CN102393064A

CN102393064A - 一种复合热源变模式开水器

Info

Publication number: CN102393064A
Application number: CN2011103636941A
Authority: CN
Inventors: 刘高文; 高文君; 贾琳渊; 王理; 张成武
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2012-03-28

Abstract

本发明提出了一种复合热源变模式开水器，包括电加热器、暖气热源换热器、开水热源换热器和控制器；暖气热源换热器利用暖气热源对自来水进行第一次加热；开水热源换热器利用开水热源对自来水进行第二次加热；二次受热自来水流经控制器后进入电加热器，控制器测量二次受热自来水的流量和温度，并控制电加热器功率，电加热器将流入的二次受热自来水烧开，开水一路流至开水器的开水供应口，开水另一路流入开水热源换热器的开水入口。本发明通过暖气对自来水进行一次预热，通过开水对自来水进行二次预热，既能够满足不同季节人们对温水和开水的需求，同时利用暖气和热循环代替了大部分电能加热，降低了电负荷。

Description

一种复合热源变模式开水器

技术领域

本发明涉及热能交换技术领域，具体为一种复合热源变模式开水器。

背景技术

现有大型开水器主要有储水式开水器、即时全电加热开水器、即时全电加热温开水器等。

储水式电开水器原理简单，使用方便，对环境条件没有很高的要求，因而是市场上的主导产品。其主要使用电加热装置将一定量的冷水加热至沸腾后储存于储水箱中，供人使用，用完后再开始加热新的开水。即热全电加热开水器部分取消了储水箱，用户使用开水时即时使用电加热装置将水烧开；即时全电加热温开水器在即热全电加热开水器的基础上增加了换热装置，可以在用户需要温水时将开水的部分热量转移给冷水，从而实现节能的目的。

储水式电开水器的主要问题是：1、一般开水器在长时间无人使用时，其加热器仍然继续工作，一方面增加了不必要的电能损耗，另一方面使饮用水重复加热，水质不新鲜，易结垢，不利于健康。2、一般开水器的凉、热水并未分开，很多时候我们喝的第一杯是开水，但是随即大量凉水进入加热器。在下一次加热完成之前，我们喝的都是凉热混合水，不够卫生。3、为了保证卫生，开水器都只提供开水。而绝大多数人都是接完开水后，再等其冷却到较低温度后才会饮用，尤其是在夏天。这样既造成饮用不方便，又浪费了大量的能量。

即热式开水器避免了重复加热所带来的耗电，但因电路功率限制使得其开水流量很小，无法满足正常使用。即热温开水器利用开水回流预热冷水，减少了加热消耗电能，但在提供开水时(尤其在冬季天气较冷时开水需求很大)没有任何节能效果。更重要的是，目前所有电开水器都是单纯用电加热。电能是一种等级很高的能量，用电能加热属于明显的“高能低用”。因此，从能量“质”的角度而言，单纯使用电能加热开水是一种巨大的能量浪费。目前，市场上的开水器基本以电为全部热源，采取“以电制热”的加热方式，还没有一种利用多种热源并实现“以热制热”的开水器装置。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种复合热源变模式开水器。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种复合热源变模式开水器，包括电加热器，其特征在于：还包括有暖气热源换热器、开水热源换热器和控制器；暖气热源换热器有四个接口，分别为暖气入口、暖气出口、自来水入口和一次受热自来水出口，暖气热源换热器利用暖气热源对自来水进行第一次加热；开水热源换热器有四个接口，分别为一次受热自来水入口、二次受热自来水出口、开水入口和温水供应口，一次受热自来水入口与暖气热源换热器的一次受热自来水出口连通，开水热源换热器利用开水热源对自来水进行第二次加热；二次受热自来水流经控制器后进入电加热器，控制器测量二次受热自来水的流量和温度，并控制电加热器功率，电加热器将流入的二次受热自来水烧开，开水一路流至开水器的开水供应口，开水另一路流入开水热源换热器的开水入口。

有益效果

本发明通过暖气对自来水进行一次预热，通过开水对自来水进行二次预热，既能够满足不同季节人们对温水和开水的需求，同时利用暖气和热循环代替了大部分电能加热，降低了电负荷。理论计算结果表明，在不同季节，本发明均具有明显的节能效果，而且能够实现方便的开水、温水供应。

附图说明

图1：本发明的结构示意图；

其中：1、暖气入口；2、自来水入口；3、暖气热源换热器；4、一次受热自来水出口；5、一次受热自来水入口；6、开水热源换热器；7、温度传感器；8、流量传感器；9、电加热器；10、开水供应口；11、二次受热自来水出口；12、开水入口；13、温水供应口；14、暖气出口；15、控制器。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本实施例主要针对于我国北方地区具有集中供暖条件的公共场所，为人们提供充足的开水、温水供应，本产品利用的“复合热源”主要包括开水热源、暖气热源以及电加热器热源等。

本实施例中所述的复合热源变模式开水器，包括电加热器9、暖气热源换热器3、开水热源换热器6和控制器15。

暖气热源换热器3有四个接口，分别为暖气入口1、暖气出口14、自来水入口2和一次受热自来水出口4，暖气入口1接外部暖气供水管，暖气出口14接外部暖气回水管，自来水入口2接外部自来水供应管，暖气热源换热器3利用外部暖气热源对自来水进行第一次加热。

开水热源换热器6有四个接口，分别为一次受热自来水入口5、二次受热自来水出口11、开水入口12和温水供应口13，一次受热自来水入口5与暖气热源换热器的一次受热自来水出口4连通，开水热源换热器6利用从电加热器9提供的开水热源对自来水进行第二次加热。

二次受热自来水流经控制器15后进入电加热器9，控制器通过温度传感器7和流量传感器8测量二次受热自来水的流量和温度，并控制电加热器9功率，电加热器9将流入的二次受热自来水烧开，开水一路流至开水器的开水供应口10，开水另一路流入开水热源换热器的开水入口12。

本发明有如下四种工作模式：

工作模式一：无暖气热源、供应开水

水流从自来水入口依次进入暖气热源换热器、开水热源换热器，因为既没有暖气供应，又没有开水回流，故此时两个换热器皆不工作，自来水保持初始温度，流经控制器时，温度传感器、流量传感器分别获取水流温度及流量，计算获得将水烧开所需的功率，并调节加热器功率值，使水流在流出加热器时恰好被加热至沸腾。被烧开的水通过开水供应口流出，供人们饮用。

工作模式二：无暖气热源、供应温水

水流从自来水入口进入暖气热源换热器，由于无暖气供应，冷水保持初始温度进入开水热源换热器，此时，加热器中沸腾的开水并不直接流出开水器，而是经导流管进入开水热源换热器，开水、冷水在开水热源换热器内进行热交换，之后开水变为温水，通过温水供应口流出，供人们供饮用；冷水被开水预热后温度升高，进入电加热器中继续加热至沸腾，再流入开水热源换热器继续预热冷水，如此循环。

开水器在此种模式下工作时节能效果明显。且在春夏秋三个季节，大多数人们都会乐意喝温水，因而模式二的工作时间较长。

工作模式三：有暖气热源、供应开水

水流从自来水入口进入暖气热源换热器时，被暖气预热至较高温度，再进入开水热源换热器。之后工作与模式一相同。

工作模式四：有暖气热源、供应温水

水流从自来水入口进入暖气热源换热器时，被暖气预热至较高温度，再流入开水热源换热器。之后工作于模式二相同。

此模式是模式二、三的结合，因流入开水热源换热器的冷水已被暖气预热至较高温度，因此开水经过换热之后，温度降低不大，供应的是“高温水”，这也在一定程度上符合了人们冬季的饮水需求。

模式三、四主要利用暖气的热量代替大部分电能加热。

开水器工作于模式一时，电加热负荷最大，可以保证开水流量不小于100L/h，但这种工作模式使用时间很短；工作于其他三种模式时，为了保证使用安全，控制开水(温水)流量不超过300L/h。

以下着重从设计的节能效果进行分析。

(1)春夏秋三季节的节能效果分析

首先，做出如下假设：

1、春夏秋三季节均为90天；

2、三季节自来水的平均温度T₀＝10℃；

3、夏季开水、温水需求比例设为1∶9，春秋季开水、温水需求比例设为1∶4，则可算得三季节总需求量为V，三季节开水需求量约为1/6V，温水需求量约为5/6V；

4、即热式、储水式开水器的加热效率均为100％，且暂不考虑储水式开水器重复加热；

已知开水温度T_k＝100℃，冷水经过预热后温度T₁＝67℃。

设此本发明开水器耗电量为Q₁，常规的储水式开水器耗电量为Q₂，则有

Q_{1} = \frac{1}{6} Vr c_{p} (T_{k} - T_{0}) + \frac{5}{6} Vr c_{p} (T_{k} - T_{1}),

Q₂＝Vrc_p(T_k-T₀)

计算可得节能效率

h = \frac{Q_{2} - Q_{1}}{Q_{2}} = 1 - \frac{(T_{k} - T_{0}) + 5 (T_{k} - T_{1})}{6 (T_{k} - T_{0})} = 52.8 %

注：常规的储水式开水器在长时间无人饮用时，加热仍在继续，故对于相同量的饮用水，储水式开水器实际耗电量要远大于以上计算所得耗电量。因此，实际情况下，此开水器的节能效率会比上述理论计算结果高。

(2)冬季基于供暖的节能效果分析

首先，做出如下假设：

1、冬季自来水的平均温度T₀＝5℃；

2、冬季开水、温水需求比例设为1∶2，设冬季总需求量为V，则可算得开水需求量约为1/3V，温水需求量约为2/3V；

Q₂＝Vρc_P(T_k-T₀)

3、即热式、储水式加热器的加热效率均为100％；

4、冬季供暖方式为集中供暖；

已知开水温度T_k＝100℃，冷水经过暖气预热后温度T₁＝75℃；，再经过开水预热后温度T₂＝85℃。

设此开水器耗电量为Q₁，常规的储水式开水器耗电量为Q₂，则有

Q_{1} = \frac{1}{3} Vρ c_{P} (T_{k} - T_{1}) + \frac{2}{3} Vρ c_{P} (T_{k} - T_{2}),

Q₂＝Vρc_P(T_k-T₀)

若不考虑暖气热量消耗，单纯从节约电能角度，此开水器节能效率

h_{jd} = \frac{Q_{2} - Q_{1}}{Q_{2}} = 1 - \frac{(T_{k} - T_{1}) + 2 (T_{k} - T_{2})}{3 (T_{k} - T_{0})} = 80.7 %

以下综合暖气的消耗进行节能效率分析。目前暖气热量来源多通过燃煤获得，而我国的电能70％以上也来自以煤为燃料的火力发电。因此，可以从耗煤的角度将复合热源开水器与现有常规开水器进行对比，计算其节能效率。

已知：发电标准煤耗率为0.4kg/Kw·h，可换算为H_D＝9000kJ/kg，煤的热值H_M＝29306kJ/kg，发电效率η_D＝35％，供暖效率η_M＝85％

M_{1} = \frac{Q_{1}}{h_{D} H_{D}} + \frac{vr c_{p} (T_{1} - T_{0})}{h_{M} H_{M}},

M_{2} = \frac{Q_{2}}{h_{D} H_{D}}

故节能效率为

h_{jm} = \frac{M_{2} - M_{1}}{M_{2}} = 1 - \frac{h_{M} H_{M} [(T_{k} - T_{1}) + 2 (T_{k} - T_{2})] + 3 h_{D} H_{D} (T_{1} - T_{0})}{3 h_{M} H_{M} (T_{k} - T_{0})} = 71.4 %

注：实际上，电能的生产从设备、技术、输运、维护等各个方面要求都比烧煤供暖要高得多，因而其费用也远高于相同能量的供暖费用。因此，用暖气对冷水进行预热，不仅减少了耗煤量，更实现了“低级能源”代替“高级能源”，从“量”、“质”两方面均实现了节能。

综合以上分析，本产品设计具有非常明显的节能效果，并且能实现方便的开水、温水供应，适合于我国北方大部分地区的公共场所(医院、学校、车站、办公场所、等)。因此，本产品设计具有良好的实际应用价值。

Claims

1.一种复合热源变模式开水器，包括电加热器，其特征在于：还包括有暖气热源换热器、开水热源换热器和控制器；暖气热源换热器有四个接口，分别为暖气入口、暖气出口、自来水入口和一次受热自来水出口，暖气热源换热器利用暖气热源对自来水进行第一次加热；开水热源换热器有四个接口，分别为一次受热自来水入口、二次受热自来水出口、开水入口和温水供应口，一次受热自来水入口与暖气热源换热器的一次受热自来水出口连通，开水热源换热器利用开水热源对自来水进行第二次加热；二次受热自来水流经控制器后进入电加热器，控制器测量二次受热自来水的流量和温度，并控制电加热器功率，电加热器将流入的二次受热自来水烧开，开水一路流至开水器的开水供应口，开水另一路流入开水热源换热器的开水入口。