)飲用大量熱水，該裝置在日常生活中的使用次數(shù)多，因此節(jié)約的能源會(huì)非?？捎^。

新型飲水機(jī)茶吧機(jī)不足（飲水機(jī)）：A.使用范圍不及普通飲水機(jī)廣范;B.大部分茶吧機(jī)加熱需要等待，不能做到熱水的持續(xù)供應(yīng);C.操作相對(duì)比較復(fù)雜，老人小孩使用不便;D.加熱容器小，不具有保溫功能。

3.3 創(chuàng)新性分析

（1）應(yīng)用本裝置中的二個(gè)加熱系統(tǒng)，替代現(xiàn)有的單一加熱系統(tǒng)，解決了反復(fù)加熱的問(wèn)題。

（2）保溫桶通過(guò)與加熱裝置分離的設(shè)計(jì)，不僅達(dá)到了更好的保溫效果，而且做到了冷熱水分離，減少了熱能損失。

（3）二次加熱系統(tǒng)通過(guò)對(duì)加熱管道的直徑進(jìn)行限制，達(dá)到了加熱水到預(yù)定溫度的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳德根，朱澤清，田金，郭旭俠.飲水機(jī)使用現(xiàn)狀分析[J].科技與創(chuàng)新，2019（18）：120-121.

[2] 宋慧文，白國(guó)振，仲梁維.智能飲水機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軟件導(dǎo)刊，2019，18（02）：91-95.

[3] 張紅梅，唐明良.即熱式智能飲水機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（02）：200-201.

[4] 王丹.半導(dǎo)體電阻和半導(dǎo)體制冷器件在飲水機(jī)中的應(yīng)用[J].電子元器件與信息技術(shù)，2019（04）：100-103.

[5] 熊中剛，劉小雍，李青，劉小芹，王恩來(lái).基于單片機(jī)的飲水機(jī)水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)與信息化，2018（04）：47-48+52.

西華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川 成都