CN103547195B

CN103547195B - 优质热水的快速制备方法及装置

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Publication number: CN103547195B
Application number: CN201280023660.0A
Authority: CN
Inventors: 陈晓明; 陈成择
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2012-07-15
Publication date: 2018-10-26
Anticipated expiration: 2032-07-15
Also published as: CN102357003B; WO2013029435A1; CN102357003A; US20140226960A1; CN103547195A; US9572454B2

Abstract

一种优质热水的快速制备方法及装置,该优质热水的快速制备方法包括如下步骤:步骤a)根据T=Tcm‑TR+x公式计算出升温变量T,TR、x为预设常数,并在管道加热器(4)系列升温曲线中寻找满足T≤THj的相应流量Lj,THj为流量Lj时的最高升温值;步骤b)以设定流量Lj的水进入管道加热器(4),再由水流量Lj对应的管道加热器(4)的加热升温曲线对捕捉升温变量T,找到相应的处于慢速升温非线性加热区Κ区内的任一时间点所对应的管道加热器(4)的相邻加热功率对,并用选定的相邻加热功率对的其中之一的加热功率进行加热;步骤c)测量步骤b)中管道加热器(4)出水端口(GB)处水温Tc;当t≥t1时,计算出出水端口(GB)处目标水温Tcm和出水端口(GB)处水温之间的偏差值y=Tcm‑Tc,同时将y和已设定的目标水温最大允许偏差值Cp进行比较,当偏差值|y|>Cp时,将偏差值y再加原始补偿值x得到新的补偿值x,再进行步骤a)、步骤b);当偏差值|y|<Cp时,继续进行步骤b)。

Description

优质热水的快速制备方法及装置

技术领域

本发明涉及一种热水的制作方法及所用设备，特别涉及一种优质热水的快速制备方法及装置。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高，迫切需要快速得到优质的热水用于提高生活品质，如用优质的热水冲泡茶叶、咖啡等，这种优质热水既要快速得到，又要防止原始水的烧老、原始分子团结构的破坏，保持原有水的优异质量。

专利申请号CN201010207530.5′管道电热极速开水机′提供了一种在3～5秒钟内就可烧出95～99℃的热水，并且需要多少就烧多少，节能、节时，但此开水机还存在不足之处，因管道加热器用的反馈温度信息的NTC热敏电阻的热响应速度慢，在大于1秒时会造成信息滞后控温困难。水源进水温度还随着不同季节和不同地区环境变化有着很大的差异，由于控温环节的滞后，从而造成极速开水机出水口水温不稳定，甚至会发生水温过高喷蒸汽的现象，不仅易烫伤人还会影响设备的使用寿命。同时因烧过头的水源其小水分子团遭破坏，含氧量降低，用此水是难于泡出优质醇香的茶。

专利申请号CN201110009740.8一种利用加热管方法的泡茶机′就为解决加热管道中的水容易烧过头，因沸腾产生过热汽化飞溅烫伤人和损坏设备的问题，满足在出水口处获得所要求温道加热水的方法及使用该度的热水用的泡茶机，但它仍是依据出水口出水的温度为所述各段加热管道设置预定加热温度，并由各段加热管道加热使水温度达到预定的加热温度，这个方法制造分段管道加热器工艺复杂，每一段加热体为恒定高温，NTC热敏电阻滞后性仍然没有补偿，因此烧水过程仍无法精确控制，热水的质量无法得到保证。

对发明的公开

技术问题

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的上述不足而提供一种优质热水的快速制备方法及装置，使管道加热器工作在慢速升温区，能彻底根除管道加热器升温过高，使原水分子团结构少受破坏，并始终保持出水口温度稳定在目标水温。

问题的解决方案

技术解决方案

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：优质热水的快速制备方法依据的升温曲线是所用管道加热器的加热升温曲线，电磁泵的流量设定值L1，纵坐标温度T为目标水温Tm与进水温度T_J间的差值，横坐标为加热时间t，绘出在不同电功率P1、P2、P3、P4......时的升温曲线，形成快速升温线性加热区S区和慢速升温非线性加热区K区；K区一直延伸到t₂，t₂＝单次出水总量/电磁泵设定流量L1，上下两条相邻升温曲线也称电功率对在K区所围区域为目标水温的加热区域；

优质热水的快速制备方法的步骤：

a)用进水温度传感器测量电磁泵进水的水温，再根据设置目标水温和依据的升温曲线，主控板选择相应的目标水温区域的电功率对给加热作准备；

b)启动进水前的加热，用管道加热器上的发热体传感器测量管道加热器内发热体的温度，由主控板换算成管道加热器内水的温度并计算与目标水温间的差值，确定设定电功率加热的限时数值，并且按上述数值打开管道加热器限时加热，使管道加热器内的水体温度达到目标水温Tm附近区域；

c)主控板启动电磁泵，L1流量的水从直饮水箱中流出，进入管道加热器，同时主控板用步骤a)选定的电功率对中的一条升温曲线进行加热，这时L1流量的水就在管道加热器的非线性加热K区按照升温曲线进行缓慢升温，从而避开了S区的快速升温线性加热区，从出水口就可得到接近目标水温的泡茶水；

d)在加热过程中，发热体传感器根据上述升温曲线提供自动调节电功率的信息，若管道加热器工作在步骤a)选定的电功率对升温曲线间的目标水温，管道加热器内的水温或管道加热器出水口的水温高于目标水温，主控板使升温曲线自动向电功率对中低的那条升温曲线方向切换，若管道加热器内的水温或管道加热器出水口的水温低于目标水温，主控板使升温曲线自动向电功率对中高的那条升温曲线方向切换，使管道加热器出水口水温达到目标水温Tm；

e)主控板根据所需出水量计算电磁泵的电驱动脉冲数，在出水时开始计数，到达脉冲数时停止加热，并延时2秒后关闭电磁泵，停止出水，或在到达脉冲数前再按动运行键停止加热，并延时2秒后关闭电磁泵，提前停止出水。

用上述方法生产优质热水的所用装置，包括安装在壳体表面上的操作按钮面板，安装在壳体内的主控板、固定有发热体温度传感器的管道加热器、水管、电源、电磁泵、带有安全保护的直饮水箱组成，所述的管道加热器的入水口通过电磁泵与安装有进水温度传感器的水管连接，水管与直饮水箱连接，管道加热器的出水口与安装有出水温度传感器的水管头连接，主控板的信号输入端分别与所述的进、出水温度传感器、发热体温度传感器连接，主控板的电功率输出端分别与所述的电磁泵、管道加热器连接。

抛开具体的进水设备和控制设备，上述管道加热器恒定流量时加热升温曲线确定方法如下：在设定的管道加热器流量L1下，测量并绘出在管道加热器不同加热功率时的时间与温度之间关系的升温曲线，其中纵坐标温度T为管道加热器出水口水温Tm与管道加热器进水温度T_J间的差值，横坐标为加热时间t，各个不同加热功率下升温曲线的快速升温段构成S区，慢速升温段构成K区。

上述K区测量的加热时间最好为t₂，这样既满足水快速制备时取水量的实际需要，又可以节省管道加热器加热升温曲线的测量成本和时间，也可大于t₂。

上述在K区内的二条相邻升温曲线之间的温差变化范围最好在3～7°，这样能降低对水温度传感速度的响应速度的要求并使水温控制更加平稳。

由此对上述方法进行改进，优质热水的快速制备方法，包括以下步骤：

a)、根据进水水温和设定的出水目标水温计算出温差，再由温差、设定的流量从管道加热器的升温曲线中找到相应的处于慢速升温非线性加热区K区内的任一时间点所对应的管道加热器的相邻加热功率对，并选择该相邻加热功率对预备对管道加热器内的水进行加热；

b)、再以设定流量的水进入管道加热器，同时用步骤a选定的相邻加热功率对的其中之一的加热功率进行加热，进入管道加热器内的水就会在管道加热器的非线性K区内缓慢升温，从出水口得到目标水温的水；

还包括步骤c)、在步骤a)中先测量管道加热器内水的温度，根据该温度与目标水温间的差值和管道加热器内水的容积计算在设定加热功率下的加热时间，并按该加热时间减去一定量得到实际加热时间，然后按实际加热时间以设定加热功率对管道加热器内的水进行加热，再按步骤b)加热。

若出水温度要求较精确，还包括步骤d)：加热过程中，若管道加热器出水口水温高于目标水温，则选择步骤a)中选定的相邻加热功率对中较低加热功率进行加热，若管道加热器出水口水温低于目标水温，则选择所述相邻加热功率对中较高的加热功率进行加热，使管道加热器出水口水温一直在目标水温附近。

上述步骤a)中管道加热器的相邻加热功率对最好是处于慢速升温非线性加热区K区内的任一时间点所对应的。

上述步骤c)中测量管道加热器内水的温度可直接用温度传感器测量，也可用实验方法测量管道加热器内发热体的温度与管道加热器出水口的水温度之间的关系，并将管道加热器出水口的水温度近似于管道加热器内水的温度，然后根据测量的管道加热器内发热体温度换算成管道加热器内水的温度。

上述步骤c)中设定功率最好为管道加热器额定功率的一半，这样保证管道加热器内的水温度接近快速升温段末端对应的温度。

上述步骤c)中所述减去一定量最好为管道加热器长度与流量之比的一半，以保证管道加热器快速加热后至水流开始流动前管道加热器内水的温度仍在快速升温区内，也可以保证水流流动后水温的平稳上升。

本发明人还发现，由于管道加热器的加热升温曲线是在特定条件下得到的，受多种因素影响，具体分析如下。

一个管道加热器可视为有一个入水端口GA，出水端口GB，以及电功率P_in输入端口GC的黑盒子，见图6。给定水流量L的水从入水端口GA沿管道流向出水端口GB的过程中，在管道加热器内电加热元件作用下逐步升温，在出水端口GB处获得升温热水。

根据能量守恒定律，出水端口GB处水温T_c及入水端口GA处水温T_R有恒等式：C×L×(T_c-T_R)＝η×P_in式中，C为水的比热容，L为给定水流量，η为管道加热器在给定电功率P_in时的电热转换效率。

将输入电功率P_in离散化，得P₁、P₂、P₃...P_n，升温过程中可以视每个P_i对应各自的常数值，由此公式1相应变为：T_ic-T_R＝η_i×P_i/(C×L)(i＝1，2，3，...n)，式中，T_ic是选定功率P_i时管道加热器水的出口温度，η_i是选定功率P_i时管道加热器的电热转换效率。

上式中：比热容c只随水质的变化略有变化，升温中可以视比热容C是一常数值，水的比热容C取4.18焦耳；通过泵的选型使给定水流量L得到良好的控制，在整个运行过程中，可以视为常数值；通过电路控制选定的P_i值，在整个运行过程中，可以视为常数值。

当上述C×L×(T_c-T_R)＝η×P_in恒等式中T_c＝T_ic，η＝η_i时，可得公式2：(T_ic-T_R)/(T_jc-T_R)＝η_iP_i/η_jP_j(i≠j)

但使用环境条件的变化影响着公式1中η_i值的大小。现以厚膜电阻做加热元件的管道加热器为例列举影响η_i值的原因：

η_i是有效热功率P_i1和输入电功率P_i之比，η_i＝P_i1/P_i。

管道加热器输入电功率P_i＝P_i1+P_i∑，其中P_i1是转换为水的热量的有效功率，P_i∑是总的耗散功率。

P_i∑是由管道加热器的厚膜电阻电热转换损耗功率P_iZ，管道加热器的散热面传导-对流及辐射的热功率P_iF和由管道加热体本体结构决定的热容量损耗功率P_iB组成的总的损耗功率，公式3P_i∑＝P_iZ+P_iF+P_iB，其中P_iZ随着厚膜电阻使用时间增加逐步缓慢增加，P_iF热功率随着使用环境温度条件的变化而变化，如管道加热器的散热面附近空气的温度的升高使P_iF下降，使η_i上升。

管道加热器本体结构热容量损耗功率P_iB和加热体的体温度升高值成正比。当加热体的体温度由低到高时P_iB＞0，使η_i减少，当加热体的体温度由高到低时，P_iB＜0使η_i增加。

由于d T_ic/dη_i＞0，在给定功率P_i时，耗散功率P_i∑的增加或减少会造成η_i值的减少或增加导致出水端口升温值的减少或增加。

当公式1写为T_ic-T_R＝η_i×P_i/(4.18×L)时，我们发现η_i的变化能使实验中得到的P_i加热升温曲线沿T纵轴上下移动，同时使P_i-1和P_i的间隔变大或变小现象得到解释。这个计算公式对检测得到的每一条P_i加热升温曲线都适用。

例如：测试条件为测量时的环境温度是25℃，供电电压V_o交流220V，电网内阻R_s取2Ω，管道加热器的厚膜电阻P₁取20Ω，入水口水温T_R＝10℃，L＝L₁＝5.5ml/s。当P₁＝2200w，P₂＝1925w时，t₂时刻的T_c-T_R的对应值为T₁＝87℃，T₂＝81℃，根据T_1c-T_R＝η₁×P₁/(4.18×L)＝87℃，T_2c-T_R＝η₂×P₂/(4.18×L)＝81℃，计算得对应η_i值为η₁＝0.91.η₂＝0.96.当加热运行时间t＞t₁后，目标水温值97℃就落在上述P₁，P₂组成的加热升温功率对曲线非线性K区内。

假设当P_i∑的变化使η_i的变化为3％时，当P₁＝2200w时，根据T_1c-T_R＝η₁×P₁/(4.18×L)，得到T₁＝[84.1，89.9]℃。当P₂＝1925w时，根据T_2c-T_R＝η₂×P₂/(4.18×L)，得到T₂＝[78.5，83.5]℃；因为入水口水温T_R＝10℃，所以T_1c处于94.1-99.9℃之间，T_2c处于88.5-93.5℃之间。

在上述例子里如果P_i∑增加使η_i减小0.03，导致出水口最高水温为T_1c＝94.1℃，T_2c＝88.5℃，出口目标温度值97℃就落在上述P₁、P₂组成的加热升温功率对曲线非线性K区之外。

当Δη_i＝0时，T₁＝87℃，T₂＝81℃，相关P₁和P₂间隔T_1c-T_2c＝6℃。当Δη_i＝-0.03时，T_1c-T_R＝84.1＜T₁，T_2c-T_R＝78.5＜T₂，相关P₁，P₂组成的加热升温功率对曲线下移。间隔T_1c-T_2c＝5.6℃，相关P₁和P₂间隔变小。当Δη_i＝+0.03时，T_1c-T_R＝89.9℃＞T₁，T_2c-T_R＝83.5℃＞T₂，相关P₁，P₂组成的加热升温功率对曲线上移。间隔T_1c-T_2c＝6.4℃，相关的P₁和P₂间隔变大。

还有电网内阻R_s、电网标称电压V_o及负载电阻R₁对选定功率P_i常数值也会发生影响，说明如下。

当管道加热器接入电网使用时，出于成本的考虑，大多数情况下不能过滤电网环境条件的改变对选定功率P_i常数值的影响，例如，管道加热器接入电网的电路示意图如图7。图中R_s为电力变压器内阻和电力变压器到用户端的等效线路损耗电阻，R_s随用电量大小变化，典型值为欧姆数量级，如R_s＝2欧姆，R₁为管道加热器的厚膜电阻，阻值可分为两种状态，室温时冷电阻和加电升温后的热电阻。

对于Hy-1管道加热器其测试得到室温时冷电阻R₁＝20Ω或加电升温后的热电阻R₁＝21Ω(P_i＝2200W，15s后)，V_o为地区电网标称电压。

输入管道加热器的电功率P_i＝V_i ²/2R₁)＝(V_oR₁)²/(2R₁(R₁+R_s)²)。

上述V_o，R₁及R_s的变化影响加热功率P_i值的大小，并且：

由于d P_i/d R_s＜0，R_s增加导致P_i的减少，R_s减少导致P_i的增加。

由于d P_i/d R₁＞0，R₁增加使P_i增加，R₁减少使P_i减少。

由于d P_i/d V_o＞0，V_o增加使P_i增加，V_o减少使P_i减少。

显然，公式1 T_ic-T_R＝η_i×P_i/(4.18×L)中P_i的变化与升温值T大小成正比。现就V_o，R_s，R₁变化的原因使P_i变化为3％时对P_i的影响举例说明：

例如：测试条件为测量时的环境温度是25℃，供电电压V_o交流220V，电网内阻R_s取2Ω，管道加热器的厚膜电阻R₁取20Ω，T_R＝10℃，L＝L₁＝5.5ml/s。当P₁＝2200w，P₂＝1925w时，有V_o，R_s，R₁符合测试条件引起的ΔP_i＝0时，图5中t₂时刻的T_1c-T_R的出水端口GB处升温值T₁＝87℃，T₂＝81℃为测试温度值，根据T_1c-T_R＝η₁×P₁/(4.18×L)＝87℃，T_2c-T_R＝η₂×P₂/(4.18×L)＝81℃计算得η₁＝0.9，η₂＝0.96.当加热运行时间t＞t₁后，目标水温值97℃就落在上述P₁、P₂组成的加热升温功率对曲线非线性K区内。

假设V_o、R_s、R₁改变导致不符合测试条件引起的ΔP₁≤2200×3％＝66W、ΔP₂≤1925×3％＝57.8W时，根据公式1和公式2，当P₁＝2200w时，由T_1c-T_R＝η₁×P₁/(4.18×L)得到出水口温度范围T＝[84.4，89.6]℃；当P₂＝1925w时，由T_2c-T_R＝η₂×P₂/(4.18×L₀)得到出水口温度范围T＝[78.6，83.4]℃。

若入水口水温T_R＝10℃时，ΔP₁使出水端口GB处最高水温T_1c处于94.4-99.6℃之间；ΔP₂使出水端口GB处最高水温T_2c处于88.6-93.4℃之间。

上述例子中当V_o、R_s、R₁的变化使P_i减少3％，使P₁减少66W、P₂减少57.8W，导致出水端口GB处对应的最高水温T_1c＝94.39℃，T_2c＝88.6℃，目标水温97℃就落在上述P₁，P₂组成的加热升温功率对曲线非线性K区之外。

当ΔP_i＝0时，升温值T₁＝87℃，T₂＝81℃，相关的P₁和P₂间隔T_1c-T_2C＝97-91＝6℃。

当ΔP₁＝+66w，ΔP₂＝+57.8w时，T_1c-T_R＝89.6℃＞T₁，T_2c-T_R＝83.4℃＞T₂，相关的P₁，P₂组成的加热升温功率对曲线上移，间隔T_1c-T_2C＝99.6-93.4＝6.2℃，相关P₁和P₂间隔变大。当ΔP₁＝-66w，ΔP₂＝-57.8w时，T_1c-T_R＝84.4℃＜T₁，T_2c-T_R＝78.6℃＜T₂，相关P₁和P₂组成的加热升温功率对曲线下移，间隔T_1c-T_2C＝94.4-88.6＝5.8℃，相关P₁和P₂的间隔变小。

综上所述，研究发现管道加热器其在特定水流量、选定功率P_i下测定的加热升温曲线受使用环境条件的影响会发生沿T轴上下移动及相邻加热功率P_i-1和P_i间的温度T间隔变大或变小的现象，所以在一定实验条件下测得的管道加热器加热升温曲线在使用条件下，其原先实验条件下得到的升温曲线会发生变化，甚至其最高加热温度不能达到目标值，因此对原加热方法需要进行改进。

由此，管道加热器的加热升温曲线增加不同流量下的测定值，改变成如下：分别取管道加热器水流量L_j(j＝0，1，2，3，..n)，在设定水流量L_j时，测量并绘出管道加热器在不同加热功率P_i时的时间与温度之间关系的升温曲线，其中纵坐标温度T为管道加热器出水端口水温T_c与管道加热器入水端口水温T_R间的升温值，横坐标为加热时间t，各个不同的P_i加热功率下升温曲线的快速升温段构成S区，慢速升温段构成K区，并且确定管道加热器最大功率、加热时间t₂、流量L_j时的最高升温值TH_j，组成不同流量下的系列升温曲线。

上述最高升温值TH_j最大值为96℃，以适应所有的使用要求。

我们称通过升温变量T找到相邻功率对这一过程为捕捉，。由于使用条件的变化，为更准确地找到合适的相邻功率对、更好地控制出水温度，捕捉时采用的捕捉公式为升温变量T＝T_cm-T_R+x，其中，T_cm为出水端口处目标水温，T_R为入水端口处水温，x是补偿量。

因此，提供一种优质热水的快速制备方法，包括如下步骤：

步骤a)根据T＝T_cm-T_R+x公式计算出升温变量T，T_R、x为一预设常数，并在所述管道加热器系列升温曲线中寻找满是T≤TH_j的相应流量L_j；

步骤b)以设定流量L_j的水进入管道加热器，再由水流量L_j对应的管道加热器的加热升温曲线对捕捉升温变量T，找到相应的处于慢速升温非线性加热区K区内的任一时间点所对应的管道加热器的相邻加热功率对，并用选定的相邻加热功率对的其中之一的加热功率进行加热；

步骤c)测量步骤b)中管道加热器出水端口处水温T_c；当t≥t₁时，计算出水端口处目标水温T_cm和出水端口处水温之间的偏差值y＝T_cm-T_c，同时将y和已设定的目标水温最大允许偏差值C_p进行比较，当偏差值|y|＞C_p时，将偏差值y再加原始补偿值x得到新的补偿值x，再进行步骤a)、步骤b)；当偏差值|y|＜C_p时，继续进行步骤b)。

为了使出水端口的出水起始温度接近目标水温，在步骤b)中增加步骤d)：先测量管道加热器内水的温度T_sh，并根据目标水温T_cm与T_sh间的差值和管道加热器内水的容积计算在设定加热功率下的加热时间，并按该加热时间减去一定量得到实际加热时间，然后按实际加热时间以设定加热功率对管道加热器内的水进行加热，保证管道加热器内的水温度接近快速升温段末端t₁对应的温度。

步骤c)中补偿量x的开始时刻最好为t₁′＝t₁(T_cm-T_sh)/T_cm-T_R)。

为更好地控制出水温度，增加步骤e)：在步骤b)的加热过程中，若管道加热器出水端口的水温高于目标水温，则选择步骤b)中选定的相邻加热功率对中较低的加热功率进行加热，若管道加热器出水口的水温低于目标水温，则选择选定的相邻加热功率对中较高的加热功率进行加热，使管道加热器出水口水温一直在目标水温附近。

为优化捕捉过程的实时性能，增加入水口温度传感器，入水口温度传感器安装在进水器内，上述步骤b)捕捉公式：T＝T_cm-T_R+x中入水端口水温T_R采用入水口温度传感器实际测量值。

根据上述方法提供了相应的优质热水的快速制备装置，其包括进水器、出水器、控制器、出水温度传感器、管道加热器、计量泵，所述的管道加热器的入水口通过计量泵与进水器连接，管道加热器的出水口与安装有出水温度传感器的出水器连接；控制器的信号输入端与所述的出水温度传感器连接，控制器的电功率输出端分别与所述的计量泵、管道加热器的加热体连接，并根据设定条件控制计量泵的启动和管道加热器的加热，控制器根据上述优质热水的快速制备方法中的步骤进行控制。

上述制备装置中节省了入水口温度传感器的设置成本，降低了装置的故障率。

为更好地控制温度，管道加热器内还增加水的温度传感器，温度传感器与控制器的信号输入端相连，控制器根据上述快速制备方法中的步骤进行控制。

为更好地控制温度，进水器内增加进水温度传感器，进水温度传感器与控制器的信号输入端相连，控制器根据上述快速制备方法中的步骤进行控制。

上述进水器可为水管、水箱等。

上述出水器可为水管、水箱等。

上述生产装置最好放置在壳体内，控制器通过壳体表面上的操作按钮面板操作。

上述计量泵最好为电磁泵，便于水流量的控制和精确定量。

发明的有益效果

有益效果

本发明因管道加热器始终工作在可控制的慢速加热K区，从而避免了现有管道加热器加热水时由于其工作在快速升温段由于温度传感器的滞后性带来的控温不确定性，使升温快速、方便、可控；同时根据加热过程中水温度的变化通过选择所选定的相邻功率对其中之一的加热功率加热，使水升温平稳，出水水温控制精度很高。还由于对管道加热器内的水先行加热，再加新水进入管道加热器内加热，因此避免了温度较低的水直接接触已经加热了的较高温度的加热体而产生水和加热体交换表面的温度剧变，选用相邻功率对的控制方法消除现有管道加热器全功率加热存在的加热体升温过高而把水烧老、将水的水分子团破坏的现象，使原始优质的水的质量不发生变化，既能品尝到味道好的水又能保证身体健康。

对附图的简要说明

附图说明

图1、本发明实施例优质热水的快速制备装置的外形图。

图2、本发明实施例磁化水处理器结构示意图。

图3、本发明实施例的结构示意图。

图4、本发明实施例主控板控制电路框图。

图5、本发明实施例管道加热器在流量L1下不同电功率时的升温曲线。

图6、本发明管道加热器的加热模型图。

图7、本发明管道加热器接入电网时的等效电路图。

图8、本发明实施例管道加热器在流量L1下不同电功率时的升温曲线。

实施该发明的最佳实施例

发明实施例

本发明的实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述。

如图2、5所示，管道加热器4的加热升温曲线测量如下：电磁泵3的流量设定值为L1＝5.5ml/秒，进水水温Tj＝10度，纵坐标温度T为目标水温Tm与进水温度Tj间的差值，横坐标为加热时间t，绘出在管道加热器4不同电功率P1、P2、P3、P4......时的升温曲线，形成快速升温的线性加热区S区和慢速升温的非线性加热区K区，K区一直延伸到加热时间t2，t2＝单次出水总量/设定流量L1。

优质热水快速制备方法的步骤如下：

a)、用进水温度传感器2测量进水的水温，再根据设置的目标水温和依据的升温曲线，主控板选择进水流量L1和相应的目标水温区域的电功率对给加热作准备；

b)、启动进水前的加热，用管道加热器4上的发热体传感器5测量管道加热器4内发热体的温度，由主控板12换算成管道加热器内水的温度并计算与目标水温间的差值，确定设定电功率加热的限时数值，并且按上述数值打开管道加热器4限时加热，使管道加热器内的水体温度达到目标水温Tm附近区域；

c)、主控板启动电磁泵3，L1流量的水从直饮水箱1中流出，并进入管道加热器4，同时主控板用步骤1选定的电功率对中的一条升温曲线进行加热，

推动管道加热器内水体出出水口，这时L1流量的水就在管道加热器的非线性加热K区，按照升温曲线进行缓慢升温，从而避开了S区的快速升温线性加热区，从出水口就可得到接近目标水温Tm的泡茶水；

d)、在加热过程中，发热体传感器5根据上述升温曲线提供自动调节电功率的信息，若管道加热器工作在两电功率升温曲线区域P1和P2之间，管道加热器4内的水温高于目标水温Tm，主控板使升温曲线自动向电功率对中低的那条升温曲线P2的方向切换，若管道加热器4内的水温低于目标水温Tm，主控板在升温曲线自动向电功率对中高的那条升温曲线P1方向切换，使管道加器出水端水温达到目标水温Tm；

e)、主控板根据所需出水量计算电磁泵的电驱动脉冲数，在出水时开始计数，到达脉冲数时停止加热，并延时2秒后关闭电磁泵，停止出水，或在到达脉冲数前再按动运行键停止加热，并延时2秒后关闭电磁泵，提前停止出水；

f)、管道加热器出水经水管流经磁化水处理器的磁场，随后流入水管头，在水管头内腔内和导气管送入的气体混合改善水的鲜活度，出水水温由出水温度传感器测得，并由主控板计算、跟踪、补偿管道加热器长时间加热工作特性飘移和新鲜空气注入造成水温下降。

上述步骤b)确定在管道加热器4额定功率的一半电功率下加热的时间，并且按该数值减少2秒确定实际加热时间，主控板打开管道加热器4按该实际加热时间加热，使管道加热器内的水温度接近目标水温Tg。

上述步骤d)中，更好地用出水温度传感器2随时检测管道加热器4出水口的水温度，若水温高于目标水温Tg，主控板自动选择加热功率低的P2进行加热，若管道加热器4出水口的水温低于目标水温Tg，主控板自动选择加热功率高的P1进行加热，使管道加器出水口水温达到目标水温Tg。

上述步骤f)是为更好地提高热水的质量，也可省略。

用上述方法生产泡茶水所用装置见图1、图3，其包括连接操作按钮面板1的主控板12、电源16、管道加热器4、电磁泵3、直饮水箱11组成，管道加热器4的入水口通过电磁泵3与安装有进水温度传感器2的水管14连接，水管与直饮水箱11连接，管道加热器4的出水口与固定有出水温度传感器8的水管头7连接；主控板12的信号输入端分别与进、出水温度传感器2、8、管道加热器上的发热体温度传感器5连接，主控板12的电功率输出端分别与电磁泵3、管道加热器4连接。

管道加热器4为市售的管道极速加热器，型号为HY-1，功率2200W，实测具有图5所示的不同电功率下的升温曲线，发热体温度传感器5为NTC电阻传感器，热响应速度1～3秒紧贴管道加热器加热体安装，管道加热器的安装保证进水口在出水口的下方，进水温度传感器2安装在管接头14-1腔内，管接头14-1用螺钉固定在直饮水箱的侧壁上，主控板12采用的CPU为STC12C5A32S2，上面还连接有射频卡读写模块13，直饮水箱11内安装有液位开关、防干烧等安全保护11-1，水管14为食用级硅胶管。

为改善水质，在管道加热器的出水口连接磁化水处理器6，以及在磁化水处理器的出口端与导气管9垂直安装。

增装磁化水处理器和带微气泵的导气管，能进一步改善热水的鲜活度和含氧量，使其与优质茶、咖啡等配用，保证和提高了茶叶、咖啡的冲泡质量，在紧张工作后放松享受生活的乐趣。

水管14由管接头14-1及水管14-2、14-3、14-4三段组成，电磁泵、管道加热器的两端都有和水管14相接的接头18。

磁化水处理器6由中间有通孔、H形骨架6-1的上、下两凹槽内，嵌放N、S两钕铁硼磁块6-2构成，如图2所示。

水管头7的上端进气接口7-1连接导气管9，导气管9与微气泵10出口连接，微气泵10与主控板12的电功率输出端连接。水管头7一侧壁感应口7-4处固定出水温度传感器8，下端为出水口7-2，水管头7另一侧壁上有进水接口7-3与磁化水处理器6出口端的水管14-4连接，由导气管进入水管头的空气和磁化水处理器进入的磁化水在水管头中混合，从下端出水口7-2流出供使用。

水管14-2的一端直接和管接头14-1弹性连接，另一端与电磁泵3的入水口接头18相连，电磁泵3的出水口接头18和管道加热器入水口接头18用水管14-3弹性连接，管道加热器出水口接头18与水管14-4的一端弹性连接，水管14-4另一端从骨架6-1中间通孔穿出与安装有出水温度传感器8的水管头7连接；主控板12的信号输入端分别与进、出水温度传感器2、8，管道加热器上的发热体温度传感器5连接，主控板12的电功率输出端分别与所述的电磁泵3、管道加热器4连接。

将装有茶叶的水杯放置在此装置水管头7下端出水口7-2下方，电源16接通后，操作按钮面板1上的显示屏1-1显示所设置的水温和水量，若显示屏显示水温为80度、水量为100ml不是所需的，这时可按动温度键1-6直接改变设置水温，按动模式键1-2改变水量，设变成水温95度和水量150ml，若需要96度或94度的水温，这时还可按动增加键1-3或减少键1-4，将水温向大或小的方向作小范围调节，再按动运行键1-5，这时主控板根据a)、b)、c)、d)、e)步骤工作，从出水口7-2就流出水温96度或94度、水量为150ml的水供泡茶用。

或使用者将带有水温、水量等辅助数据的个人射频卡(图未画)，放在射频卡读写模块13的射频感应区，按动运行键1-5，这时主控板根据a)、b)、c)、d)、e)步骤工作，从出水口7-2就流出射频卡所提供的水温、水量的水供泡茶用，同时操作按钮面板显示屏1-1上还有温度、水量数字显示。

本装置的极速出水温度在室温和98度之间，经加热制作出的水，可用95度的水泡咖啡，65度的水冲奶粉或不加热直接作饮用水使用，但所述直饮水箱11的水应是高质量附合国家标准的直饮水源或桶装水17。

根据本发明，可以得到茶艺要求的冲泡绿茶、龙井茶的70～85度水，冲泡红茶和大红炮的90～98度水。

现仅以η_i变化对新制备方法中采用捕捉公式T＝T_cm-T_R+x的效果进行说明。

用Hy-1管道加热器实验升温曲线见图8，测量时的环境温度是25℃，供电电压V_o交流220V，电网内阻R_s取2Ω，管道加热器的厚膜电阻P₁取20Ω。流量L＝L₀＝6.88ml/s，比热容C＝4.18焦耳，测量的基础水温为15℃，分别输入给定功率P₆＝1512.5w，P₅＝1650w，P₄＝1787.5w，在t₂时刻的升温值为T₆＝45℃，T₅＝48℃，T₄＝55℃。

根据T_ic-T_R＝η_i×P_i/(4.18×L)及上述的P₆，P₅，P₄的值经计算得到实验条件下对应的η₆＝0.856，η₅＝0.837，η₄＝0.885。

当实际工作环境和实验条件不符时(如环境温度不是25℃)，实验条件下的P_i∑产生变化，引起实验条件下得到的η_i偏离。设偏离值达到一定值时，例如Δη_i＝0.03，那么由η_i′＝η_i-Δη_i，得到η₆′＝0.826，η₅′＝0.807，η₄′＝0.855。根据公式2得到，因η_i变化而使相应功率P_i下t₂时刻的升温值为T_i′＝T_i·η_i′/η_i；计算得到：T₆′＝43.5℃，T₅′＝46.3℃，T₄′＝53.1℃。

同理，由η_i″＝η_i+Δη_i计算得到η₆″＝0.886，η₅″＝0.867，η₄″＝0.915，偏离方向为η_i值增加。根据公式2得到，因η_i变化而使相应功率P_i下t₂时刻的升温值为T_i″＝T_i·η_i″/η_i；计算得到T₆″＝46.6℃，T₅″＝49.7℃，T₄″＝56.9℃。

不考虑η_i变化时，目标水温T_cm＝62.5℃，入水口水温T_R＝15℃时，升温值T＝T_cm-T_R＝47.5℃，根据t₂时刻测量数值T₆＝45℃，T₅＝48℃，T₄＝55℃进行捕捉。捕捉后T₆＝45℃＜T＝47.5℃＜T₅＝48℃，对应选取的相邻功率对为P₆和P₅，并通过P₆和P₅的切换，控制T_c到达目标水温T_cm＝62.5℃。

考虑到实际转换效率与依据所示实验计算所得的η_i有偏离时，用来捕捉的升温值T_i数值就要补偿，以η_i′和η_i″为例：

当η_i＝η_i″时，T₆″＝46.6℃＜T＝47.5℃＜T₅″＝49.7℃。

当η_i＝η_i′时，T₆′＝43.5℃＜T₅′＝46.3℃＜T＝47.5℃。

所以当出现η_i变成η_i′时，用上述P₆和P₅功率对加热控制T_cm＝62.5℃，管道加热器在整个加热过程目标升温值和出水口升温值有一个无法消除的控制温差：y＝T_cm-T₅′-T_R＝62.5-46.3-15＝1.2℃，出水口升温值低于出水口目标升温值，无法用P₆和P₅进行控制。

为此，在t₁时刻后对T进行新的捕捉，计算得到新的升温值T+y＝47.5+1.2＝48.7℃，再用T₆，T₅，T₄捕捉T＝48.7℃。捕捉后T₅＝48℃＜T＝48.7℃＜T₄＝55℃，新捕捉到对应相邻加热功率对为P₅和P₄，对应η_i＝η_i′的情况下T₅′＝46.3℃＜T＝47.5℃＜T₄′＝53℃。

所以在T_cm＝62.5℃，T_R＝15℃，在η_i＝η_i′的条件下，考虑修正值y因素后，管道加热器用T＝48.7℃值在P₆，P₅，P₄中捕捉到P₅，P₄功率对，用P₅，P₄相邻功率对之间切换工作使T_cm＝62.5℃在η_i＝η_i′的条件下控温变精准。

测量Hy-1管道加热器的升温特性见图5，TH₁＝87℃，测量时环境温度是25℃，供电电压V_o交流220V，电网内阻R_s取2Ω，管道加热器的厚膜电阻R₁为20Ω，流量L₁＝5.5ml/s，比热容C＝4.18焦耳，基础水温为10℃。

实际使用时设：T_R＝25℃，T_cm＝85℃，x＝0，管道加热器的控温精度C_p为2℃，实际入水口水温为10℃。

执行步骤a)，升温值T＝T_cm-T_R+x＝60℃＜TH₁，确定L₁＝5.5ml/s，可使用一张管道加热器的升温曲线。

步骤b)用图5T轴上的T_i数值捕捉升温值T＝60℃，捕捉后，同时进行步骤e)，经过t₁后，出水端口水温为T_c＝T+T_R＝70℃，随后进行步骤c)t₁时刻后：y＝T_cm-T_c＝15℃＞C_p，同时x由x+y＝15替代，在步骤a)中得到捕捉公式升温值T＝T_cm-T_R+x＝75℃＜TH₁，确定流量L＝L₁＝5.5ml/s，步骤b)用图5T轴上的T_i数值捕捉升温值T＝75℃，捕捉后，同时e)，这时出水端口水温快速到达T_c＝T+T_R＝85℃，达到出水端口目标水温控温T_cm＝85℃控温要求。

由于P_i有最大功率的限制，给定流量L_j(j＝0，1，2，3，...n)决定了管道加热器的最高升温TH_j。由此，管道加热器的升温曲线增加不同流量下的测定值，分别取管道加热器水流量L_j(j＝0，1，2，3，..n)，在设定水流量L_j时，

测量并绘出管道加热器在不同加热功率P_i时的时间与温度之间关系的升温曲线，其中纵坐标温度T为管道加热器出水端口水温T_c与管道加热器入水端口水温T_R间的升温值，横坐标为加热时间t，各个不同的P_i加热功率下升温曲线的快速升温段构成S区，慢速升温段构成K区，并且确定管道加热器最大功率、加热时间t₂、流量L_j时的最高升温值TH_j，组成不同流量下的系列升温曲线。

例如：再增加一张管道加热器的升温曲线图：L₀＝6.88ml/s，P₀＝2200w，入水口水温T_R＝15℃，测得Hy-1管道加热器在不同的P_i加热功率时的时间与温度之间关系的升温曲线图8，最高出水口升温TH₀＝68℃。

当使用环境改变，最高升温温度变为68度以下时，既可如前述的图5进行控制，也可用图8按上述方法进行控制，因此可以用2个不同流量下的管道加热器升温曲线选择其中之一进行控制。

用1张以上管道加热器加热升温曲线进行控制，扩大了出水温度和出水流量之间的选择范围，使装置能尽可能适应使用者的需要，如高温小流量、低温高流量的供水。

Claims

1.优质热水的快速制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤 a ）根据 T =T cm - TR + x 公式计算出升温变量 T ， T R、x 为先预设的常数，并在管道加热器系列升温曲线中寻找满足 T ≤ TH j 的相应流量 L j；步骤 b ）以设定流量L j 的水进入管道加热器, 再由水流量L j 对应的管道加热器的加热升温曲线对捕捉升温变量 T ，找到相应的处于慢速升温非线性加热区 K 区内的任一时间点所对应的管道加热器的相邻加热功率对，并用选定的相邻加热功率对的其中之一的加热功率进行加热；步骤 c) 测量步骤 b) 中管道加热器出水端口处水温 T c ；当 t ≥ t 1 时，t 1为快速升温段末端时间，计算出水端口处目标水温 T cm 和出水端口处水温之间的偏差值 y= T cm - T c ，同时将 y 和已设定的目标水温最大允许偏差值 C p 进行比较，当偏差值 |y| ＞ C p 时，将偏差值 y 再加原始补偿值x 得到新的补偿值x，再进行步骤a ）、步骤 b ）；当偏差值 |y| < C p 时，继续进行步骤 b ）；其中管道加热器的加热升温曲线：分别取管道加热器水流量 L j （ j=0，1,2,3,..n ），在设定水流量 L j 时，测量并绘出管道加热器在不同加热功率 P i 时的时间与温度之间关系的升温曲线，其中纵坐标温度T 为管道加热器出水端口水温 T c 与管道加热器入水端口水温 T R 间的升温值，横坐标为加热时间t ，各个不同的 P i 加热功率下升温曲线的快速升温段构成S 区，慢速升温段构成K 区，并且确定管道加热器最大功率、加热时间为t2、流量L j时的最高升温值 TH j，组成不同流量下的系列升温曲线，其中t2为单次出水总量 / 设定流量。

2.根据权利要求 1所述的优质热水的快速制备方法，其特征在于：在步骤b) 中增加步骤 d ）：先测量管道加热器内水的温度 T sh ，并根据目标水温 T cm 与 T sh 间的差值和管道加热器内水的容积计算在设定加热功率下的加热时间，并按该加热时间减去一定量得到实际加热时间，然后按实际加热时间以设定加热功率对管道加热器内的水进行加热，这样保证管道加热器内的水温度接近快速升温段末端 t 1 时刻对应的温度。

3.根据权利要求 1所述的优质热水的快速制备方法，其特征在于：步骤 c)中补偿量 x的开始时刻 t 1 ′ = t 1 （ T cm -T sh ）/（ T cm -T R ）。

4.根据权利要求 1所述的优质热水的快速制备方法，其特征在于：增加步骤e）、在步骤b) 的加热过程中，若管道加热器出水端口的水温高于目标水温，则选择步骤b）中选定的相邻加热功率对中较低的加热功率进行加热，若管道加热器出水口的水温低于目标水温，则选择选定的相邻加热功率对中较高的加热功率进行加热，使管道加热器出水口水温一直在目标水温附近。

5.优质热水的快速制备装置，其特征在于：其包括进水器、出水器、控制器、出水温度传感器、管道加热器、计量泵，所述的管道加热器的入水口通过计量泵与进水器连接，管道加热器的出水口与安装有出水温度传感器的出水器连接；控制器的信号输入端与所述的出水温度传感器连接，控制器的电功率输出端分别与所述的计量泵、管道加热器的加热体连接，并根据设定条件控制计量泵的启动和管道加热器的加热，控制器根据权利要求1至4中的任一优质热水的快速制备方法中的步骤进行控制。

6.根据权利要求 5所述的优质热水的快速制备装置，其特征在于：管道加热器内还增加水的温度传感器，温度传感器与控制器的信号输入端相连，控制器根据上述优质热水的快速制备方法中的步骤进行控制。

7.根据权利要求 5或6所述的优质热水的快速制备装置，其特征在于：进水器内增加进水温度传感器，进水温度传感器与控制器的信号输入端相连。