CN114963502B - 一种温开水工作系统及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种温开水工作系统，包括水箱、第一水泵、加热体以及换热器，第一水泵分别与水箱的出口、换热器的冷水进水口相连接，换热器的冷水出水口与加热体的进水口相连接；加热体的出水口与换热器的热水进水口相连接；换热器的热水出水口形成供水口；还包括第二水泵、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器，第二水泵分别与水箱的出口、加热体的进水口相连接，第一温度传感器设置在水箱的出口，第二温度传感器设置在加热体的出水口，所述第三温度传感器设置在换热器的热水出水口。本发明还涉及该温开水工作系统的工作方法。在使用初期温开水升温速度快，还能提高输出温开水的温度调节范围。

Description

一种温开水工作系统及工作方法
技术领域
本发明涉及一种温开水工作系统，本发明还涉及一种该温开水工作系统的工作方法。
背景技术
温开水是一种日常生活中饮用水，通常的做法是将水烧开后储存在杯子中，等待冷却到一定温度后再喝。或者冷却到了常温后，再以热水混合后成温水再喝。目前市面也出现了速热的温开水，即通过速热式的加热体对水进行快速的加热，然后通过换热器对水再进行冷却，这样就可以快速得到温开水。
如申请公布号为CN111998528A(申请号为202010916308.6)的中国发明专利申请《即热式开水器及其控制方法和可读存储介质》，其中公开的即热式开水器，水箱的水通过直流泵抽到换热器的冷水进入口，经过换热器后由冷水出水口出水，然后进入第一加热体，水由加热体加热烧开后再由加热体出水口出水。当需要温水时，控制第二开关打开，水经过换热器热水进水口进入，通过换热器后由换热器热水出水口出水，此处即为换热后的温开水，由第一温度传感器检测温开水的水温，进而输出需要的温开水。该即热式开水器中温开水的换热流程是由冷水进水口进入换热器后，水通过换热后升温，然后由冷水出水口出水，经加热体加热后的水由热水进水口进入，通过换热器换热后水温降低，由热水出水口流出。实际加热过程中，①由于换热的存在，因热量会被换热器导热到了冷水端，导致初始时温开水的温度上升比较慢；②由于温开水必须是在加热体烧开后才能进行换热降温，所以换热器输出端的温度其实是固定的，从而导致换热器输出端的温开水温度调节范围有限，并且由于换热器本身的效率无法调节，所以，唯一能调节的是直流泵抽水的流量，但冷水流量大，必然导致热水流量也大，整个换热时是一个闭环的水路，受换热器固定效率影响，温开水出水水温变化不大。需要调节输出的温开水的温度时，还需要依靠第二加热体的工作，结构相对复杂，成本也相对较高且对输出温开水的温度调节方向单一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种在使用初期温开水升温速度快、提高输出温开水的温度调节范围的温开水工作系统。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术提供一种在使用初期温开水升温速度快，进而以最快速度输出设定温度温开水的工作方法。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种温开水工作系统，包括水箱、第一水泵、加热体以及换热器，所述第一水泵分别与水箱的出口、换热器的冷水进水口相连接，所述换热器的冷水出水口与加热体的进水口相连接；所述加热体的出水口与换热器的热水进水口相连接；所述换热器的热水出水口形成供水口；
其特征在于：还包括第二水泵、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器，所述第二水泵分别与水箱的出口、加热体的进水口相连接，所述第一温度传感器设置在水箱的出口，所述第二温度传感器设置在加热体的出水口，所述第三温度传感器设置在换热器的热水出水口。
优选地，所述加热体的进水口设置有第四温度传感器。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种前述的温开水工作系统的工作方法，其特征在于：包括初始阶段：控制打开第二水泵并控制第一水泵处于关断状态，控制加热体以设定功率进行加热工作，直至第三温度传感器检测的供水口输出的温开水温度达到设定温度值Td。
为了能够在启用换热器是保持水流基本不变，同时能够输出设定温度值的温开水，还包括处于初始阶段后的第一阶段：控制关断第二水泵，并控制按照初始阶段中第二水泵的流量打开第一水泵，根据设定温度值Td控制减小加热体的加热功率，直至第三温度传感器检测的供水口输出的温开水温度小于设定温度值Td。
为了方便实现控制，同时能够提升出水流量，还包括处于第一阶段后的第二阶段：控制加热体按照第一阶段结束时的加热功率继续工作，控制第一水泵的流量不变，同时控制开启第二水泵；然后根据第三温度传感器检测的供水口输出的温开水温度，基于PID算法控制第二水泵的流量，直至供水口的出水温度稳定在设定温度值Td。
为了充分利用加热体的加热功率，同时保证输出温开水的流量能够达到最大，还包括处于第二阶段后的第三阶段：判断当前加热体的剩余功率是否超过设定比例值，如果是，则控制将加热体的功率调整为最大功率值，同时，控制逐渐增加第一水泵的流量至经验流量值，然后根据第三温度传感器检测的供水口输出的温开水温度，基于PID算法控制第二水泵的流量，直至供水口的出水温度稳定在设定温度值Td。
为了保证在初始阶段输出的温开水流量尽量大，在初始阶段，控制加热体按照设定的最大功率进行工作，并根据初始温度差ΔT0控制第二水泵的流量P；P＝CMΔT0，其中C为水的比热容，M为水的质量，ΔT0＝Tr－T01，Tr为加热体出水口的出水温度，T01为水箱出口的水温。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中的温开水工作系统，以及其工作方法，通过第二水泵的作用，①解决了该温开水工作系统初期使用时的快速升温，减少了因残留水而导致刚开始出水时温度低的影响；②提高对输出温开水温度的控制精度；③通过调整第一水泵、第二水泵的流量来实现换热器换热效率的调节，进而可以大幅提高输出温开水温度的调节范围。
本发明中的温开水工作系统采用了双水泵结构，每个泵可以根据需要直接进行流量调节，对出水流量的调节范围大，并且调节灵敏度高、调节速度快。采用了即热加热体以及双水泵的结构，无需进行保温、等待出水的情况，即热即冷。同时由于即热的加热方式，只要水箱不断水，出水可以一直延续，即无限量供水。
附图说明
图1为本发明实施例中温开水工作系统的结构图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本实施例中的温开水工作系统，包括水箱1、第一水泵2、加热体3、换热器4、第二水泵5、第一温度传感器6、第二温度传感器7、第三温度传感器8，第一水泵2分别与水箱1的出口、换热器4的冷水进水口相连接，换热器4的冷水出水口与加热体3的进水口相连接；加热体3的出水口与换热器4的热水进水口相连接；换热器4的热水出水口形成供水口。第二水泵5分别与水箱1的出口、加热体3的进水口相连接，第一温度传感器6设置在水箱1的出口，第二温度传感器7设置在加热体3的出水口，第三温度传感器8设置在换热器4的热水出水口。加热体3的进水口设置有第四温度传感器9，该第四温度传感器9能够检测加热体3进水端的温度情况，进而方向实现对加热体3功率的控制。
本实施例中的加热体3采用即热式的加热产品。
本实施例中的第一水泵2和第二水泵5均采用直流泵，对出水流量的调节范围大，并且调节灵敏度高、调节速度快。直流泵可以调节到ml/min级别或0.1％。另外直流泵流量调整速度快，直流泵的调节速度基本是ms级别的。因此对于流量控制方面，调节迅速，并且直流泵成本低，控制简单。
当第一水泵2工作时，能够将水箱1中的水输送至换热器4的冷水流道内，再流出至加热体3内，经过加热体3的加热后输送至换热器4的热水流道内，进而最终自供水口输出。而第二水泵5工作时，能够将水箱1中的水直接输送至加热体3中，经过加热体3的加热后输送至换热器4的热水流道内，进而最终自供水口输出。即第一水泵2自水箱1内抽出的水通过换热器4，提供了换热器4冷水通道的水流，全部参与流换热，即第一水泵2的换热效率高。而第二水泵5自水箱1内抽出的水由于没有经过换热器4的冷水通道，只经过换热器4的热水通道，只有被换热器4吸热，因此换热效率几乎没有。这样调节第一水泵2和第二水泵5的流量可以调节换热器4的效率，从而可以调节温开水供水口的出水温度，进而使得供水口出水问题的调节范围加大，针对用户不同的温开水温度设置需求均能很好的满足。
前述的温开水工作系统的工作方法，依次包括初始阶段、第一阶段、第二阶段、第三阶段。
初始阶段：控制打开第二水泵5并控制第一水泵2处于关断状态，控制加热体3以设定功率进行加热工作，直至第三温度传感器8检测的供水口输出的温开水温度达到设定温度值Td。
为了保证在初始阶段输出的温开水流量尽量大，同时也尽量出水温度的提升速率，在初始阶段，控制加热体3按照设定的最大功率进行工作，使得热损失比例最小，并根据初始温度差ΔT0控制第二水泵5的流量P；P＝CMΔT0，其中C为水的比热容，M为水的质量，ΔT0＝Tr－T01，Tr为加热体3出水口的出水温度，T01为水箱1出口的水温。
初始阶段中，由于进加热体3的水为水箱1的常温水，温度相对比较低，加热体3最大功率是固定值，而且是即热式的即时加热，因此加热的出水流量受进水温度的影响，此时进加热体3的水的流量为温开水工作系统全工作阶段中的最小值，也是温开水出水流量最小的阶段。
初始阶段中，由于第一水泵2没有启动，因此换热器4没有启动工作，换热器4内冷水通道仅仅会在初始时吸一部分热而不会进行持续换热，纯粹是加热体3加热到高温后直接出水，因此换热器4整体会随加热体3输出的热水流，使得输出温度会逐渐上升，由于不会持续换热，此时换热器4热水出水口输出的为温开水的升温速度会非常快，达到温开水出水温度快速上升而达到设定温度值的效果。即初始阶段由加热体3加热后直接出水，温开水出水流量最小，升温速度最快。
如不改变初始阶段中的水路工作，即不开换热器4的情况下续出水时，出水温度会持续升高，直至接近开水的设定温度，因此要及时开启换热器4功能，避免出水温度超温。基于此，温开水工作系统进入第一阶段。
第一阶段：控制关断第二水泵5，并控制按照初始阶段中第二水泵5的流量打开第一水泵2，根据设定温度值Td控制减小加热体3的加热功率，直至第三温度传感器8检测的供水口输出的温开水温度小于设定温度值Td。
第一阶段即在同样流量的情况下，由第二水泵5切换到第一水泵2工作，快速启动换热器4功能。由于直流泵可以单独直接控制，并且切换速度非常快，调节灵活度高，因此可以快速切换和控制，基本不需要提前量之类的计算和预判，而且控制速度快，同样也可以保证温度的控制精度高。该第一阶段中对出水流量几乎没有什么影响，因此用户不太能感知流量变化，用户体验比较好。
第一阶段中，由于换热器4参与工作，而且加热体3的出水水温通常设定是个固定值，加热体3的进水温度可以基于第四温度传感器9实时检测反馈。由第二水泵5切换到第一水泵2工作后，进入加热体3的水也由水箱1水换成了换热器4冷水通道内流出的水。因此加热体3的进水温度也会随着换热快速升温。同时由于同样流量下加热体3的进水温度上升，而加热体3出水水温不变，导致会控制加热体3功率下降调整，使得加热体3的功率有剩余。而温开水出水水温也会基于换热作用，温度会出现一定程度的下降。基于此则为第二阶段中重新启动第二水泵5做准备。
第二阶段：控制加热体3按照第一阶段结束时的加热功率继续工作，控制第一水泵2的流量不变，同时控制开启第二水泵5；然后根据第三温度传感器8检测的供水口输出的温开水温度，基于PID算法控制第二水泵5的流量，直至供水口的出水温度稳定在设定温度值Td。第二阶段能够提升出水流量。
第二阶段中，由于第一水泵2流量不变，第二水泵5启动后，抽出的水同样流入加热体3进行加热，因此相当于加热体3出的热水变多了，而第一水泵2换热的常温水流量没变，即相当于换热器4中热水流道流量变大了，而冷水流道的流量没有变化，冷热水道的水量不一致，相当于换热器4的换热效率改变了。基于供水口温度的反馈，控制第二水泵5流量调整的叠加，就可以快速而又精确的达到出水温度控制。双水泵工作模式下通过第一水泵2保持不变，第二水泵5的流量与出水温度形成闭环反馈，这样可以把多参数的组合控制，变成了单一温度与流量参数的关系反馈控制，大大简化了温度的控制算法，也同样提高了控制的稳定性和精度。
第二阶段采用了双水泵即热方案，无需提前进行温度、流量的标定或曲线测试，可以直接进行流量-温度关系的控制得到精确的出水温度。在温度稳定后，通过双水泵的出水量以及各温度传感器的温度检测数据初步计算换热器4的效率。其中NTC4为混合后进入加热体3的水温，NTC1为水箱1输出的水温，通过NTC1和NTC4以及第一水泵2F1、第二水泵5F2的流量可以快速计算出换热器4冷水出口的水温TL。F2*NTC1+F1*(TL)＝(F1+F2)*NTC4，根据该公式可以计算出冷水出口的水温TL。再通过(NTC2-NTC3)*(F1+F2)＝F1*(TL–NTC1)*η，其中NTC2为加热体3出水口处的水温，NTC3为供水口输出的水温，可以得到换热器4的效率η，通过η与预设值进行比较，可以判断换热器4是否效率有问题。
第三阶段：判断当前加热体3的剩余功率是否超过设定比例值，该设定比例值可以根据需要具体设置，如可以设置为10％。如果是，则控制将加热体3的功率调整为最大功率值，该调整策略可以进行设置，如可以按照固定的百分比进行调节。同时，控制逐渐增加第一水泵2的流量至经验流量值，即，则根据当前两个水泵的流量进行计算，按比例分别计算两个泵的提高流量，按设定的流量调节百分比逐步提高第一水泵2的流量，第一水泵2的流量与供水口第三温度传感器8检测的温度值形成负反馈，然后根据第三温度传感器8检测的供水口输出的温开水温度，基于PID算法控制提升第二水泵5的流量，直至供水口的出水温度稳定在设定温度值Td。这样就可以达到满足温开水要求下的最大流量。该第三阶段可以充分利用加热体3的加热功率，同时保证输出温开水的流量能够达到最大。
第三阶段中，在温度稳定且功率接近最大时，记录此时几个温度传感器的温度值和两个水泵流量值，可以为下次第三阶段的出水控制提供两个水泵的流量参考值。对不同的设定温度值Td进行记录，最后可以形成不同设定温度值Td对应的两个水泵的流量参数，形成控制参数表，可以更加快速的达到最大功率、最大流量和稳定的温度控制。
本发明中的温开水工作系统，以及其工作方法，通过第二水泵5的作用，①解决了该温开水工作系统初期使用时的快速升温，减少了因残留水而导致刚开始出水时温度低的影响；②提高对输出温开水温度的控制精度；③通过调整第一水泵2、第二水泵5的流量来实现换热器4换热效率的调节，进而可以大幅提高输出温开水温度的调节范围。

Claims (5)

1.一种温开水工作系统，包括水箱(1)、第一水泵(2)、加热体(3)以及换热器(4)，所述第一水泵(2)分别与水箱(1)的出口、换热器(4)的冷水进水口相连接，所述换热器(4)的冷水出水口与加热体(3)的进水口相连接；所述加热体(3)的出水口与换热器(4)的热水进水口相连接；所述换热器(4)的热水出水口形成供水口；
其特征在于：还包括第二水泵(5)、第一温度传感器(6)、第二温度传感器(7)、第三温度传感器(8)，所述第二水泵(5)分别与水箱(1)的出口、加热体(3)的进水口相连接，所述第一温度传感器(6)设置在水箱(1)的出口，所述第二温度传感器(7)设置在加热体(3)的出水口，所述第三温度传感器(8)设置在换热器(4)的热水出水口；
所述加热体(3)的进水口设置有第四温度传感器(9)；
所述温开水工作系统的工作方法包括初始阶段、处于初始阶段后的第一阶段；
初始阶段：控制打开第二水泵(5)并控制第一水泵(2)处于关断状态，控制加热体(3)以设定功率进行加热工作，直至第三温度传感器(8)检测的供水口输出的温开水温度达到设定温度值Td；
第一阶段：控制关断第二水泵(5)，并控制按照初始阶段中第二水泵(5)的流量打开第一水泵(2)，根据设定温度值Td控制减小加热体(3)的加热功率，直至第三温度传感器(8)检测的供水口输出的温开水温度小于设定温度值Td。
2.一种如权利要求1所述的温开水工作系统的工作方法，其特征在于：包括初始阶段：控制打开第二水泵(5)并控制第一水泵(2)处于关断状态，控制加热体(3)以设定功率进行加热工作，直至第三温度传感器(8)检测的供水口输出的温开水温度达到设定温度值Td；
还包括处于初始阶段后的第一阶段：控制关断第二水泵(5)，并控制按照初始阶段中第二水泵(5)的流量打开第一水泵(2)，根据设定温度值Td控制减小加热体(3)的加热功率，直至第三温度传感器(8)检测的供水口输出的温开水温度小于设定温度值Td。
3.根据权利要求2所述的温开水工作系统的工作方法，其特征在于：还包括处于第一阶段后的第二阶段：控制加热体(3)按照第一阶段结束时的加热功率继续工作，控制第一水泵(2)的流量不变，同时控制开启第二水泵(5)；然后根据第三温度传感器(8)检测的供水口输出的温开水温度，基于PID算法控制第二水泵(5)的流量，直至供水口的出水温度稳定在设定温度值Td。
4.根据权利要求3所述的温开水工作系统的工作方法，其特征在于：还包括处于第二阶段后的第三阶段：判断当前加热体(3)的剩余功率是否超过设定比例值，如果是，则控制将加热体(3)的功率调整为最大功率值，同时，控制逐渐增加第一水泵(2)的流量至经验流量值，然后根据第三温度传感器(8)检测的供水口输出的温开水温度，基于PID算法控制第二水泵(5)的流量，直至供水口的出水温度稳定在设定温度值Td。
5.根据权利要求2至4任一项所述的温开水工作系统的工作方法，其特征在于：在初始阶段，控制加热体(3)按照设定的最大功率进行工作，并根据初始温度差ΔT0控制第二水泵(5)的流量P；P＝CMΔT0，其中C为水的比热容，M为水的质量，ΔT0＝Tr－T01，Tr为加热体(3)出水口的出水温度，T01为水箱(1)出口的水温。
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