双加热系统饮水机设计分析
江启峰 熊世强 曾守曦 吴光耀
摘 要 本装置是为了改变普通饮水机反复加热的弊端来设计的一种双加热系统的饮水机。通过二次加热做到不会反复加热的目的，并且可以保证用户可以接到100℃的沸水。两套加热系统分别使用的是电阻加热和石英加热，加热效果优异。另外通过计算，本装置的节能效果显著，相对于普通饮水机可以节能50%以上。本装置的主要构成是一级加热系统、二级加热系统、保温系统、温控系统、制冷系统。为了满足用户的更多需求，在本装置中加设了制冷系统，用户可以饮用到冰水。制冷采用的是半导体制冷，对半导体产生的冷热均达到了利用，没有损耗。
关键词 双加热系统 二次加热 保温 温度传感器
中图分类号：TM924 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2020）02-0019-02
1 研究背景及意义
随着国民生活水平的提高，饮水机已经走進了很多家庭，饮水机在我们身边处处可见[1]。但是现在普通饮水机均有一个普遍存在的问题，就是存在反复加热的现象。反复加热次数过多会对饮用水产生影响，如果人类饮用了这样的水会对人的身体健康产生一定的负面影响。另外就是反复加热会造成能量损失，由于饮水机数量多，反复加热的现象对于大多数饮水机都存在。因此造成的能量损失会是一笔非常巨大的数目。
目前市面上存在的饮水机解决饮水机反复加热的问题比较主流的一种办法就是内部无加热系统，通过采用水壶来加热，相对于用户而言操作变得复杂，实用性不高[2]。另外还有一种饮水机的解决办法就是采用即热式饮水机，这种饮水机可以杜绝反复加热，但是由于要做到即热，对于加热材料要求比较严格，造价相对较高，另外还存在功率比较大，对于线路要求大，因此即热式饮水机在市面上并未广泛实用。
2 设计方案
2.1 总体设计
本装置可以划分为几个模块：
一级加热系统：该系统的主要作用是快速的将水升温，并且将水温温度加热到100℃。本系统的主要构成是加热电阻丝，主要的原理就是电阻发热与普通饮水机的制热原理相同。另外在入口处以及出口均设置有阀门，二个阀门的开关分别由热水保温箱的水位高低来控制（入水口的阀门）以及本加热系统内部的水温控制阀门的开启。
保温装置：保温装置主要包括温水箱的保温桶以及热水箱的保温桶，保温桶由绝热内胆以及绝热外壳组成，外壳与内胆之间保持真空，以达到保温的效果。保温的原理与保温杯的原理相同，都是阻止了热水向外传递热能的过程以达到保温的效果。本装置中考虑到阀门的开闭会增加热水的散热，不可能达到完全的绝热，综合装置的各部分构造假设在理想的状态下（即没有热水进入也没有水排出的情况）热水从100℃降低到室温的用时为12小时。根据现在的绝热材料完全可以达到这种程度，所以保温装置可以采用普通绝热材料，成本不会太高，并且可以达到理想的保温效果。另外为了延缓温度的降低，在保温桶内壁均匀的分布有半导体制热一极，制冷系统工作时，保温桶内壁则会产生热量延缓保温桶水温的降低。
二级加热系统：二级加热系统分布在热水箱中及温水箱出水管中。这种加热与传统的加热模式具有很大的区别，传统的都是加热静止的水而本装置加热的石英分布是沿着出水管均匀分布的，可以做到水一边流动一边加热的目的[3]。本系统采用的是石英加热，相对于普通的电阻加热，效率更好。
制冷系统：添加制热系统主要是为了满足人的需求，夏天由于温度更高，相比于要等待降温的热水，人们对于冰水的需求更大，因此本饮水机添加了制冷模块，增加饮水机的功能，使饮水机更加人性化。
温控系统：本装置为了可以达到预期的目标，在整个饮水机中几乎全部通过温度来控制整个装置的运行。所以温度是本装置中的核心，在各个系统中均设置有温度感应器，通过温度的变化来做出反应。另外为了保证出水的温度能够达到预期的温度，所以出水孔阀门的温度全部为温度感应阀门。所有的温度感应器以及温控阀门在整个装置中组成了一个温度系统。
2.2 运行步骤
（1）当自来水由饮水机管道进入后，首先通过净水装置进行水的净化处理。
（2）水位（水温）监测：检测到热水箱内的水位低于了预留的最低水位（水温低于设定温度）时、控制打开一级加热系统上部的进水控制阀门进水，并定时关闭。
（3）保温箱储水过程：当一级加热系统的水温达到了100℃后，热水保温箱与温水保温箱的阀门打开，将热水箱内的余水全部排入温水箱后，关闭此阀门[4]。最后将加热系统内部的水排进热水保温箱。
（4）热水的二次加热：当用户打开出水口的后，二级加热系统迅速加热，同时热水箱底部开启，水一边流动一边加热。当水达到出口时已达到95℃以上，当停止出水后管道内部的水会排进温水箱内。
（5）温水箱的运行：当顾客有温水的需求时，温水箱底部阀门开启，同时开始制热。在出水口位置可以达到确保的温度。另外温水箱的水量一般都在最低水位上，当低于该水位时，会直接由热水箱注入水。
（6）冷水箱的运行：冷水箱直接由水管注水，该箱主要负责二个温度：常温以及冰水。常温水不需加热以及制冷直接排出。当顾客有制冷需求时，半导体模块运行，流经的水会降低一定的温度，达到顾客冰水的需求。另外水箱还有储存前面余水的功能。
（7）紧急关闭系统：当水箱内的水位超过设定水位，表明用户长时间没有热水需求。此时自动的关闭一级热水系统的进水口，重启需要用户手动启动，并设置提示信息。
2.3 工作原理
（1）半导体制冷原理：利用特种半导体材料的构成的P-N结，形成热电偶对，产生珀尔贴效应，是一种通过直流电制冷的一种新型制冷方法，又称半导体制冷或电子制冷[5]。
现在常用的制冷方式有压缩机制冷、吸收式制冷、半导体制冷。
（2）石英加热原理：石英管是采用了经特殊工艺加工的乳白石英玻璃管、配用电阻合材料作为发热子，由于乳白石英玻璃可以吸收来自电热丝辐射的几乎全部的可见光和近红外光，且能使之转化为远红外辐射，对水进行加热。
（3）保温原理：保温即减少热能的散失，减少热能散失的三个方面（对流、传导、辐射）。保温桶采取的保温措施：保温桶分内外二层材料，二层材料之间抽成真空形成一个真空层，减少对流以及热的传导，从而达到保温效果。保温桶内层渡银，反弹热量辐射。
3 理论计算
3.1 可行性分析
在本次装置的设计中，影响装置的可行性最关键的部分是二次加热装置中，加热温度是否可以到达预定温度值。
二次加热最大的温度加热变化值为50℃，選择功率为500w的石英加热管，通过控制石英管内热水的流速以做到预定加热的效果。根据能量守恒定律、流体力学知识计算得：管道半径R≥1.1cm，二次加热装置技术可行。
3.2 节能效果
在平常生活中自来水的温度约为22℃，水的比热容是4.2×103/kg·℃，每1L水加热到100℃碳纤维石英加热管电-热转换效率约达95%，而第一加热后的水一般再次加热时温度为65℃，得到总加热费电为：
W（新）=0.131（KW·h）
当加热罐里的传感器感觉到水温上升到95℃左右时，就会切断加热电源，水温随之下降，当降到75℃时，温度传感器会传递信号，对水重新加热。经过对普通饮水机的调查发现，在冬天热水反复加热的次数较少，平均为3到4次，在夏天反复加热的现象比较严重，夏天用户对于热水的需求量比较小，但是大部分用户依然会选择给饮水机通电使水反复加热，保守估计夏天反复加热的次数超过8次，一年平均每L水反复加热的次数平均估计为6次。普通饮水机总的耗能：
W（普）=0.223（kW·h）
节能效果：η=41.26%
另外普通饮水机除了反复加热的弊端之外，冷水与热水直接的混合也会带走相当大一部分热量，因此初步估计每1L水使用该装置所耗费的能量低于普通饮水机的50%，节能效果优异。
由于饮水机数目巨大，并且我国人口数量也很庞大，每日每人都会饮用大量热水，该装置在日常生活中的使用次数多，因此节约的能源会非常可观。
新型饮水机茶吧机不足（饮水机）：A.使用范围不及普通饮水机广范;B.大部分茶吧机加热需要等待，不能做到热水的持续供应;C.操作相对比较复杂，老人小孩使用不便;D.加热容器小，不具有保温功能。
3.3 创新性分析
（1）应用本装置中的二个加热系统，替代现有的单一加热系统，解决了反复加热的问题。
（2）保温桶通过与加热装置分离的设计，不仅达到了更好的保温效果，而且做到了冷热水分离，减少了热能损失。
（3）二次加热系统通过对加热管道的直径进行限制，达到了加热水到预定温度的要求。
参考文献：
[1] 陈德根，朱泽清，田金，郭旭侠.饮水机使用现状分析[J].科技与创新，2019（18）：120-121.
[2] 宋慧文，白国振，仲梁维.智能饮水机嵌入式控制系统设计[J].软件导刊，2019，18（02）：91-95.
[3] 张红梅，唐明良.即热式智能饮水机设计与实现[J].南方农机，2019，50（02）：200-201.
[4] 王丹.半导体电阻和半导体制冷器件在饮水机中的应用[J].电子元器件与信息技术，2019（04）：100-103.
[5] 熊中刚，刘小雍，李青，刘小芹，王恩来.基于单片机的饮水机水温控制系统设计[J].信息技术与信息化，2018（04）：47-48+52.
西华大学 能源与动力工程学院，四川 成都
