CN111110045A - 一种开水速冷除垢制取饮用水设备 - Google Patents

Abstract

一种开水速冷除垢制取饮用水设备，主要解决加热和换热过程的结垢问题，包括加热罐、换热室、过滤装置及控制系统，换热室设有换热盘管，所述换热盘管是软管，所述软管由托盘定型为渐开线状盘管，所述渐开线状盘管通过水平设置的托盘分层，所述分层设置的渐开线状盘管的每一层的旋向相同并串联相通，所述换热盘管处在60℃以上的温度区间时采用硅胶管，所述换热盘管处在60℃以下的温度区间时采用不锈钢波纹管，由于60℃以上的温度区间采用硅胶管，通过间歇的进水或停止进水使硅胶管扩张或收缩，利用自来水在硅胶管内截面上各点的流速不同而使硅胶管管壁产生“颤动”的效应，扩张或收缩或“颤动”效应都可使硅胶管失去“稳定的基面”从而达到防止换热管结垢的目的。

Description

一种开水速冷除垢制取饮用水设备

技术领域

本发明涉及饮用水设备，特别涉及一种开水速冷除垢制取饮用水设备。

背景技术

将符合饮用水标准的自来水或井水不经预处理直接烧开，然后冷却、滤除水垢得到进一步净化的饮用水，是百姓传统的制取饮用水的方法，习惯上将这种饮用水称为“凉白开”，“凉白开”在不浪费淡水资源前提下具有如下优点：1. 沸腾水达到的高温可以杀灭原水中的细菌、病毒等生物或微生物；2. 沸腾水达到的高温可使原水中的碳酸氢钙（镁）及胶质等分解成二氧化碳或有机汽体，不溶性残留物及生物或微生物“尸体”共同凝结成“水垢”从水中析出；3. 由于市政自来水大都以液氯消毒处理，难免产生三氯甲烷（沸点50℃）、四氯化碳（沸点76℃），加热至沸腾可使三氯甲烷，四氯化碳等有害物变为汽体从水中逸出；4.保留有一定量的有益矿物质。

要保持以上“凉白开”制取工艺的优点，特别是要“保留有一定量的有益矿物质”，即不能对自来水做去离子的预处理，这在工业化制取时首先面临的是设备结垢问题，特别是自来水硬度较大且水温超过60℃时，无论是加热装置或换热装置与自来水接触的各部件均无法避免结垢，这是由于“晶体”都有在“稳定的基面”上相互吸引而缓慢长大的共性，而自来水中的碳酸氢钙（镁）在受热分解时即形成碳酸钙晶体，当与其接触的材料具有“稳定的基面”时（如不锈钢等硬质材料），碳酸钙晶体在“稳定的基面”上缓慢集结成“水垢”即是必然，为了消除这一必然现象，常采用电磁或永磁铁对自来水做磁化预处理，磁化处理的目的即是消除晶体的相互吸引力使晶体单独成核，从而减少晶体相互集结成“水垢”的机会，而磁化效果受多种因素（如磁场强度、水流速、水温、水硬度等）影响往往不能达到预期效果。

发明内容

本发明提供一种开水速冷除垢制取饮用水设备，它利用具有排气功能的加热罐及换热室的间歇式工作方式，在对自来水不做预处理情况下，达到换热过程不结垢从而达到加热过程少结垢或不结垢的目的。

本发明的目的是这样实现的：一种开水速冷除垢制取饮用水设备，包括加热罐、换热室、过滤装置、控制系统，加热罐设有电热管、进水管、出水管及浮子阀，换热室设有排气管、进水电磁阀、出水泵、换热盘管，其特征在于：所述换热盘管是软管，所述软管由托盘定型为渐开线状盘管，所述渐开线状盘管通过水平设置的托盘分层，所述分层设置的渐开线状盘管的每一层的旋向相同并串联相通，所述渐开线状软管的管间距及所述渐开线状盘管的层间距是所述软管外径的1/3—1/2倍，所述换热盘管处在60℃以上的温度区间时采用硅胶管，所述换热盘管处在60℃以下的温度区间时采用不锈钢波纹管，不锈钢波纹管或硅胶管通过托盘成型时，均在奇数层开始，在偶数层结束。

所述换热盘管的进水口设在所述不锈钢波纹管盘管的底层并密闭地伸出换热室与所述进水电磁阀接通，所述换热盘管出水口设在所述硅胶管盘管的顶层并与所述加热罐的进水管相通。

所述换热盘管的容水量是所述加热罐一次进水量的6—8倍，所述换热室中换热盘管顶层以下的容水量是所述换热盘管容水量的1—1.2倍，所述换热室中换热盘管顶层以上的容水量是所述加热罐一次进水量的2—3倍。

所述过滤装置包括设在换热室气室中的水垢滤网还包括单独设置的超滤膜滤芯及活性炭滤芯。

所述控制系统包括加热罐水位磁控浮球开关、换热室水位磁控浮球开关、延时模块A、延时模块B及继电器模块，所述加热罐磁控浮球开关接通时，所述延时模块A控制所述进水电磁阀延时开启及所述继电器模块延时断电至所述电热管延时断电，所述加热罐磁控浮球开关断开时，所述延时模块A控制所述进水电磁阀关闭及所述继电器模块通电至所述电热管通电，所述进水电磁阀延时开启或所述电热管延时断电的时间，是所述加热罐磁控浮球开关接通至所述加热罐气室上浮子阀下落后排气孔打开的时间。

所述换热室磁控浮球开关接通时，所述延时模块B控制所述出水泵延时开启，所述换热室磁控浮球开关断开时，所述延时模块B控制所述出水泵关闭，所述出水泵延时开启的时间是所述换热室磁控浮球开关接通至所述进水电磁阀关闭或所述电热管通电的时间。

本发明的有益效果是：

1.采用间歇的进水方式，并在换热盘管处在60℃以上的温度区间时采用硅胶管，通过进水或停止进水使硅胶管扩张或收缩，利用自来水在硅胶管内截面上各点的流速不同而使硅胶管管壁产生“颤动”的效应，扩张或收缩或“颤动”效应都可使硅胶管失去“稳定的基面”从而达到防止换热管结垢的目的。

2.通过换热室及换热盘管容水量的合理设置，换热管中60℃以上自来水可保持停留8分钟以上，使“水垢”完全或大部分在硅胶管中形成而消除或减轻加热罐的“结垢”负担。

3.通过换热室及换热盘管容水量的合理设置还可达到了以下目的：a相对延长有害气体的排放时间而使“凉白开”更纯净；b相对延长冷热水的接触时间可回收更多热能。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明加热罐结构示意图。

图3是本发明换热盘管分解示意图。

图4是本发明换热盘管示意图。

图5是本发明硅胶管与加热罐进水管连接的示意图。

图6是本发明硅胶管与不锈钢波纹管连接的示意图。

图7是本发明控制原理图。

图1—图7中，1磁控浮球开关B，2水垢滤网，3换热室密封圈，4换热室盖，5换热室排气管，6加热罐密封圈，7加热罐排气孔，8浮子阀，9加热罐盖，10电热管，11磁控浮球开关A，12加热罐气室，13加热罐进水管，14加热罐体，15加热罐水位，16出水管，17密封圈，18换热室气室，19水垢滤网支架，20换热盘管出水口，21换热室水位，22保温层，23水垢滤网边框，24不锈钢波纹管，25硅胶管，26进水电磁阀，27换热盘管进水口，28换热室壳体，29出水泵，30超滤膜滤芯，31活性炭滤芯，32隔离柱，33托盘，34延时模块A，35延时模块B，36继电器模块，37手动开关B，38手动开关A，39旁通阀，40排污阀，41托盘开口通道，42托盘定位孔销，43中心孔，44压板，45中心轴，46喉箍。

具体实施方式

下面参照附图对本发明优选的实施例进行清楚、完整的描述，为了说明书的清楚、简洁，将省略通用件如浮子阀（压力锅通用）、磁控浮球开关（干簧管式）及微电脑延时模块等的功能及结构细节的描述。

实施例

参照图1—图7，为使自来水中的“水垢”在换热盘管中完全或大部分析出，换热盘管的容水量是加热罐一次进水量的6—8倍，将不锈钢波纹管（24）设在60℃以下的温度区间，将硅胶管（25）设在60℃以上的温度区间，换热室盖（4）通过换热室密封圈（3）与换热室壳体（28）密封构成换热室，换热盘管进水口（27）由设在底层的不锈钢波纹管（24）伸出换热室壳体（28）与进水电磁阀（26）接通，换热盘管出水口（20）由设在换热盘管顶层的硅胶管（25）引出并与加热罐进水管（13）接通，换热室水位（21）由磁控浮球开关B （1）控制，换热室水位（21）与换热室盖（4）之间形成换热室气室（18），换热室盖（4）上设有换热室排气管（5），换热室壳体（28）底部还设有出水泵（29），出水泵（29）进水口与换热室相通，出水泵（29）出水口与超滤膜滤芯（30）的进水口接通，超滤膜滤芯（30）的出水口与活性炭滤芯（31）接通；加热罐盖（9）通过加热罐密封圈（6）并通过螺钉与加热罐体（14）构成加热罐，加热罐水位（15）由磁控浮球开关A（11）控制；加热罐水位（15）与加热罐盖（9）之间形成加热罐气室（12），加热罐盖（9）上设有加热罐排气孔（7）及与之相匹配的浮子阀（8），还设有电热管（10），加热罐的出水管（16）一端距加热罐底部3—5（mm）是出水管的进水口，另一端通过密封圈（17）伸出加热罐并与换热室气室（18）相通是出水管的出水口。

换热盘管的容水量是加热罐一次进水量的6—8倍，换热室中换热盘管顶层以下的容水量是换热盘管容水量的1—1.2倍，换热室中换热盘管顶层以上的容水量是加热罐一次进水量的2—3倍；加热罐气室（12）的容积占加热罐容积的1/3—1/2；换热室气室（18）的容积占换热室容积的1/3—1/2。

其中，优选的，为方便出水管（16）排水及减少出水管（16）和加热罐的热量损失，加热罐体（14）与换热室盖（4）制成一体，为减少换热室的热量损失在换热室壳体（28）上增设保温层（22）。

其中，换热室中的水垢滤网（2）依靠水垢滤网边框（23）放置在水垢滤网支架（19）上且在出水管（16）出水口的下方，水垢滤网是孔径400（目）的尼龙滤网（柔软不易结垢），为使水垢滤网（2）能够承载加热罐一次出水量的2—4倍的重量，水垢滤网（2）的底部平铺在换热盘管顶层的压板（44）上，水垢滤网支架（19）距压板（44）的距离不小于15cm。

其中，由于电热管（10）在加热罐排水过程中保持通电以保持加热罐不断产生蒸汽，因此，出水管（（16）的沸腾水流速是由慢到快递增的，当加热罐沸腾水将近完全排出时，出水管（16）内的水流速达最大值，此时，加热罐蒸汽压力达最大值，为避免加热罐压力过大，出水管（16）的内径应使沸腾水在管内的最大流速不超过2m/s，

出水管（16）“拱形”部分高出加热罐水位（15）的距离在2cm以上即可使加热罐正常工作。

其中，参考图3、图4，硅胶管（25）或不锈钢波纹管（24）由构造相同的托盘（33）定型，托盘（33）上设有中心孔（43）、隔离柱（32）、托盘定位孔销（42）及托盘开口通道（41），托盘（33）可通过中心孔（43）以中心轴（24）为轴自由转动，托盘（33）的层间距通过托盘定位孔销（42）的相互配合保持与硅胶管（25）或不锈钢波纹管（24）的外径相同，托盘（33）的厚度可使换热盘管的层间距保持在硅胶管（25）或不锈钢波纹管（24）外径的1/2倍，隔离柱（32）在托盘（33）上构成一个渐开线状轨迹，渐开线状轨迹的起点在中心孔（43）的边缘，渐开线状轨迹的终点在托盘（33）的边缘，隔离柱（32）可使换热盘管的管间距保持在硅胶管（25）或不锈钢波纹管（24）外径的1/2倍，托盘开口通道（41）自托盘（33）的边缘至托盘（33）上中心孔（43）的边缘，托盘开口通道（41）的开口宽度大于硅胶管（25）或不锈钢波纹管（24）的外径。

利用软管制作换热盘管的方法包括以下步骤：

A 取整盘的软管放置在一个具有垂直中心轴的转盘上使软管可随着转盘的转动逐步展开；

B 将中心轴（45）垂直固定在一个平台上，将第一层托盘（33）穿入中心轴（45）并保持隔离柱（32）向上；

C 将软管预留出安装长度固定在托盘（33）上渐开线终点处，转动托盘（33）使软管沿隔离柱（32）形成的渐开线轨迹绕制达渐开线起点处，完成换热盘管的第一层；

D 将第二层托盘（33）穿入中心轴（45）并保持隔离柱（32）向上，将第一层托盘（33）渐开线起点处的软管通过托盘开口通道（41）放置在第二层托盘（33）渐开线起点处；

E 通过第一层及第二层托盘（33）的托盘定位孔销（42）使第二层托盘（33）与第一层托盘（33）固定；

F与第一层托盘（33）旋向相同转动第二层托盘（33）使软管绕过中心轴（45）并沿隔离柱（32）形成的渐开线轨迹绕制达渐开线终点处，完成换热盘管的第二层；

G 将第三层（奇数层）托盘（33）穿入中心轴（45）并保持隔离柱（32）向上，将软管直接引入第三层托盘（33）的渐开线终点处绕制达渐开线起点处完成换热盘管的第三层；

H 第四层（偶数层）与第二层的方法相同，第五层（奇数层）与第三层的方法相同，以此类推，换热盘管的顶层为偶数层，换热盘管顶层的渐开线状软管通过至少三个压板（44）固定。

以上换热盘管成型的过程中，首先使不锈钢波纹管（24）成型，再将硅胶管（25）套在不锈钢波纹管（24）上并以喉箍（46）固定，再使硅胶管（25）成型，不锈钢波纹管（24）或硅胶管（25）通过托盘（33）成型时均在奇数层开始，在偶数层结束。

其中，为避免硅胶管（25）在绕制过程中产生“死折”或扭曲，硅胶管（25）应自然放入渐开线状轨迹中，硅胶管（25）渐开线状轨迹起点处的最小半径不小于硅胶管（25）直径的3倍，综合考虑换热盘管的换热效果及防垢效果，硅胶管（25）的壁厚宜在0.5mm至1mm之间，硅胶管（25）的内径宜在10mm至25mm之间。

其中，参考图5，为避免硅胶管（25）与加热罐进水管（13）连接时产生“稳定的基面”而结垢，硅胶管（25）应穿过加热罐进水管（13）并以翻遍的形式与加热罐进水管（13）的端部密封固定，加热罐进水管（13）的内径应大出硅胶管（25）的外径1mm—2mm。

设备工作过程：

为清楚的描述工作过程及效果，以换热盘管的容水量是加热罐一次进水量的6倍为例，并设加热罐一次进水量2L，出水管内径10mm，硅胶管（25）的壁厚0.5mm，硅胶管（25）的内径15mm，硅胶管（25）长度40米，不锈钢波纹管（24）为4分波纹管长度28米（外径16mm），换热盘管容水量12L（换热盘管总长68米），换热盘管顶层以下的容水量12L，换热盘管顶层以上的容水量4L，电热管功率1000w，水源压力0.1—0.4Mpa，自来水温度20℃，自来水硬度以碳酸钙计400mg/L，自来水进入加热罐流速6升/分。（以下的数据为实验数据）

首次使用，通水通电，加热罐中无水，浮子阀（8）为下落状态，加热罐排气孔（7）及浮子阀（8）的排气孔处在排气状态，磁控浮球开关A（11）为接通状态，至延时模块A（34）电源接通，至进水电磁阀（26）延时开启，延时模块A（34）延时期间，继电器模块（36）电源为接通状态，至电热管（10）为通电状态，进水电磁阀（26）开启时延时模块A（34）断开继电器模块（36）电源至电热管（10）断电，当加热罐中水位达到加热罐水位（15）时，磁控浮球开关A（11）断开，至延时模块A（34）电源断开，至进水电磁阀（26）关闭，同时，继电器模块（36）电源接通至电热管（10）通电工作；当加热罐气室（12）的蒸汽通过加热罐排气孔（7）及浮子阀（8）的排气孔的汽速达1.5m/s时，浮子阀（8）浮起并关闭排气孔（使浮子阀浮起关闭的汽速可通过排气孔的大小及浮子阀的重量适量调节），加热罐排气孔（7）及浮子阀（8）的排气孔关闭后加热罐气室（12）成相对密闭状态，当加热罐气室（12）的蒸汽压力足以克服出水管（16）的静液压时，加热罐中的沸腾水自出水管（16）排出并经水垢滤网（2）进入换热室中；当加热罐中水位低于磁控浮球开关A（11）时，磁控浮球开关A（11）接通至延时模块A（34）通电进入延时状态，由于加热罐排水期间电热管（10）保持通电以保持加热罐气室（12）不断产生蒸汽，直至加热罐中沸腾水完全排净并使加热罐气室（12）中的蒸汽自出水管（16）排出，由于加热罐气室（12）中的蒸汽排出至加热罐失去蒸汽压力，至浮子阀（8）因重力下落，至排气孔（7）及浮子阀（8）的排气孔打开，当排气孔（7）及浮子阀（8）的排气孔打开时延时模块A（34）延时结束，至进水电磁阀（26）开启，至电热管（10）断电，以此循环；加热罐排水8次后换热室容水量达到换热室水位（21），加热罐第9次排水时换热室磁控浮球开关B（1）接通，为了进一步延长高温水的排气时间及达到最佳换热效果，换热室磁控浮球开关B（1）接通后通过延时模块B（35）延时至进水电磁阀（26）关闭后再使出水泵（29）开启，出水泵（29）开启后通过超滤膜滤芯（30）及活性炭滤芯（31）的过滤得成品“凉白开”；出水泵（29）排水量等于加热罐一次排水量时换热室水位恢复至换热室水位（21），磁控浮球开关B（1）断开至延时模块B（35）断电至出水泵（29）关闭，以此循环。

其中，因首次开机无换热，加热罐进水温度20℃，加热12分钟至沸腾，期间冷热水交换使加热罐进水温度不断提高，第8次加热罐进水温度可达90℃，第12次达到热平衡95℃，加热罐前12次排入换热室中的水经长时间换热后温度≤21℃，热平衡后≤22℃，热平衡后加热罐每2分钟排水一次。

其中，热平衡前80℃以上沸腾后的水排气时间大于15分钟，热平衡后冷热水换热时间12分钟，80℃以上沸腾后的水排气时间大于10分钟，60℃以上自来水在换热盘管中的停留时间大于8分钟，水垢析出率大于98%。

其中，由于加热罐是间歇的工作方式，加热罐的每次进水过程都是对换热管的“除垢”过程，由于“水垢”不能在换热管内壁集结成垢层而只能单独形成0.2微米的“晶核”或相互集结成小于2毫米的水垢颗粒，水垢颗粒随水流进入加热罐中并随沸腾水排入水垢滤网（2）中，水垢滤网（2）中无水垢时，对水垢颗粒的滤除率90%，水垢滤网（2）中水垢平铺2cm以上时形成“砂滤”效应，水垢滤除率可达96%以上，经超滤膜滤芯（0.01微米精度）及活性炭滤芯过滤后水垢滤除率可达99%以上。

其中，长时间运行后，水垢滤网（2）中积存水垢过多时需停机清理，清理时打开换热室盖（4）取出水垢滤网（2），清理时保留平铺2cm以上的水垢量。

其中，加热罐及换热室需要维护时可如下操作：a. 打开换热室盖（4），在换热室中投入适量食品级柠檬酸或氨基酸，盖好换热室盖（4）；b. 打开旁通阀（39），将出水泵（29）出水口与旁通阀（39）接通并接通手动开关（37）令水系成“闭路循环”（电热管通电），至加热罐水温升至80℃时断开手动开关（37）（电热管断电），关闭旁通阀（39）；c. 打开排污阀（40），接通手动开关（38）至进水电磁阀（26）开启进水冲洗至完成维护，关闭手动开关（38），关闭排污阀（40）；d. 打开换热室盖（4），将清理后的水垢滤网（2）放回原位，盖好换热室盖（4）至设备恢复自动控制状态。

Claims (7)

1.一种开水速冷除垢制取饮用水设备，包括加热罐、换热室、控制系统，加热罐设有进水管、出水管及浮子阀，换热室设有进水电磁阀、出水泵、换热盘管，其特征在于：所述换热盘管是软管，所述软管由托盘定型为渐开线状盘管，所述渐开线状盘管通过水平设置的托盘分层，所述分层设置的渐开线状盘管的每一层的旋向相同并串联相通。

2.根据权利要求1所述的一种开水速冷除垢制取饮用水设备，其特征在于：所述渐开线状软管的管间距及所述渐开线状盘管的层间距是所述软管外径的1/3—1/2倍。

3.根据权利要求1所述的一种开水速冷除垢制取饮用水设备，其特征在于：所述换热盘管处在60℃以上的温度区间时采用硅胶管，所述换热盘管处在60℃以下的温度区间时采用不锈钢波纹管。

4.根据权利要求1或3所述的一种开水速冷除垢制取饮用水设备，其特征在于：所述不锈钢波纹管或硅胶管通过所述托盘成型时，均在奇数层开始，在偶数层结束。

5.根据权利要求1所述的一种开水速冷除垢制取饮用水设备，其特征在于：所述换热盘管的进水口设在所述不锈钢波纹管盘管的底层并密闭地伸出换热室与所述进水电磁阀接通，所述换热盘管出水口设在所述硅胶管盘管的顶层并与所述加热罐的进水管相通。

6.根据权利要求1所述的一种开水速冷除垢制取饮用水设备，其特征在于：所述换热盘管的容水量是所述加热罐一次进水量的6至8倍，所述换热室中换热盘管顶层以下的容水量是所述换热盘管容水量的1—1.2倍，所述换热室中换热盘管顶层以上的容水量是所述加热罐一次进水量的2—3倍。

7.利用软管制作换热盘管的方法包括以下步骤：

A 取整盘的软管放置在一个具有垂直中心轴的转盘上使软管可随着转盘的转动逐步展开；

B 将中心轴（45）垂直固定在一个平台上，将第一层托盘（33）穿入中心轴（45）并保持隔离柱（32）向上；

C 将软管预留出安装长度固定在托盘（33）上渐开线终点处，转动托盘（33）使软管沿隔离柱（32）形成的渐开线轨迹绕制达渐开线起点处，完成换热盘管的第一层；

D 将第二层托盘（33）穿入中心轴（45）并保持隔离柱（32）向上，将第一层托盘（33）渐开线起点处的软管通过托盘开口通道（41）放置在第二层托盘（33）渐开线起点处；

E 通过第一层及第二层托盘（33）的托盘定位孔销（42）使第二层托盘（33）与第一层托盘（33）固定；

F与第一层托盘（33）旋向相同转动第二层托盘（33）使软管绕过中心轴（45）并沿隔离柱（32）形成的渐开线轨迹绕制达渐开线终点处，完成换热盘管的第二层；

G 将第三层（奇数层）托盘（33）穿入中心轴（45）并保持隔离柱（32）向上，将软管直接引入第三层托盘（33）的渐开线终点处绕制达渐开线起点处完成换热盘管的第三层；

H 第四层（偶数层）与第二层的方法相同，第五层（奇数层）与第三层的方法相同，以此类推，换热盘管的顶层为偶数层，换热盘管顶层的渐开线状软管通过至少三个压板（44）固定。

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