雙加熱系統飲水機設計分析

江啟峰 熊世強 曾守曦 吳光耀

摘 要 本裝置是為了改變普通飲水機反復加熱的弊端來設計的一種雙加熱系統的飲水機。通過二次加熱做到不會反復加熱的目的，并且可以保證用戶可以接到100℃的沸水。兩套加熱系統分別使用的是電阻加熱和石英加熱，加熱效果優異。另外通過計算，本裝置的節能效果顯著，相對于普通飲水機可以節能50%以上。本裝置的主要構成是一級加熱系統、二級加熱系統、保溫系統、溫控系統、制冷系統。為了滿足用戶的更多需求，在本裝置中加設了制冷系統，用戶可以飲用到冰水。制冷采用的是半導體制冷，對半導體產生的冷熱均達到了利用，沒有損耗。

關鍵詞 雙加熱系統 二次加熱 保溫 溫度傳感器

中圖分類號：TM924 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2020）02-0019-02

1 研究背景及意義

隨著國民生活水平的提高，飲水機已經走進了很多家庭，飲水機在我們身邊處處可見[1]。但是現在普通飲水機均有一個普遍存在的問題，就是存在反復加熱的現象。反復加熱次數過多會對飲用水產生影響，如果人類飲用了這樣的水會對人的身體健康產生一定的負面影響。另外就是反復加熱會造成能量損失，由于飲水機數量多，反復加熱的現象對于大多數飲水機都存在。因此造成的能量損失會是一筆非常巨大的數目。

目前市面上存在的飲水機解決飲水機反復加熱的問題比較主流的一種辦法就是內部無加熱系統，通過采用水壺來加熱，相對于用戶而言操作變得復雜，實用性不高[2]。另外還有一種飲水機的解決辦法就是采用即熱式飲水機，這種飲水機可以杜絕反復加熱，但是由于要做到即熱，對于加熱材料要求比較嚴格，造價相對較高，另外還存在功率比較大，對于線路要求大，因此即熱式飲水機在市面上并未廣泛實用。

2 設計方案

2.1 總體設計

本裝置可以劃分為幾個模塊：

一級加熱系統：該系統的主要作用是快速的將水升溫，并且將水溫溫度加熱到100℃。本系統的主要構成是加熱電阻絲，主要的原理就是電阻發熱與普通飲水機的制熱原理相同。另外在入口處以及出口均設置有閥門，二個閥門的開關分別由熱水保溫箱的水位高低來控制（入水口的閥門）以及本加熱系統內部的水溫控制閥門的開啟。

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，保溫桶由絕熱內膽以及絕熱外殼組成，外殼與內膽之間保持真空，以達到保溫的效果。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程以達到保溫的效果。本裝置中考慮到閥門的開閉會增加熱水的散熱，不可能達到完全的絕熱，綜合裝置的各部分構造假設在理想的狀態下（即沒有熱水進入也沒有水排出的情況）熱水從100℃降低到室溫的用時為12小時。根據現在的絕熱材料完全可以達到這種程度，所以保溫裝置可以采用普通絕熱材料，成本不會太高，并且可以達到理想的保溫效果。另外為了延緩溫度的降低，在保溫桶內壁均勻的分布有半導體制熱一極，制冷系統工作時，保溫桶內壁則會產生熱量延緩保溫桶水溫的降低。

二級加熱系統：二級加熱系統分布在熱水箱中及溫水箱出水管中。這種加熱與傳統的加熱模式具有很大的區別，傳統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一邊加熱的目的[3]。本系統采用的是石英加熱，相對于普通的電阻加熱，效率更好。

制冷系統：添加制熱系統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，人們對于冰水的需求更大，因此本飲水機添加了制冷模塊，增加飲水機的功能，使飲水機更加人性化。

溫控系統：本裝置為了可以達到預期的目標，在整個飲水機中幾乎全部通過溫度來控制整個裝置的運行。所以溫度是本裝置中的核心，在各個系統中均設置有溫度感應器，通過溫度的變化來做出反應。另外為了保證出水的溫度能夠達到預期的溫度，所以出水孔閥門的溫度全部為溫度感應閥門。所有的溫度感應器以及溫控閥門在整個裝置中組成了一個溫度系統。

2.2 運行步驟

（1）當自來水由飲水機管道進入后，首先通過凈水裝置進行水的凈化處理。

（2）水位（水溫）監測：檢測到熱水箱內的水位低于了預留的最低水位（水溫低于設定溫度）時、控制打開一級加熱系統上部的進水控制閥門進水，并定時關閉。

（3）保溫箱儲水過程：當一級加熱系統的水溫達到了100℃后，熱水保溫箱與溫水保溫箱的閥門打開，將熱水箱內的余水全部排入溫水箱后，關閉此閥門[4]。最后將加熱系統內部的水排進熱水保溫箱。

（4）熱水的二次加熱：當用戶打開出水口的后，二級加熱系統迅速加熱，同時熱水箱底部開啟，水一邊流動一邊加熱。當水達到出口時已達到95℃以上，當停止出水后管道內部的水會排進溫水箱內。

（5）溫水箱的運行：當顧客有溫水的需求時，溫水箱底部閥門開啟，同時開始制熱。在出水口位置可以達到確保的溫度。另外溫水箱的水量一般都在最低水位上，當低于該水位時，會直接由熱水箱注入水。

（6）冷水箱的運行：冷水箱直接由水管注水，該箱主要負責二個溫度：常溫以及冰水。常溫水不需加熱以及制冷直接排出。當顧客有制冷需求時，半導體模塊運行，流經的水會降低一定的溫度，達到顧客冰水的需求。另外水箱還有儲存前面余水的功能。

（7）緊急關閉系統：當水箱內的水位超過設定水位，表明用戶長時間沒有熱水需求。此時自動的關閉一級熱水系統的進水口，重啟需要用戶手動啟動，并設置提示信息。

2.3 工作原理

（1）半導體制冷原理：利用特種半導體材料的構成的P-N結，形成熱電偶對，產生珀爾貼效應，是一種通過直流電制冷的一種新型制冷方法，又稱半導體制冷或電子制冷[5]。

現在常用的制冷方式有壓縮機制冷、吸收式制冷、半導體制冷。

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

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

3 理論計算

3.1 可行性分析

在本次裝置的設計中，影響裝置的可行性最關鍵的部分是二次加熱裝置中，加熱溫度是否可以到達預定溫度值。

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，通過控制石英管內熱水的流速以做到預定加熱的效果。根據能量守恒定律、流體力學知識計算得：管道半徑R≥1.1cm，二次加熱裝置技術可行。

3.2 節能效果

在平常生活中自來水的溫度約為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-熱轉換效率約達95%，而第一加熱后的水一般再次加熱時溫度為65℃，得到總加熱費電為：

W（新）=0.131（KW·h）

當加熱罐里的傳感器感覺到水溫上升到95℃左右時，就會切斷加熱電源，水溫隨之下降，當降到75℃時，溫度傳感器會傳遞信號，對水重新加熱。經過對普通飲水機的調查發現，在冬天熱水反復加熱的次數較少，平均為3到4次，在夏天反復加熱的現象比較嚴重，夏天用戶對于熱水的需求量比較小，但是大部分用戶依然會選擇給飲水機通電使水反復加熱，保守估計夏天反復加熱的次數超過8次，一年平均每L水反復加熱的次數平均估計為6次。普通飲水機總的耗能：

W（普）=0.223（kW·h）

節能效果：η=41.26%

另外普通飲水機除了反復加熱的弊端之外，冷水與熱水直接的混合也會帶走相當大一部分熱量，因此初步估計每1L水使用該裝置所耗費的能量低于普通飲水機的50%，節能效果優異。

由于飲水機數目巨大，并且我國人口數量也很龐大，每日每人都會飲用大量熱水，該裝置在日常生活中的使用次數多，因此節約的能源會非常可觀。

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

3.3 創新性分析

（1）應用本裝置中的二個加熱系統，替代現有的單一加熱系統，解決了反復加熱的問題。

（2）保溫桶通過與加熱裝置分離的設計，不僅達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）二次加熱系統通過對加熱管道的直徑進行限制，達到了加熱水到預定溫度的要求。

參考文獻：

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

[2] 宋慧文，白國振，仲梁維.智能飲水機嵌入式控制系統設計[J].軟件導刊，2019，18（02）：91-95.

[3] 張紅梅，唐明良.即熱式智能飲水機設計與實現[J].南方農機，2019，50（02）：200-201.

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

[5] 熊中剛，劉小雍，李青，劉小芹，王恩來.基于單片機的飲水機水溫控制系統設計[J].信息技術與信息化，2018（04）：47-48+52.

西華大學 能源與動力工程學院，四川 成都