CN113834050B

CN113834050B - 一种振动抑垢自动排污小家电用蒸汽发生器

Info

Publication number: CN113834050B
Application number: CN202111215733.3A
Authority: CN
Inventors: 齐建荟; 万嘉成; 张井志; 陈润东; 张贺华; 廖鸿浩; 姜万里; 齐梓君
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2021-10-19
Filing date: 2021-10-19
Publication date: 2022-11-15
Anticipated expiration: 2041-10-19
Also published as: CN113834050A

Abstract

本发明涉及一种振动抑垢自动排污小家电用蒸汽发生器，包括发生器壳体，发生器壳体内设有加热棒组件，加热棒组件位于发生器壳体内部的一端设有振动模块；发生器壳体顶部设有蒸汽出口，底部设有排水管，侧部设有温差发电模块，入水口通过管道经温差发电模块连接至发生器壳体的内部；加热棒组件包括加热棒本体和位于加热棒本体末端的加热棒延伸段，振动模块连接在加热棒延伸段上，加热棒延伸段远离加热棒本体的一端设有散热槽，加热棒延伸段通过辅助固定弹簧底座连接在发生器壳体内壁上。利用振动模块产生振动能量，降低并缓解蒸汽发生器使用过程中的结垢现象，同时在蒸汽发生器箱体外壁利用温差发电片，回收利用一部分发生器外壁的耗散热。

Description

一种振动抑垢自动排污小家电用蒸汽发生器

技术领域

本发明涉及蒸汽发生器领域，具体为一种振动抑垢自动排污小家电用蒸汽发生器。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

蒸烤箱、消毒柜和洗碗机等小家电的蒸汽发生器通过加热棒加热换热器产生蒸汽，随着使用，换热器表面会产生结垢，结垢后的换热器传热效率下降，工程上现已有涂敷特殊材料涂层或是使用弹性换热管束等抑垢方案，但防垢涂层能否安全应用于食品级蒸汽发生装置仍有待商榷。此外，工程中的小尺寸弹性管束的成本较高，不适用于小家电使用。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种振动抑垢自动排污小家电用蒸汽发生器，在加热棒末端设置振动模块，利用振动模块中的振动电机产生振动能量，降低并缓解蒸汽发生器使用过程中的结垢现象，同时在蒸汽发生器箱体外壁利用温差发电片，回收利用一部分发生器外壁的耗散热。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种振动抑垢自动排污小家电用蒸汽发生器，包括发生器壳体，发生器壳体内设有加热棒组件，加热棒组件位于发生器壳体内部的一端设有振动模块；发生器壳体顶部设有蒸汽出口，底部设有排水管，侧部设有温差发电模块，入水口通过管道经温差发电模块连接至发生器壳体的内部；

加热棒组件包括加热棒本体和位于加热棒本体末端的加热棒延伸段，振动模块连接在加热棒延伸段上，加热棒延伸段远离加热棒本体的一端设有散热槽，加热棒延伸段通过辅助固定弹簧底座连接在发生器壳体内壁上。

振动模块包括设置在加热棒延伸段上的振动电机，振动电机通过防水壳连接在加热棒延伸段上，振动电机外侧与防水壳内侧形成的空间中填充隔热材料。

加热棒延伸段设有第一卡扣，防水壳底部设有第二卡扣，第一卡扣与第二卡扣连接实现振动模块连接在加热棒延伸段上。

温差发电模块包括冷排，冷排设在发生器壳体外壁，入水口通过管道与冷排的冷水入口连接，冷排的预热水入口与排水管连接，冷水经入水口注入冷排预热后再进入发生器壳体内部，利用与排水管连接的预热水入口，使一部分发生器外壁的耗散热用于加热冷水，起到节能效果。

温差发电模块还包括设置在发生器壳体外壁的至少一组温差发电片，温差发电片热端与发生器壳体外壁连接，冷端与冷水经入水口的管道连接，温差发电片与振动电机连接，利用发电片冷热端的温差实现发电，从而节能降耗。

排水管设在发生器壳体底部，排水管末端设有电磁阀，首端通过总溶解固体模块连接在发生器壳体底部，总溶解固体模块对发生器壳体内部的水体中的总溶解固体含量进行监测，总溶解固体模块的监测值超过设定值时，电磁阀动作实现高浓度水自动排出。

加热棒本体一端位于发生器壳体外部，另一端位于发生器壳体内部且与加热棒延伸段连接；加热棒延伸段连接振动电机，防水壳包裹振动电机，利用防水壳自身的第二卡扣将振动电机和加热棒延伸段固定在热棒本体上。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、利用振动电机发出的振动抑制加热棒组件工作过程中产生的结垢现象，实现振动防垢及优化传热。

2、温差发电模块的引入，一方面利用蒸汽发生器外壁耗散的热量预热冷水，另一方面采用体积较小的温差发电片实现余热回收，用于振动电机和各传感器的供电。

3、避免工程上使用的阻垢涂层，以物理振动的方式抑制结垢，适用于小型家电使用。

4、辅助固定弹簧底座和外水壳内填充的隔热材料能够应对振动电机对结构强度的影响，从而规避使用成本较高的小尺寸弹性管束，满足小型家电的制造需求。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明一个或多个实施例提供的蒸汽发生器整体结构示意图；

图2是本发明一个或多个实施例提供的安装振动模块的加热棒结构示意图；

图3是本发明一个或多个实施例提供的加热棒延伸段结构示意图；

图4是本发明一个或多个实施例提供的振动电机防水壳结构结构示意图；

图5是本发明一个或多个实施例提供的温差发电模块结构示意图；

图中：1、排水口，2、电磁阀，3、蒸汽出口，4、发生器壳体，5、温差发电模块，6、冷排，7、加热棒组件，8、TDS模块，9、入水口，10、辅助固定弹簧底座，11、防水壳，12、加热棒本体，13、加热棒延伸段，14、圆形顶头，15、散热槽，16、第一卡扣，17、第二卡扣，18、冷水入口，19、预热水入口。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术中所描述的，小家电中的蒸汽发生装置，加热时产生的蒸汽使得水中一部分离子的浓度升高，进而引发结垢。对于类似工程设备的结构问题，国内外的许多学者做了相关的研究。俞天兰等发现汽轮发电机换热器设备表面0.25mm水垢就会导致传热系数下降30%；姜波等通过实验与模拟相结合，探究了管型对换热性能的影响；徐志明等对污垢开展了大量的实验研究，其研究主要集中在溶液入口浓度及温度、换热管结构形式（横纹管、波纹管）以及换热管表面能对污垢沉积和剥蚀速率的影响。J Visser等发现了污垢的表面特性对其形成过程有决定性影响；D Hasson等通过研究表明渐近污垢热阻与表面温度、流体流速的关系；W T Kim通过实验研究了表面脉动频率与最大流速对某些污垢清除效果的影响；Robert等实验研究表明换热系数随着振动频率和振幅的增加而增加，与振动方向无关。

因此，以下实施例给出了一种振动抑垢自动排污小家电用蒸汽发生器，在加热棒末端设置振动模块，利用振动模块中的振动电机产生振动能量，降低并缓解蒸汽发生器使用过程中的结垢现象，同时在蒸汽发生器箱体外壁利用温差发电片，回收利用一部分发生器外壁的耗散热。

TDS：总溶解固体，表明1升水中溶有多少毫克溶解性固体。

实施例一：

如图1-5所示，本实施例的目的是提供一种振动抑垢自动排污小家电用蒸汽发生器，包括发生器壳体4，发生器壳体4内设有加热棒组件7，加热棒组件7位于发生器壳体4内部的一端设有振动模块；发生器壳体4顶部设有蒸汽出口3，底部设有排水管，侧部设有温差发电模块5，入水口9通过管道经温差发电模块5连接至发生器壳体4的内部；

加热棒组件7包括加热棒本体12和位于加热棒本体12末端的加热棒延伸段13，振动模块连接在加热棒延伸段13上，加热棒延伸段13远离加热棒本体12的一端设有散热槽15，加热棒延伸段13通过辅助固定弹簧底座10连接在发生器壳体4内壁上。

振动模块包括设置在加热棒延伸段13上的振动电机，振动电机通过防水壳11连接在加热棒延伸段13上，振动电机外侧与防水壳11内侧形成的空间中填充隔热材料。

加热棒延伸段13设有第一卡扣16，防水壳11底部设有第二卡扣17，第一卡扣16与第二卡扣17连接实现振动模块连接在加热棒延伸段13上。

温差发电模块5包括冷排6，冷排6设在发生器壳体4外壁，入水口9通过管道与冷排6的冷水入口18连接，冷排6的预热水入口18与排水管连接，冷水经入水口9注入冷排6预热后再进入发生器壳体4内部，利用与排水管连接的预热水入口18，使一部分发生器外壁的耗散热用于加热冷水，起到节能效果。

温差发电模块5还包括设置在发生器壳体4外壁的至少一组温差发电片，温差发电片热端与发生器壳体4外壁连接，冷端与冷水经入水口9的管道连接，温差发电片与振动电机连接，利用发电片冷热端的温差实现发电，从而节能降耗。

排水管设在发生器壳体4底部，排水管末端设有电磁阀2，首端通过TDS模块8连接在发生器壳体4底部，TDS模块8中的TDS传感器，对发生器壳体4内部的水体中，总溶解固体含量进行监测，当TDS≥600 ppm后，电磁阀2动作，使高浓度盐水的自动排出。

本实施例中，加热棒组件7包含加热棒本体12和加热棒延伸段13两部分，其中，加热棒本体12一端露在发生器壳体4外部，另一端位于发生器壳体4内部，且与加热棒延伸段13连接；加热棒延伸段13连接振动电机，防水壳11包裹振动电机，利用防水壳11自身的第二卡扣17将振动电机和加热棒延伸段13固定在热棒本体12上，此结构下，加热棒延伸段13远离热棒本体12的一端具有圆形顶头14，圆形顶头14抵接在辅助固定弹簧底座10上，配合防水壳11内填充的隔热材料，为振动电机稳定工作提供固定点。

上述结构的蒸汽发生器，利用振动电机发出的振动抑制加热棒组件工作过程中产生的结垢现象，实现振动防垢及优化传热。

温差发电模块的引入，一方面利用蒸汽发生器外壁耗散的热量预热冷水，另一方面采用体积较小的温差发电片实现余热回收，用于振动电机和各传感器的供电。

避免工程上使用的阻垢涂层，以物理振动的方式抑制结垢，适用于小型家电使用。

辅助固定弹簧底座和外水壳内填充的隔热材料能够应对振动电机对结构强度的影响，从而规避使用成本较高的小尺寸弹性管束，满足小型家电的制造需求。

（1）主体结构

本实施例中的蒸汽发生器主要由振动发生、加热、温差发电、水质维护四模块组成，各组件相对位置如图1、2所示。

（2）加热棒延伸段模块

在加热棒距离前端约100mm处安装不锈钢延伸部分，使用卡扣将其与加热棒绑定。该延伸部分本体厚度2mm，有切削散热槽，并铺覆有厚度3mm导热系数低至0.018 W/(m·K)的二氧化硅气凝胶隔热材料，为振动电机稳定工作提供固定点，如图3所示。

（3）振动电机防水壳

本实施例通过3D打印制作了一款防水壳，密封性好，可耐高温，以保证电机在水中正常运行。并通过与振动电机和隔热材料的紧密配合，将振动传递至加热棒，实现振动防垢及优化传热等功能，如图4所示。

（4）温差发电模块

温差发电片热端安装于蒸汽发生器箱体外壁，冷端安装冷排并通入进给冷水，冷水在冷排预热后再进入蒸汽发生器气化，可以利用一部分发生器外壁的耗散热，起到节能效果，如图5所示。

蒸汽发生器箱体外壁可放置面积1827 mm2，最多可放置32个20mm×20mm温差发电片。发电片冷热端温差可达100 °C以上，串联多个即可满足振动电机、传感器等原件能耗要求。

（5）水质维护模块

在蒸汽发生器底部预留的横向管路中安装TDS传感器，对水体中总溶解固体含量进行监测，TDS≥600 ppm后，自动控制电磁阀开闭，使高浓度盐水的自动排出，并及时补充新水，实现水质维护。

上述结构的蒸汽发生器利用振动模块带动加热棒组件产生振动，抑制水垢的产生，具体如下：

（1）抑垢效果

研究表明，Ca²⁺、Mg²⁺、

等离子的物理化学变化是结垢的主要原因，为缩短结垢时间，使实验效果更加明显，本实施例使用2kW大功率加热棒并依据文献在CaCl₂质量浓度为1.11g/L，NaCO₃质量浓度1.68 g/L，MgCl₂质量浓度0.58 g/L的盐溶液中进行了抑垢效果测试。

使用游标卡尺对加热棒距离头部6cm，12cm，18cm处的结垢情况进行测量，结果如表1所示。

表1：结垢厚度对比

未安装运行振动装置/mm	安装运行振动装置后/mm
		0.315	0.065
0.260	0.020
		0.275	0.165
0.28（平均值）	0.08（平均值）

加热管原直径20mm，未安装运行振动模块平均结垢厚度0.28mm，安装运行振动装置后垢层平均厚度0.08 mm，垢层平均厚度降低约70.59%，因此产品具备可行性。

（2）节能减排效益

I.直接效益---垢层生长减缓、变薄

根据相关文献，受热面管壁生成1mm厚水垢，可使燃料消耗量增加5%~6%。据此计算，本实施例可使2kW加热系统节电约2kW×(0.28-0.08)×5%=20W，运行1h可节电0.02kWh。以全国城镇家庭3.5亿户、农村家庭2.4亿户，城镇小家电户均保有量10台，农村户均保有量5台，本产品安装使用率20%，日均使用时长1h计算，每年可贡献节能减排效益如表2所示：

表2：节能减排效益结果

电	标准煤*1	NOx*2	SO2*3	CO2*4	烟尘*5
						6.86×109kWh	2.47×106t	17297.1t	39536.2t	6.42×106t	37065.2t

注：*1: 根据国家发改委数据，一千克标准煤可以发3kWh的电，照这样计算，1吨煤约发2777kWh电。

*2: 依据国家计委能源所的能源基础数据汇编，1吨标准煤产生氮氧化物约7kg。

*3: 依据国家计委能源所的能源基础数据汇编，1吨标准煤产生16kg二氧化硫。

*4: 依据国家计委能源所的能源基础数据汇编，1吨标准煤产生2.6吨二氧化碳。

*5: 依据国家计委能源所的能源基础数据汇编，1吨标准煤产生15kg烟尘。

由此可见，减排效果非常显著，这对我国的碳达峰、碳中和目标实现具有积极作用。另外，水垢的导热系数很低（约0.6W/m·K），带来的巨大热阻会造成加热系统表面温度过高，容易产生爆管危险，震动抑垢后，加热管寿命预计延长50%。

II.间接效益---除垢剂需求减少

柠檬酸被广泛应用于小家电除垢，但其生产过程会排放大量废水及其他有毒有害物质，对环境造成不利影响，表3是生产1t柠檬酸产生的部分污染物：

表3：生产1t柠檬酸产生的部分污染物

废水	CO2	CaSO4	废活性炭	菌丝体	废水处理污泥
						14.5m3	0.38t	1.33t	0.014t	0.35t	0.025t

硫酸钙与菌丝体经处理后可被直接利用，废活性炭与废水处理污泥若处理不当将直接危害环境，而CO₂的大量排放不利于实现“碳达峰”“碳中和”目标。原型机除垢需使用350cm3×1.05g/cm3×1/21=17.5g柠檬酸（原型机尺寸20cm×2.5cm×7cm=350cm3，以除垢用溶剂中柠檬酸与水配比为1:20，溶液密度1.05g/cm3计）。按I.中所述市场量计，若用户每3个月清洗一次蒸汽发生器，每年需使用65800t柠檬酸。若采用本设计改进，预计清洗频率可降低70%，每年将降低柠檬酸需求46060t，若将该量产能对应产品线投运到其他环保领域，将减少废水排放667870m3，减少CO₂排放17502.8t。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种振动抑垢自动排污小家电用蒸汽发生器，其特征在于：包括发生器壳体，发生器壳体内设有加热棒组件，加热棒组件位于发生器壳体内部的一端设有振动模块；发生器壳体顶部设有蒸汽出口，底部设有排水管，侧部设有温差发电模块，入水口通过管道经温差发电模块连接至发生器壳体的内部；振动模块包括设置在加热棒延伸段上的振动电机，振动电机通过防水壳连接在加热棒延伸段上；

加热棒组件包括加热棒本体和位于加热棒本体末端的加热棒延伸段，振动模块连接在加热棒延伸段上，加热棒延伸段远离加热棒本体的一端设有散热槽，加热棒延伸段通过辅助固定弹簧底座连接在发生器壳体内壁上，加热棒延伸段远离热棒本体的一端具有圆形顶头，圆形顶头抵接在辅助固定弹簧底座上；加热棒本体一端位于发生器壳体外部，另一端位于发生器壳体内部且与加热棒延伸段连接；辅助固定弹簧底座和防水壳内填充隔热材料；加热棒延伸段设有第一卡扣，防水壳底部设有第二卡扣，第一卡扣与第二卡扣连接实现振动模块连接在加热棒延伸段上。

2.如权利要求1所述的一种振动抑垢自动排污小家电用蒸汽发生器，其特征在于：所述振动电机外侧与防水壳内侧形成的空间中填充隔热材料。

3.如权利要求1所述的一种振动抑垢自动排污小家电用蒸汽发生器，其特征在于：所述温差发电模块包括冷排，冷排设在发生器壳体外壁。

4.如权利要求3所述的一种振动抑垢自动排污小家电用蒸汽发生器，其特征在于：所述入水口通过管道与冷排的冷水入口连接，冷排的预热水入口与排水管连接；冷水经入水口注入冷排预热后进入发生器壳体内部，利用与排水管连接的预热水入口，使部分发生器外壁的耗散热用于加热冷水。

5.如权利要求1所述的一种振动抑垢自动排污小家电用蒸汽发生器，其特征在于：所述温差发电模块还包括设置在发生器壳体外壁的至少一组温差发电片，温差发电片热端与发生器壳体外壁连接，冷端与冷水经入水口的管道连接，温差发电片与振动电机连接，利用发电片冷热端的温差实现发电。

6.如权利要求1所述的一种振动抑垢自动排污小家电用蒸汽发生器，其特征在于：所述排水管设在发生器壳体底部，排水管末端设有电磁阀，排水管首端通过总溶解固体模块连接在发生器壳体底部，总溶解固体模块对发生器壳体内部的水体中的总溶解固体含量进行监测，总溶解固体模块的监测值超过设定值时，电磁阀动作实现高浓度水自动排出。