CN107144005A - 再生倍增即热式电热水器及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种再生倍增即热式的电热水器及实现方法，电热水器包括热泵系统、热水管和集水池，热泵系统包括压缩机、冷凝装置、膨胀装置和蒸发装置，冷凝装置与压缩机连接，膨胀装置与冷凝装置连接，蒸发装置与膨胀装置连接，压缩机与蒸发装置连接，热水管设置在冷凝装置外侧，热水管一端为进水口，热水管另一端为出水口，进水口、热水管和出水口形成热水管路，热水管对应于冷凝装置设置，集水池对应于蒸发装置设置，集水池上设有集水口和排水口。本发明为即热式电热水器，没有储水箱，无须改造电路，自然电隔离，无触电中毒隐患，能效比大于3，高效安全、节能环保省钱。

Description

再生倍增即热式电热水器及实现方法

技术领域

本发明涉及一种热水器，尤其是一种再生倍增即热式的电热水器及实现方法，属于家用电器技术领域。

背景技术

众而周知，热水器是最常用的家居设备之一，按照不同的方式分类，种类繁多，各有优缺点。如果按照能量来源可大致分为燃气热水器、电热水器和太阳能热水器等；若按供热水的方式可大致分为储水式和即热式两大类。从用户角度而言，分为储水式和即热式两大类最为直观，储水式有储水箱，整体体积大，即热式没储水箱，整体体积小；储水式要预先烧水才有热水用，即热式要用热水时才烧。此外，储水式体积大，占地方，需要保温、防垢，一般安装比较困难；而即热式则需要瞬时功率很大的能源。不论哪种都给大家生活带来了便利，然而相对而言，即热式使用更加方便一些。

燃气热水器属即热式热水器，为避免燃气和排气中毒，对安装有严格要求，较不方便；太阳能热水器则属储水式热水器，但是其必须安装在有太阳照射之处，阴雨天还不能用，较不方便；电热水器则储水式和即热式两种都有，储水式配备几十升以上的大储水箱，壁挂安装时则必须是安装在承重墙上，对安装有严格要求，较不方便；即热式电热水器通常是几千瓦的大功率，远远超出目前家居用电线路（10A/16A电流）的承受能力，必须更改专门线路才能使用，也不方便。另外，电热水器还存在电隔离的安全问题以及昂贵的电费（节能）问题。

对于稍微特殊点的“空气能热水器”，是利用热泵原理，以一份电功率可获取三份以上的热能，有节能（省电费）的优点，并且是采用自然电隔离的。因为空气能热水器是电驱动，且具有储水箱，因此可以把其归为储水式电热水器，它同样对安装有严格要求，较不方便。

目前，各种样式的热水器均并存着，为大家生活提供便利，并将继续给大家做贡献。可以说，暂时还没有哪一种热水器具备压倒性的优势把其它的比下去。总之，目前的热水器必须经过严格要求的安装才能正常使用，均存在安装不方便的问题。另外，中毒、触电安全问题和节能（保温）等要求，仍然是其无法回避的要求。

能否可以兼顾以上全部问题，不需要严格要求的安装，即插即用，不会中毒，不会触电，无须保温防垢，而且节能环保的热水器正是本行业的努力目标。

发明内容

针对上述提到的现有技术中的热水器安装复杂的问题，本发明提供一种再生倍增即热式电热水器及实现方法，其利用热泵原理，结合废热再生倍增实现，为没有储水箱的即热式电热水器，无须改造电路，自然电隔离，无触电、中毒等隐患，是能效比大于3的高效安全节能环保电热水器。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种再生倍增即热式电热水器，电热水器包括热泵系统、热水管和集水池，热泵系统包括压缩机、冷凝装置、膨胀装置和蒸发装置，冷凝装置与压缩机连接，膨胀装置与冷凝装置连接，蒸发装置与膨胀装置连接，压缩机与蒸发装置连接，热水管设置在冷凝装置外侧，热水管一端为进水口，热水管另一端为出水口，进水口、热水管和出水口形成热水管路，热水管对应于冷凝装置设置，集水池对应于蒸发装置设置，集水池上设有集水口和排水口。

一种再生倍增即热式电热水器的实现方法，该方法为压缩机对制冷剂进行压缩，制冷剂排至冷凝装置放热，对热水管内的水进行加热，使热水管内的水加热后向外提供热水，制冷剂经过膨胀装置后变成低压制冷剂，低压制冷剂吸取蒸发管周围的集水池废弃热水的热量进行再生，然后被压缩机继续吸入，形成循环。

本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：

所述的热水管路上连接有水流开关。

所述的水流开关设置在进水口处，或设置在出水口处，或设置在热水管内，或者设置在进水口与热水管之间，或设置在热水管与出水口之间。

所述的冷凝装置采用冷凝管，热水管套装在冷凝管外侧。

所述的膨胀装置采用毛细管。

所述的蒸发装置采用螺旋弯曲成盘状的蒸发管，蒸发管设置在集水池中。

所述的集水口采用多孔式结构，均匀或非均匀分布在集水池上方。

所述的排水口开设在集水池的底部。

所述的排水口处设有能够浮动的盖子。

本发明的有益效果是：本发明为即热式电热水器，没有储水箱，无须改造电路，自然电隔离，无触电中毒隐患，能效比大于3，高效安全、节能环保省钱。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明热水器组成方框示意图。

图2为本发明热水器应用示意图。

图3为本发明热水器的热水管套冷凝管剖面结构示意图。

图4为本发明热水器的集水池浸泡蒸发管俯视结构示意图。

图中，1-进水口，2-热水管，3-冷凝管，4-水流开关，5-出水口，6-电源，7-压缩机，8-集水口，9-集水池，10-蒸发管，11-排水口，12-毛细管。

具体实施方式

本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。

请参看附图1至附图4，本发明主要包括热泵系统、热水管2和集水池9，热泵系统为本发明的核心的自循环系统，热泵系统包括压缩机7、冷凝装置、膨胀装置和蒸发装置，冷凝装置与压缩机7连接，膨胀装置与冷凝装置连接，蒸发装置与膨胀装置连接，压缩机7与蒸发装置连接，从而形成一个闭环的热循环通道，热水管2设置在冷凝装置外侧，用于进行热交换，热水管2一端为进水口1，热水管2另一端为出水口5，进水口1、热水管2和出水口5形成热水管路，本实施例中，热水管路上连接有水流开关4，水流开关4可设置在进水口1处，也可设置在出水口5处，也可设置在热水管2上，或者连接进水口1与热水管2之间，或热水管2与出水口5之间。本实施例中，冷凝装置采用冷凝管3，热水管2为套装在冷凝管3外侧管道，热水管2内径大于冷凝管3外径，热水管2直接套装在冷凝管3外侧，从而在热水管2和冷凝管3之间形成一个水流通道，热水管2与冷凝管3平行设置，具体实施时，冷凝管3也可以采用冷凝器等其他形式的装置替代，热水管2此作相应的改变，需满足热水管2能与冷凝装置进行热交换。冷凝管3的外部套装一根与其平行而内径大于其外径的热水管2，二者都较长，实际要盘曲成螺旋管状以缩小占用空间，热水管2两头分别变化成标准接口的进水口1和出水口5，水流开关4可单独设置或与出水口5融为一体。制冷剂在冷凝管3内部流动，并与其内壁交换热量，自来水在热水管2内部和冷凝管3外壁之间流动，并与冷凝管3外壁交换热量，这仅是其中一种最简形式，具体实施时，也可采用其它形式，比如热水管和冷凝管双管并排焊接等，或目前成熟的水热交换装置均可借用。本实施例中，膨胀装置采用毛细管12，具体实施时，也可以采用膨胀阀或其他膨胀装置替代。蒸发装置设置在集水池9中，本实施例中，蒸发装置采用螺旋弯曲成盘状的蒸发管10，蒸发管10浸泡在集水池9中，具体实施时，蒸发装置也可以采用蒸发器或其他蒸发装置替代。本实施例中，集水池9上设有集水口8和排水口11，本实施例中，集水口8设置在集水池9的上盖上，集水口8为多孔式结构，均匀或非均匀分布在集水池9上盖上，具体实施时，也可以采用条形结构或其它异型孔集水结构，需满足水能进入到集水池9内即可，排水口11开设在集水池9的底部，排水口11处设有可浮动的盖子（细节未画出），当集水池9水满时，则打开浮动盖子快速排水，平时非严密的盖上，可在不使用时缓慢渗水避免集水池9产生积水，而正常使用时能积蓄废弃热水。同样的，这也是只是其中一种优选形式，具体实施时，也可用其它形式，比如与下水管结合在一起的结构。本实施例中，集水池9采用扁平盒装结构，扁平盒子状的集水池9结实牢固，上面可以站人，其中集水池9内有盘状的蒸发管10，集水池9和安装其上的主体外壳之间是牢固连接，但可脱扣并小范围对折，以方便包装运输。主体外壳中装有压缩机7、螺旋状的热水管2、冷凝管3、毛细管12和电源等，其需要严密防水，其上部固定有自来水的进水口1和出水口5，以及可拆卸的花洒支撑杆等（不在本发明范围内）。打开水龙头，自来水进入热水管2，触动水流开关4控制压缩机7工作，热泵的热端变热把热水管2中的水加热，热水从花洒流出，用户站在扁平盒子状的集水池9上花洒之下沐浴，废弃热水洒落汇聚到集水池9把冷端加热后再排出。

本实施例中，将冷凝装置一端定义为热泵系统的热端，此端向外释放热量；将蒸发装置一端定义为热泵系统的冷端，此端吸收外部热量。从热泵系统的热端和冷端交换热量的外循环系统则用自来水冷，相对轻小和简单得多。

本发明的工作原理如下：当用户需要热水沐浴，打开水龙头有水流时，水流开关4合上，电源回路导通，控制电源6输出，驱动压缩机7工作，自循环系统中的制冷剂被压缩机7压缩，体积变小、压强变高、温度升高后排至冷凝管3放热，冷凝管3吸收并带走制冷剂放出的热量，高压制冷剂经过毛细管12这样的节流机构后喷入蒸发管10，此时，制冷剂体积变大、压强变低、温度降低，吸取蒸发管10周围的热量，然后低压的制冷剂被压缩机7继续吸入，形成自循环“热泵”。在热端，自来水从进水口1进入热水管2中，与热水管2套围住的冷凝管3的外壁接触，进行热交换，吸收并带走冷凝管3的热量，从而变成热水，从出水口5流出，经花洒进行沐浴。沐浴后的废弃热水洒落到冷端的集水池9的上盖上，汇聚并通过多孔的集水口8进入集水池9内，与浸泡在集水池9中的盘状蒸发管10外壁接触，进行热交换，被蒸发管10吸收热量变成冷水，当积蓄满集水池9时，排水口11处的漂浮盖打开，废弃冷水从排水口11流出。

本发明的热水器应用目前技术成熟而类似普通空调的“热泵”原理，实现高效率的热量搬移，即可用一份电能搬运3份以上热能。并且扬长避短，抛弃不用普通空调庞大而复杂的风冷散热外循环系统，而使用导热系数是空气20倍多的小巧水冷外循环系统；同时汇聚废弃热水进行热量再生，实现了再生倍增即热式电热水器。

既然是热泵，主要涉及传热过程，先看看传热量的计算公式为：

Q=KoFΔtm (W)

Q—单位传热量，单位：W

Ko—传热系数，单位：W/（m²·℃）

F—传热面积，单位：m²

Δtm—对数平均温差，单位：℃

可见，传热量跟传热系数、传热面积和温差有关系。

对于热泵而言，可分为两部分，即铜管内制冷剂自循环和铜管外散热介质外循环。因为铜本身的导热很好，所以对内、外循环之间的传热影响可完全忽略，可看成是内、外循环之间热透明的物理隔离，各部分能否及时把热量带走，是衡量热泵整体效果的最关键环节。内循环主要影响换热的是制冷剂性质和制冷剂质量流速。一般地，流速越快换热越快，但流速增大阻力也增大，增加功耗。因此需综合考虑，一般而言，光管内侧（平均）换热系数的范围主要集中在2000-8000 W/（m2.C）之间。管内污垢热阻，因纯封闭影响小于5%，一般忽略不计。

下面结合热水器对本发明进行说明。

人体正常的体温37℃，沐浴热水温度的舒适性因人而异，涉及到主观感受，夏天和冬天也有所差别。不过，一般而言人体舒适的沐浴热水温度是40度附近。对于热水器，从单用户使用满意的角度看，即热式一般要求流量要大于6升/min。对即热式电热水器，实用可接受的在6kw以上。但目前家庭用电中，普通插座最常见的是额定电流10A的，少部分是额定电流16A的。所以，6kw的即热式电热水器必须经过专业安装、改造用电线路，才可以正常使用。这对绝大多数的用户来说改造线路是不现实的，除非重新装修房子。

不过，本发明的热水器应用“热泵”原理和再生倍增高效率搬移热量，用一份电能搬运3份以上热能。按照家庭用电最常见额定电流10A的普通插座，额定电能220V*10A=2200W，可制热2200W*3=6600W以上。可见，本发明热水器只要插在普通插座上即可实现现有6kw以上即热式电热水器的效果，无须改造线路。

本发明的热水器的管内自循环可以参照3匹空调( 相当额定电能2200W) ，室温条件下，热端按照前述的计算取数值，制冷剂R22，蒸发温度5℃/冷凝温度50℃，管内换热系数1694W/（m2.C）。管外循环是热水管套冷凝管的盘曲螺旋管中的自来水（室温25℃），很明显，水的导热系数比空气大20倍多，与管内制冷剂在相当量级，故不使用翅片也能及时交换带走热量，也意味着热水管的体积要比普通空调的冷凝器散热片小很多，且无风扇。此外，自来水很干净，所以管外的污垢热阻与管内污垢热阻相当，一般忽略不计，且无须考虑灰尘污染、杂物堵塞等因素。同等条件粗略计算可得，（进口水温度25℃，出口水温度41.5℃，对数平均温差，15.3℃），对比原风冷散热的，（进口空气温度35℃，出口空气温度43℃，对数平均温差，10.5℃）。温差更大，传热更容易，对于冷端的计算过程完全类似。所不同的是，使用后的废弃热水被集水池收集和积蓄，理想情况下，热量没有损失，则集水池的水温度也为25℃，浸泡其中的蒸发管从25℃水中吸热再生。换句话说，本发明的热水器是热量再生循环的，相当于从25℃恒温水抽吸热量给热水管的热泵，其能效比将远大于3。实际上，沐浴过程中，热水的热量因为水汽带走、人体吸收、向周围空气散热而损耗。而且，废弃热水只能收集多半部分，部分飞溅出集水池外而损耗热量。此外，废弃热水不同于干净的自来水，其污垢热阻也会影响热量吸收，所幸不是很脏，尤其沐浴的末尾废弃热水跟干净的自来水差不多，多少能清洗掉，不至于影响很严重，不过偶尔的维护还是有所必要的。有利的是，在这个热量再生循环的过程中，电能转变的热量是持续累积的，可部分抵消前述热量的损耗；另外，假设集水池长70cm宽70cm高5cm，则约可积蓄24升废弃热水，这个积蓄可稳定集水池的水温度，避免下降，造成热泵热端和冷端间的温差加大而能效比下降。

普通空调测试能效比的条件：制冷额定工况，是室内干球27℃， 室内湿球19℃；室外干球35℃，室外湿球24℃的工况下，所测得的制冷量除以制冷功率，所得数值就是能效比；制热额定工况，是室内干球20℃，室内湿球15℃；室外干球7℃，室外湿球6℃的工况。

可见，普通空调因为是风冷散热，故跟空气中的水汽有很大关系，对制冷，水汽凝结流走，会损失其制冷效率；对制热，水汽结霜增加热阻无法吸热，也会损失其制热效率。可见空气中水汽（即湿度）会造成普通空调能效比下降。对于本发明中的热水器，外循环介质是水，完全不存在这样的问题，则同样设计和测试条件下，本发明热水器的能效比将优于普通空调能效比，相当于完全无水汽的普通空调能效比。

其实，影响热泵能效比最直接的是热端和冷端的外界温度差，直观的比喻是抽水上高楼比到平地要难得多。对制冷，室内27℃，室外35℃，温差8℃；对制热，室内20℃，室外7℃，温差13℃，二者差异的主要因素是制热时额外多了一份电能。正常条件下，目前实用很普通空调能效比都可大于3。按照普通空调设计，把外循环复杂庞大的风冷散热器去掉，仅简单换成热水管和集水池，就构成了一个最简单的本发明的热水器，按照理想热量回收再生过程中，其热端和冷端的水温度差将为0甚至是负的，能效比远大于3；即便损失很差情况（非极端情况），其热端和冷端的水温度差也难于超过8℃和13℃，可见，能效比还是大于3。

因为本发明中的热水器应用目前技术成熟而类似普通空调的“热泵”原理，实现高效率的热量搬移，即可用一份电能搬运3份以上热能，环保节能，节省几倍电费。只要插在普通插座上即可实现现有6kw以上即热式电热水器的效果，无须改造电路线路。没有储水箱（无保温要求和结垢问题），无需专门安装，接上水管，插上插头即可使用。与电接触的仅是带动压缩机的电动机，自然电隔离。不使用燃气无中毒问题。总之，本发明中的热水器是，不需要严格要求的安装，即插即用，不会中毒，不会触电，无须保温防垢，而且节能环保省钱的热水器。

本发明中的热水器可应用目前成熟技术，而且是可在工厂内实现的全封闭一体化机，用户即插即用，无需特殊安装，若对恒温有要求的，可以采用变频技术进行控制，对热水管套冷凝管的也可以更换成其它方式，比如双管并排等。此外，因为是全封闭一体化机，可以使用环保的制冷剂二氧化碳CO₂（CO₂冷媒单位容积制冷量大，3～5倍于R22），可进一步减小体积。

在南方，绝大多数人使用沐浴方式洗澡，本发明热水器很适用于沐浴用热水，或者类似的热水即用即排（利于热量回收再生）的方式，比如洗手盆，将集水池作为下水管的一部分，不过热水回收会更好些。在北方，必须要不结冰条件下才可以使用（室内无问题）。因此使用本发明热水器在普通插座获取8kw即热式电热水器的效果不难，也很实用。此外，为了适应不同用户的浴室环境，尽可能的增加回收再生热量，集水池的上盖可做成基底部分和拼接部分（比如70*70是基底，可拼接成80*80、90*90等）。为了避免低水压地方使用时，频繁启停造成的可能损害，本发明中可使用带回差的水流开关，如专利号为ZL201420528891.3，发明名称为《一种有回差的水流微动开关》的中国在先专利，可避免此问题。

Claims (10)

1.一种再生倍增即热式电热水器，其特征是：所述的电热水器包括热泵系统、热水管和集水池，热泵系统包括压缩机、冷凝装置、膨胀装置和蒸发装置，冷凝装置与压缩机连接，膨胀装置与冷凝装置连接，蒸发装置与膨胀装置连接，压缩机与蒸发装置连接，热水管设置在冷凝装置外侧，热水管一端为进水口，热水管另一端为出水口，进水口、热水管和出水口形成热水管路，热水管对应于冷凝装置设置，集水池对应于蒸发装置设置，集水池上设有集水口和排水口。

2.根据权利要求1所述的再生倍增即热式电热水器，其特征是：所述的热水管路上连接有水流开关。

3.根据权利要求2所述的再生倍增即热式电热水器，其特征是：所述的水流开关设置在进水口处，或设置在出水口处，或设置在热水管内，或者设置在进水口与热水管之间，或设置在热水管与出水口之间。

4.根据权利要求1所述的再生倍增即热式电热水器，其特征是：所述的冷凝装置采用冷凝管，热水管套装在冷凝管外侧。

5.根据权利要求1所述的再生倍增即热式电热水器，其特征是：所述的膨胀装置采用毛细管。

6.根据权利要求1所述的再生倍增即热式电热水器，其特征是：所述的蒸发装置采用螺旋弯曲成盘状的蒸发管，蒸发管设置在集水池中。

7.根据权利要求1所述的再生倍增即热式电热水器，其特征是：所述的集水口采用多孔式结构，均匀或非均匀分布在集水池上方。

8.根据权利要求1所述的再生倍增即热式电热水器，其特征是：所述的排水口开设在集水池的底部。

9.根据权利要求1所述的再生倍增即热式电热水器，其特征是：所述的排水口处设有能够浮动的盖子。

10.一种再生倍增即热式电热水器的实现方法，其特征是：所述的实现方法为压缩机对制冷剂进行压缩，制冷剂排至冷凝装置放热，对热水管内的水进行加热，使热水管内的水加热后向外提供热水，制冷剂经过膨胀装置后变成低压制冷剂，低压制冷剂吸取蒸发管周围的集水池废弃热水的热量进行再生，然后被压缩机继续吸入，形成循环。