再生倍增即熱式電熱水器及實現方法與流程
2023-04-23 22:36:41 5
本發明涉及一種熱水器，尤其是一種再生倍增即熱式的電熱水器及實現方法，屬於家用電器技術領域。
背景技術：
眾而周知，熱水器是最常用的家居設備之一，按照不同的方式分類，種類繁多，各有優缺點。如果按照能量來源可大致分為燃氣熱水器、電熱水器和太陽能熱水器等；若按供熱水的方式可大致分為儲水式和即熱式兩大類。從用戶角度而言，分為儲水式和即熱式兩大類最為直觀，儲水式有儲水箱，整體體積大，即熱式沒儲水箱，整體體積小；儲水式要預先燒水才有熱水用，即熱式要用熱水時才燒。此外，儲水式體積大，佔地方，需要保溫、防垢，一般安裝比較困難；而即熱式則需要瞬時功率很大的能源。不論哪種都給大家生活帶來了便利，然而相對而言，即熱式使用更加方便一些。
燃氣熱水器屬即熱式熱水器，為避免燃氣和排氣中毒，對安裝有嚴格要求，較不方便；太陽能熱水器則屬儲水式熱水器，但是其必須安裝在有太陽照射之處，陰雨天還不能用，較不方便；電熱水器則儲水式和即熱式兩種都有，儲水式配備幾十升以上的大儲水箱，壁掛安裝時則必須是安裝在承重牆上，對安裝有嚴格要求，較不方便；即熱式電熱水器通常是幾千瓦的大功率，遠遠超出目前家居用電線路（10a/16a電流）的承受能力，必須更改專門線路才能使用，也不方便。另外，電熱水器還存在電隔離的安全問題以及昂貴的電費（節能）問題。
對於稍微特殊點的「空氣能熱水器」，是利用熱泵原理，以一份電功率可獲取三份以上的熱能，有節能（省電費）的優點，並且是採用自然電隔離的。因為空氣能熱水器是電驅動，且具有儲水箱，因此可以把其歸為儲水式電熱水器，它同樣對安裝有嚴格要求，較不方便。
目前，各種樣式的熱水器均並存著，為大家生活提供便利，並將繼續給大家做貢獻。可以說，暫時還沒有哪一種熱水器具備壓倒性的優勢把其它的比下去。總之，目前的熱水器必須經過嚴格要求的安裝才能正常使用，均存在安裝不方便的問題。另外，中毒、觸電安全問題和節能（保溫）等要求，仍然是其無法迴避的要求。
能否可以兼顧以上全部問題，不需要嚴格要求的安裝，即插即用，不會中毒，不會觸電，無須保溫防垢，而且節能環保的熱水器正是本行業的努力目標。
技術實現要素：
針對上述提到的現有技術中的熱水器安裝複雜的問題，本發明提供一種再生倍增即熱式電熱水器及實現方法，其利用熱泵原理，結合廢熱再生倍增實現，為沒有儲水箱的即熱式電熱水器，無須改造電路，自然電隔離，無觸電、中毒等隱患，是能效比大於3的高效安全節能環保電熱水器。
本發明解決其技術問題採用的技術方案是：一種再生倍增即熱式電熱水器，電熱水器包括熱泵系統、熱水管和集水池，熱泵系統包括壓縮機、冷凝裝置、膨脹裝置和蒸發裝置，冷凝裝置與壓縮機連接，膨脹裝置與冷凝裝置連接，蒸發裝置與膨脹裝置連接，壓縮機與蒸發裝置連接，熱水管設置在冷凝裝置外側，熱水管一端為進水口，熱水管另一端為出水口，進水口、熱水管和出水口形成熱水管路，熱水管對應於冷凝裝置設置，集水池對應於蒸發裝置設置，集水池上設有集水口和排水口。
一種再生倍增即熱式電熱水器的實現方法，該方法為壓縮機對製冷劑進行壓縮，製冷劑排至冷凝裝置放熱，對熱水管內的水進行加熱，使熱水管內的水加熱後向外提供熱水，製冷劑經過膨脹裝置後變成低壓製冷劑，低壓製冷劑吸取蒸發管周圍的集水池廢棄熱水的熱量進行再生，然後被壓縮機繼續吸入，形成循環。
本發明解決其技術問題採用的技術方案進一步還包括：
所述的熱水管路上連接有水流開關。
所述的水流開關設置在進水口處，或設置在出水口處，或設置在熱水管內，或者設置在進水口與熱水管之間，或設置在熱水管與出水口之間。
所述的冷凝裝置採用冷凝管，熱水管套裝在冷凝管外側。
所述的膨脹裝置採用毛細管。
所述的蒸發裝置採用螺旋彎曲成盤狀的蒸發管，蒸發管設置在集水池中。
所述的集水口採用多孔式結構，均勻或非均勻分布在集水池上方。
所述的排水口開設在集水池的底部。
所述的排水口處設有能夠浮動的蓋子。
本發明的有益效果是：本發明為即熱式電熱水器，沒有儲水箱，無須改造電路，自然電隔離，無觸電中毒隱患，能效比大於3，高效安全、節能環保省錢。
下面將結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明。
附圖說明
圖1為本發明熱水器組成方框示意圖。
圖2為本發明熱水器應用示意圖。
圖3為本發明熱水器的熱水管套冷凝管剖面結構示意圖。
圖4為本發明熱水器的集水池浸泡蒸發管俯視結構示意圖。
圖中，1-進水口，2-熱水管，3-冷凝管，4-水流開關，5-出水口，6-電源，7-壓縮機，8-集水口，9-集水池，10-蒸發管，11-排水口，12-毛細管。
具體實施方式
本實施例為本發明優選實施方式，其他凡其原理和基本結構與本實施例相同或近似的，均在本發明保護範圍之內。
請參看附圖1至附圖4，本發明主要包括熱泵系統、熱水管2和集水池9，熱泵系統為本發明的核心的自循環系統，熱泵系統包括壓縮機7、冷凝裝置、膨脹裝置和蒸發裝置，冷凝裝置與壓縮機7連接，膨脹裝置與冷凝裝置連接，蒸發裝置與膨脹裝置連接，壓縮機7與蒸發裝置連接，從而形成一個閉環的熱循環通道，熱水管2設置在冷凝裝置外側，用於進行熱交換，熱水管2一端為進水口1，熱水管2另一端為出水口5，進水口1、熱水管2和出水口5形成熱水管路，本實施例中，熱水管路上連接有水流開關4，水流開關4可設置在進水口1處，也可設置在出水口5處，也可設置在熱水管2上，或者連接進水口1與熱水管2之間，或熱水管2與出水口5之間。本實施例中，冷凝裝置採用冷凝管3，熱水管2為套裝在冷凝管3外側管道，熱水管2內徑大於冷凝管3外徑，熱水管2直接套裝在冷凝管3外側，從而在熱水管2和冷凝管3之間形成一個水流通道，熱水管2與冷凝管3平行設置，具體實施時，冷凝管3也可以採用冷凝器等其他形式的裝置替代，熱水管2此作相應的改變，需滿足熱水管2能與冷凝裝置進行熱交換。冷凝管3的外部套裝一根與其平行而內徑大於其外徑的熱水管2，二者都較長，實際要盤曲成螺旋管狀以縮小佔用空間，熱水管2兩頭分別變化成標準接口的進水口1和出水口5，水流開關4可單獨設置或與出水口5融為一體。製冷劑在冷凝管3內部流動，並與其內壁交換熱量，自來水在熱水管2內部和冷凝管3外壁之間流動，並與冷凝管3外壁交換熱量，這僅是其中一種最簡形式，具體實施時，也可採用其它形式，比如熱水管和冷凝管雙管並排焊接等，或目前成熟的水熱交換裝置均可借用。本實施例中，膨脹裝置採用毛細管12，具體實施時，也可以採用膨脹閥或其他膨脹裝置替代。蒸發裝置設置在集水池9中，本實施例中，蒸發裝置採用螺旋彎曲成盤狀的蒸發管10，蒸發管10浸泡在集水池9中，具體實施時，蒸發裝置也可以採用蒸發器或其他蒸發裝置替代。本實施例中，集水池9上設有集水口8和排水口11，本實施例中，集水口8設置在集水池9的上蓋上，集水口8為多孔式結構，均勻或非均勻分布在集水池9上蓋上，具體實施時，也可以採用條形結構或其它異型孔集水結構，需滿足水能進入到集水池9內即可，排水口11開設在集水池9的底部，排水口11處設有可浮動的蓋子（細節未畫出），當集水池9水滿時，則打開浮動蓋子快速排水，平時非嚴密的蓋上，可在不使用時緩慢滲水避免集水池9產生積水，而正常使用時能積蓄廢棄熱水。同樣的，這也是只是其中一種優選形式，具體實施時，也可用其它形式，比如與下水管結合在一起的結構。本實施例中，集水池9採用扁平盒裝結構，扁平盒子狀的集水池9結實牢固，上面可以站人，其中集水池9內有盤狀的蒸發管10，集水池9和安裝其上的主體外殼之間是牢固連接，但可脫扣並小範圍對摺，以方便包裝運輸。主體外殼中裝有壓縮機7、螺旋狀的熱水管2、冷凝管3、毛細管12和電源等，其需要嚴密防水，其上部固定有自來水的進水口1和出水口5，以及可拆卸的花灑支撐杆等（不在本發明範圍內）。打開水龍頭，自來水進入熱水管2，觸動水流開關4控制壓縮機7工作，熱泵的熱端變熱把熱水管2中的水加熱，熱水從花灑流出，用戶站在扁平盒子狀的集水池9上花灑之下沐浴，廢棄熱水灑落匯聚到集水池9把冷端加熱後再排出。
本實施例中，將冷凝裝置一端定義為熱泵系統的熱端，此端向外釋放熱量；將蒸發裝置一端定義為熱泵系統的冷端，此端吸收外部熱量。從熱泵系統的熱端和冷端交換熱量的外循環系統則用自來水冷，相對輕小和簡單得多。
本發明的工作原理如下：當用戶需要熱水沐浴，打開水龍頭有水流時，水流開關4合上，電源迴路導通，控制電源6輸出，驅動壓縮機7工作，自循環系統中的製冷劑被壓縮機7壓縮，體積變小、壓強變高、溫度升高後排至冷凝管3放熱，冷凝管3吸收並帶走製冷劑放出的熱量，高壓製冷劑經過毛細管12這樣的節流機構後噴入蒸發管10，此時，製冷劑體積變大、壓強變低、溫度降低，吸取蒸發管10周圍的熱量，然後低壓的製冷劑被壓縮機7繼續吸入，形成自循環「熱泵」。在熱端，自來水從進水口1進入熱水管2中，與熱水管2套圍住的冷凝管3的外壁接觸，進行熱交換，吸收並帶走冷凝管3的熱量，從而變成熱水，從出水口5流出，經花灑進行沐浴。沐浴後的廢棄熱水灑落到冷端的集水池9的上蓋上，匯聚並通過多孔的集水口8進入集水池9內，與浸泡在集水池9中的盤狀蒸發管10外壁接觸，進行熱交換，被蒸發管10吸收熱量變成冷水，當積蓄滿集水池9時，排水口11處的漂浮蓋打開，廢棄冷水從排水口11流出。
本發明的熱水器應用目前技術成熟而類似普通空調的「熱泵」原理，實現高效率的熱量搬移，即可用一份電能搬運3份以上熱能。並且揚長避短，拋棄不用普通空調龐大而複雜的風冷散熱外循環系統，而使用導熱係數是空氣20倍多的小巧水冷外循環系統；同時匯聚廢棄熱水進行熱量再生，實現了再生倍增即熱式電熱水器。
既然是熱泵，主要涉及傳熱過程，先看看傳熱量的計算公式為：
q=kofδtm(w)
q—單位傳熱量，單位：w
ko—傳熱係數，單位：w/（m2·℃）
f—傳熱面積，單位：m2
δtm—對數平均溫差，單位：℃
可見，傳熱量跟傳熱係數、傳熱面積和溫差有關係。
對於熱泵而言，可分為兩部分，即銅管內製冷劑自循環和銅管外散熱介質外循環。因為銅本身的導熱很好，所以對內、外循環之間的傳熱影響可完全忽略，可看成是內、外循環之間熱透明的物理隔離，各部分能否及時把熱量帶走，是衡量熱泵整體效果的最關鍵環節。內循環主要影響換熱的是製冷劑性質和製冷劑質量流速。一般地，流速越快換熱越快，但流速增大阻力也增大，增加功耗。因此需綜合考慮，一般而言，光管內側（平均）換熱係數的範圍主要集中在2000-8000w/（m2.c）之間。管內汙垢熱阻，因純封閉影響小於5%，一般忽略不計。
下面結合熱水器對本發明進行說明。
人體正常的體溫37℃，沐浴熱水溫度的舒適性因人而異，涉及到主觀感受，夏天和冬天也有所差別。不過，一般而言人體舒適的沐浴熱水溫度是40度附近。對於熱水器，從單用戶使用滿意的角度看，即熱式一般要求流量要大於6升/min。對即熱式電熱水器，實用可接受的在6kw以上。但目前家庭用電中，普通插座最常見的是額定電流10a的，少部分是額定電流16a的。所以，6kw的即熱式電熱水器必須經過專業安裝、改造用電線路，才可以正常使用。這對絕大多數的用戶來說改造線路是不現實的，除非重新裝修房子。
不過，本發明的熱水器應用「熱泵」原理和再生倍增高效率搬移熱量，用一份電能搬運3份以上熱能。按照家庭用電最常見額定電流10a的普通插座，額定電能220v*10a=2200w，可制熱2200w*3=6600w以上。可見，本發明熱水器只要插在普通插座上即可實現現有6kw以上即熱式電熱水器的效果，無須改造線路。
本發明的熱水器的管內自循環可以參照3匹空調(相當額定電能2200w)，室溫條件下，熱端按照前述的計算取數值，製冷劑r22，蒸發溫度5℃/冷凝溫度50℃，管內換熱係數1694w/（m2.c）。管外循環是熱水管套冷凝管的盤曲螺旋管中的自來水（室溫25℃），很明顯，水的導熱係數比空氣大20倍多，與管內製冷劑在相當量級，故不使用翅片也能及時交換帶走熱量，也意味著熱水管的體積要比普通空調的冷凝器散熱片小很多，且無風扇。此外，自來水很乾淨，所以管外的汙垢熱阻與管內汙垢熱阻相當，一般忽略不計，且無須考慮灰塵汙染、雜物堵塞等因素。同等條件粗略計算可得，（進口水溫度25℃，出口水溫度41.5℃，對數平均溫差，15.3℃），對比原風冷散熱的，（進口空氣溫度35℃，出口空氣溫度43℃，對數平均溫差，10.5℃）。溫差更大，傳熱更容易，對於冷端的計算過程完全類似。所不同的是，使用後的廢棄熱水被集水池收集和積蓄，理想情況下，熱量沒有損失，則集水池的水溫度也為25℃，浸泡其中的蒸發管從25℃水中吸熱再生。換句話說，本發明的熱水器是熱量再生循環的，相當於從25℃恆溫水抽吸熱量給熱水管的熱泵，其能效比將遠大於3。實際上，沐浴過程中，熱水的熱量因為水汽帶走、人體吸收、向周圍空氣散熱而損耗。而且，廢棄熱水只能收集多半部分，部分飛濺出集水池外而損耗熱量。此外，廢棄熱水不同於乾淨的自來水，其汙垢熱阻也會影響熱量吸收，所幸不是很髒，尤其沐浴的末尾廢棄熱水跟乾淨的自來水差不多，多少能清洗掉，不至於影響很嚴重，不過偶爾的維護還是有所必要的。有利的是，在這個熱量再生循環的過程中，電能轉變的熱量是持續累積的，可部分抵消前述熱量的損耗；另外，假設集水池長70cm寬70cm高5cm，則約可積蓄24升廢棄熱水，這個積蓄可穩定集水池的水溫度，避免下降，造成熱泵熱端和冷端間的溫差加大而能效比下降。
普通空調測試能效比的條件：製冷額定工況，是室內幹球27℃，室內溼球19℃；室外幹球35℃，室外溼球24℃的工況下，所測得的製冷量除以製冷功率，所得數值就是能效比；制熱額定工況，是室內幹球20℃，室內溼球15℃；室外幹球7℃，室外溼球6℃的工況。
可見，普通空調因為是風冷散熱，故跟空氣中的水汽有很大關係，對製冷，水汽凝結流走，會損失其製冷效率；對制熱，水汽結霜增加熱阻無法吸熱，也會損失其制熱效率。可見空氣中水汽（即溼度）會造成普通空調能效比下降。對於本發明中的熱水器，外循環介質是水，完全不存在這樣的問題，則同樣設計和測試條件下，本發明熱水器的能效比將優於普通空調能效比，相當於完全無水汽的普通空調能效比。
其實，影響熱泵能效比最直接的是熱端和冷端的外界溫度差，直觀的比喻是抽水上高樓比到平地要難得多。對製冷，室內27℃，室外35℃，溫差8℃；對制熱，室內20℃，室外7℃，溫差13℃，二者差異的主要因素是制熱時額外多了一份電能。正常條件下，目前實用很普通空調能效比都可大於3。按照普通空調設計，把外循環複雜龐大的風冷散熱器去掉，僅簡單換成熱水管和集水池，就構成了一個最簡單的本發明的熱水器，按照理想熱量回收再生過程中，其熱端和冷端的水溫度差將為0甚至是負的，能效比遠大於3；即便損失很差情況（非極端情況），其熱端和冷端的水溫度差也難於超過8℃和13℃，可見，能效比還是大於3。
因為本發明中的熱水器應用目前技術成熟而類似普通空調的「熱泵」原理，實現高效率的熱量搬移，即可用一份電能搬運3份以上熱能，環保節能，節省幾倍電費。只要插在普通插座上即可實現現有6kw以上即熱式電熱水器的效果，無須改造電路線路。沒有儲水箱（無保溫要求和結垢問題），無需專門安裝，接上水管，插上插頭即可使用。與電接觸的僅是帶動壓縮機的電動機，自然電隔離。不使用燃氣無中毒問題。總之，本發明中的熱水器是，不需要嚴格要求的安裝，即插即用，不會中毒，不會觸電，無須保溫防垢，而且節能環保省錢的熱水器。
本發明中的熱水器可應用目前成熟技術，而且是可在工廠內實現的全封閉一體化機，用戶即插即用，無需特殊安裝，若對恆溫有要求的，可以採用變頻技術進行控制，對熱水管套冷凝管的也可以更換成其它方式，比如雙管並排等。此外，因為是全封閉一體化機，可以使用環保的製冷劑二氧化碳co2（co2冷媒單位容積製冷量大，3～5倍於r22），可進一步減小體積。
在南方，絕大多數人使用沐浴方式洗澡，本發明熱水器很適用於沐浴用熱水，或者類似的熱水即用即排（利於熱量回收再生）的方式，比如洗手盆，將集水池作為下水管的一部分，不過熱水回收會更好些。在北方，必須要不結冰條件下才可以使用（室內無問題）。因此使用本發明熱水器在普通插座獲取8kw即熱式電熱水器的效果不難，也很實用。此外，為了適應不同用戶的浴室環境，儘可能的增加回收再生熱量，集水池的上蓋可做成基底部分和拼接部分（比如70*70是基底，可拼接成80*80、90*90等）。為了避免低水壓地方使用時，頻繁啟停造成的可能損害，本發明中可使用帶回差的水流開關，如專利號為zl201420528891.3，發明名稱為《一種有回差的水流微動開關》的中國在先專利，可避免此問題。