基于熱交換器的電開水器冷卻設計研究

作者/楊俊哲，西北工業大學附屬中學

引言

在日常生活中，電開水器是必不可少的常用電器，在學校里更是如此。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，對現有的電開水器做出改進，保障學生能夠直接喝上溫度適宜的開水。

目前國內外有不少與熱交換器有關的論文，在工業熱交換器領域，有關文章的研究點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構類型、結構特點，并重點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]等人發現影響板式熱交換器傳熱性能的主要因素有傳熱系數K、對數平均溫差Δtm、介質的壓力降ΔP以及板片的承壓能力等。研究了在兩個恒定的板間流速下,對高NTU、中NTU和低NTU通道三種板片結構進行組合并進行熱工性能試驗，軟板的數量對板式熱交換器的壓力降ΔP及傳熱系數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域，有關文章的研究點主要集中在飛機或汽車空調的改進、新型熱交換器的結構、熱交換器的模型建立與數值計算等方面，如周慶輝[3]等人利用Fluent軟件模擬仿真和正交試驗的方法對汽車空調暖風機熱交換器的結構進行了優化設計；而有關電開水器的論文，其研究點主要集中在原理、檢修、控制系統設計、質量上存在的問題、節能方面的調查與改進等，如魏康[4]等人設計的改進型電開水器從結構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水箱設計—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,溫水箱內置電熱管將生水加熱至中間溫度并保溫,接水時,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，通過開水器之間，以及開水器與其他電器之間的對比試驗，說明了開水器具有較大節能潛力，并介紹了開水器在能效方面的標準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要求，應對脹管區脹接情況進行檢測評估，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際中的應用。

雖然有關熱交換器和電開水器的研究頗多，但在對電熱水器的改進方面，有關冷卻裝置的改進關注較少，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注的問題。本文的研究內容就是設計一個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間，同時這種裝置較為簡單，成本低廉，能夠有效提升生活質量，具有廣闊的應用發展前景。

1.設計過程

1.1 確定指標

基于熱交換器的電熱水器冷卻裝置冷卻指標的確定，主要來源于網絡上的資料和測量。開水進口溫度為沸水溫度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℃。使用溫度計測量自來水水溫，結果約為15℃。用燒杯測量電開水器在十秒內流出水的體積，可計算出開水流量。綜合以上結果，得到指標如下：開水進口溫度開水出口溫度冷卻水進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,內部裝有平行管束,管束兩端固定于管板上。在管殼換熱器內進行換熱的兩種流體,一種在管內流動,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點是結構簡單，造價較低，選材范圍廣，處理能力大，具有高度可靠性和廣泛的適應性。應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 熱交換器計算程序

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

②熱損失系數Lη取0.98，計算出傳熱量

冷卻水量

逆流時的對數平均溫差

溫差修正系數?為0.97，可得出有效平均溫差

材料選擇碳鋼無縫鋼管，管程內水的流速2ω選為0.5m/s，由這些數據可計算管程所需流通截面

將內徑取為10㎜，外徑d0取14㎜，可得每程管數

計算每根管長

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

⑤驗證兩臺的殼程總阻力在規定范圍之內。

1.3 冷卻裝置的安裝與節能

綜合考慮電開水器的規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，所以應當給冷卻裝置設計一套保護層，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,因此選用價格較低的塑料作為冷卻裝置的外殼，外殼上應有固定裝置，最簡便的方法是用螺絲固定于電開水器外壁上。目前的社會發展主流是節能環保，該冷卻裝置也設計有循環系統以節約能源，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加熱，由于流出的冷卻水溫度比自來水高，再加熱時可節省不少電能，因為冷卻水的來源也是自來水，飲用時不會有安全問題。該冷卻裝置設計指標上冷卻水出口溫度較進口溫度高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，則可節省約2.45kg×4.18kJ/(kg·℃)×20℃≈205kJ能量，不考慮電開水器加熱時的能量損失，至少可節約205kJ÷300kJ≈0.057度電，冷卻17.5kg開水即可節約1度電。學校里大約有4000名學生，按每人每天在校喝1升水，則理論上一天可節約4000×1kg÷17.5kg/度≈229度電，節能效果顯而易見。

2.結果與分析

本論文運用管殼式熱交換器的計算程序原理，結合電開水器的具體參數，設計出了基于熱交換器原理的供電開水器使用的冷卻裝置。

⑴熱交換器具體參數如下：

選用〈1–2〉型管殼式熱交換器，2臺串聯;管子：內徑10mm，外徑14mm;每程管數：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;殼體內徑：50mm;長徑比：24;拉桿直徑：10mm;一臺拉桿數：4;材料：碳鋼無縫鋼管

達到的冷卻指標：可將100℃的開水在短時間內冷卻至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，根據普通碳鋼鋼管的市場價，價格約為100元，再考慮螺釘等固定裝置，冷卻裝置成本應不超過150元。

⑶冷卻裝置充分考慮節能的要求，設計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，該設計可使電開水器每冷卻17.5kg開水即可節約1度電，經計算全校一天可節約229度電。

* [1]王丹銘.熱交換器的制造工藝[J].機械工程師,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計研究[J].當代化工，2016,08

* [3]周慶輝,紀威,王奪.汽車空調暖風機熱交換器的優化設計[J].工程設計學報,2010,02

* [4]魏康,肖威,李琳.現有電開水器的改進與節能分析[J].科協論壇,2011,08

* [5]陳榮.商用電開水器的節能分析[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質量檢測[J].壓力容器,2015,10