余玉卿

摘 要：通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一款以步進(jìn)式為進(jìn)水加熱方式的節(jié)能型開(kāi)水器。本開(kāi)水器采用了單片機(jī)控溫技術(shù)，并結(jié)合先進(jìn)的傳感器測(cè)溫技術(shù)、水位電極探測(cè)技術(shù)、聚氨酯發(fā)泡保溫技術(shù)和蒸汽預(yù)熱技術(shù)等。開(kāi)水器為保持達(dá)到健康飲用開(kāi)水最低溫度，通過(guò)水位電極及高精度溫度傳感器獲得數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)微電腦精準(zhǔn)控溫控水計(jì)算，控制加熱管及電磁閥的工作，采用逐層進(jìn)水，逐層加熱的臨界沸騰技術(shù)，協(xié)調(diào)水箱內(nèi)開(kāi)水溫度和進(jìn)水量。開(kāi)水器設(shè)有自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)功能，漏電自檢報(bào)警，并具有無(wú)水防干燒保護(hù)功能，完全可脫離人員看護(hù)。水箱內(nèi)設(shè)有多個(gè)高水位電極，以根據(jù)該季節(jié)和時(shí)間段需水量的多少來(lái)調(diào)整保溫水量，避免能源浪費(fèi)。采用熱交換技術(shù)，開(kāi)水和冷水交換熱量從而快速獲得溫水，極大限度地節(jié)省了將水燒開(kāi)所需的電能和時(shí)間。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；開(kāi)水器；節(jié)能

1 研制背景及意義

通過(guò)水位電極及高精度溫度傳感器獲得數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)微電腦精準(zhǔn)控溫控水計(jì)算，控制加熱管及電磁閥的工作。在不同的季節(jié)，可以滿(mǎn)足不同人群對(duì)于水溫的需求。例如，夏天，用戶(hù)需求的水溫較低，冬天，用戶(hù)需求的水溫較高。上課以及放假的時(shí)候，用水的需求量較少，而在下課的課間，用水的需求量較大。通過(guò)水位電極和溫度傳感器的控制，可以使得開(kāi)水器更加的智能化，人性化，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。為了實(shí)現(xiàn)人類(lèi)與自然和諧共生的生存目標(biāo)，必須節(jié)約能源，保護(hù)生態(tài)，積極提倡并且去實(shí)踐低碳生活，因此推廣基于單片機(jī)的節(jié)能開(kāi)水器具有重要的意義。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 機(jī)械部分

經(jīng)過(guò)研究和分析，工作人員選擇以步進(jìn)式作為節(jié)能型開(kāi)水器的進(jìn)水加熱方式。在機(jī)械部分，設(shè)計(jì)了蒸汽預(yù)熱模塊、水位電極探測(cè)模塊、傳感器測(cè)溫模塊、加熱及保溫模塊和熱交換實(shí)現(xiàn)多溫水模塊。

2.1.1 蒸汽預(yù)熱模塊

水在水箱加熱之沸騰的過(guò)程中產(chǎn)生大量多余的蒸汽被導(dǎo)入熱交換管的內(nèi)管中進(jìn)行熱能回收，在從外管流入的冷自來(lái)水吸收了大量熱能，將20℃冷水的溫度預(yù)熱到30-40℃左右，然后通過(guò)連通管進(jìn)入加熱腔體中，加熱腔將水從30-40℃加熱到沸點(diǎn)（100℃），只需加熱60-70℃，充分利用了蒸汽的熱能，避免了能源浪費(fèi)，從而節(jié)省了大量電能。

2.1.2 水位電極探測(cè)模塊

水箱中設(shè)計(jì)有一個(gè)低水位電極和多個(gè)高水位電極。啟動(dòng)開(kāi)水器，水箱開(kāi)始進(jìn)水，當(dāng)水位達(dá)到低水位電極所在處時(shí)，停止注水，水平高度位于低水位電極以下的加熱管開(kāi)始對(duì)注入的冷水層進(jìn)行加熱。當(dāng)水溫加熱到99℃時(shí)，開(kāi)始繼續(xù)注水，通過(guò)溫度傳感精確控制，當(dāng)新注入的冷水層高度大約達(dá)到低水位電極的位置時(shí)在此停止注水，此時(shí)開(kāi)水層被緩慢推升至低水位電極之上，即低水位電極起到控制每次注入冷水量的作用。

如此多次重復(fù)直至最高水位達(dá)到指定高水位電極時(shí)即停止注水，整箱水進(jìn)入保溫狀態(tài)，即高水位電極起到控制蓄水量的作用。而有常識(shí)可知，不同季節(jié)、不同時(shí)間段需水量還是有較大差異的，這時(shí)則需設(shè)置多個(gè)高水位電極以控制蓄水量的大小以節(jié)省電能。

2.1.3 傳感器測(cè)溫模塊

在低水位電極的略偏下方設(shè)有一高精度溫度傳感器。判斷水燒開(kāi)即加熱管停止工作的水溫設(shè)定在99℃的臨界沸騰狀態(tài)，既能夠完全殺滅水中細(xì)菌微生物，又使自來(lái)水中的余氯得到有效揮發(fā)。

為成功實(shí)現(xiàn)逐層進(jìn)水、循環(huán)加熱，此溫度傳感器起到關(guān)鍵的作用。打開(kāi)進(jìn)水閥，新進(jìn)冷水把開(kāi)水層往上推，根據(jù)雷諾實(shí)驗(yàn)原理，當(dāng)溫度傳感器測(cè)得溫度接近90℃時(shí)，低水位電極大致是開(kāi)水層和冷水層的分界線(xiàn)，即達(dá)到了將開(kāi)水和冷水以低水位電極為界嚴(yán)格分開(kāi)的目的，這時(shí)則有效控制了每次定量的進(jìn)水量（大約2升，可根據(jù)需求設(shè)為不同值）以實(shí)現(xiàn)逐層加熱。

2.1.4 加熱及保溫模塊

本開(kāi)水器采用步進(jìn)式的進(jìn)水加熱方式。通過(guò)精密控制閥來(lái)讓水從底部以一定的流速和流量進(jìn)入開(kāi)水器內(nèi)膽，當(dāng)進(jìn)水達(dá)到一定量時(shí)即停止進(jìn)水，發(fā)熱絲開(kāi)始加熱。當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，進(jìn)水控制閥自動(dòng)打開(kāi)，再次向內(nèi)膽中注水。因冷水的比重大于熱水的比重，后注入的冷水會(huì)把前一次燒好的水逐漸托起來(lái)，當(dāng)溫度控制器感應(yīng)到溫度下降到一定數(shù)值時(shí)，進(jìn)水控制閥自動(dòng)關(guān)閉，發(fā)熱絲開(kāi)始加熱第二層水，直到再次達(dá)到設(shè)定溫度。如此循環(huán)，直到內(nèi)膽中的水到達(dá)最高水位且溫度處于臨沸騰狀態(tài)時(shí)，整箱水進(jìn)入保溫狀態(tài)，保證水溫不低于93℃（健康飲用開(kāi)水最低溫度），這里采用目前市場(chǎng)上最好的保溫材料聚氨酯發(fā)泡，使水溫?fù)p失極度降低，起到了高效保溫的作用。

2.1.5 熱交換實(shí)現(xiàn)多溫水模塊

為實(shí)現(xiàn)多溫出水以滿(mǎn)足不同的需求，設(shè)計(jì)了間壁式換熱器的部分。在這種換熱器中，一種流體走管內(nèi)，另一種流體走環(huán)隙，兩者皆可得到較高的流速，故傳熱系數(shù)較大。另外，在套管換熱器中，兩種流體可為純逆流，對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力較大。為了使熱交換更充分且迅速，工作人員把套管設(shè)計(jì)成外管中套入多條小管的形式，增加內(nèi)管的熱水和外管的冷水的接觸面積，提高換熱效率。

電磁閥控制位于低水位電極略偏上的開(kāi)水出水口流出開(kāi)水，而冷水的進(jìn)水口的電磁閥與之配合，同時(shí)流入冷水，兩溫的水通過(guò)熱交換管進(jìn)行熱交換。另外，可以考慮再設(shè)置一50℃的出水溫度，以滿(mǎn)足更廣泛的需要。這個(gè)水溫的實(shí)現(xiàn)則需要將100℃的開(kāi)水和35℃的溫水按比例混合，通過(guò)單片機(jī)控制與熱交換管相連的開(kāi)水出水口和直接出熱水的開(kāi)水出水口的兩個(gè)電磁閥，實(shí)現(xiàn)各水溫的水量進(jìn)行混合。

2.2 電路部分

選用8051單片機(jī)作為控制器，通過(guò)單片機(jī)對(duì)溫度信號(hào)采集，控制繼電器通與斷，間而控制電熱管加熱與否來(lái)控制溫度；液位信號(hào)通過(guò)檢測(cè)處理，控制電磁閥的開(kāi)與關(guān)進(jìn)而控制液位；另一方面，單片機(jī)以檢測(cè)到漏電信號(hào)，會(huì)立刻控制斷路器斷開(kāi)主電路的供電，從而起到保護(hù)作用。

3 工作原理及性能分析

定時(shí)開(kāi)機(jī)，接通水電，從開(kāi)水器的下進(jìn)水口開(kāi)始進(jìn)水，進(jìn)水達(dá)到下水位，停止進(jìn)水，電加熱管開(kāi)始加熱，等到加熱溫度到達(dá)99℃時(shí)，停止加熱，又開(kāi)始注入第二層水，注入一定容量后，水位電極控制又停止進(jìn)水并開(kāi)始加熱到99℃，反復(fù)幾次直到水箱內(nèi)水位達(dá)到要求水位，高水位電極向進(jìn)水口電磁閥和發(fā)熱管發(fā)送數(shù)字信號(hào)，開(kāi)水器停止工作進(jìn)入保溫低耗能狀態(tài)。

打開(kāi)水龍頭便可以出熱水，由于開(kāi)水出水口設(shè)在低水位電極的偏上方，而冷水層一直在低水位電極以下，使用者每次從開(kāi)水器取水口放出的開(kāi)水都是上層的純開(kāi)水，可以放心飲用。一旦高水位電極露出，進(jìn)水口的電磁閥便會(huì)發(fā)生響應(yīng)，開(kāi)始注水直至溫度傳感器處水溫降至約90℃。當(dāng)水龍頭快要無(wú)水流出時(shí)，開(kāi)水器會(huì)發(fā)出警報(bào)，此時(shí)為防止空燒，設(shè)備會(huì)控制加熱管停止工作后再注水，此時(shí)電磁閥控制開(kāi)水出水口關(guān)閉。繼續(xù)注水，隨著水位的上升，加熱器又會(huì)恢復(fù)正常的運(yùn)行。

通過(guò)單片機(jī)控制與熱交換管相連的開(kāi)水出水口和直接出熱水的開(kāi)水出水口的兩個(gè)電磁閥，使得兩出水口按一定的出水速度出水，即水量按一定比例混合后從水龍頭直接出水，得到指定溫度的熱水。

利用單片機(jī)調(diào)節(jié)蓄水量，對(duì)不同季節(jié)和時(shí)間段進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，開(kāi)水器則可以自動(dòng)選擇工作的高水位電極，以達(dá)到全自動(dòng)調(diào)節(jié)蓄水量的效果。另外，電路中設(shè)有防漏電系統(tǒng)，保證開(kāi)水器安全工作。最后，開(kāi)水器根據(jù)預(yù)先定時(shí)自動(dòng)關(guān)機(jī)，夜間不工作。

參考文獻(xiàn)

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