基本信息
- 项目名称：
- 新型便携式碳纤维即热水器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品由于使用无芯型真空石英碳纤维电热管作为电热水器的核心组件，因此在反应速度方面明显优于现有的金属电热元件热水器，且具有更长的使用寿命。本设计利用回旋式加热方法代替了现用的固定式加热方法。利用了碳纤维电热元件发出红外辐射的形式加热水代替了金属电热元件接触式的加热过程，从而根本上即提高了电热水器的效率又达到了节能减排的效果。也同时降低了整个装置的重量，减小了整个设备的体积，节省了大部分空间。
- 详细介绍：
- 本产品利用碳纤维电热元件代替传统的金属电热元件对水进行加热，并在水流管路结构和外部固定结构上都进行了创新。本设计将产品通过伸缩杆及卡口直接与水龙头出水口相连接，使流出的水直接引入回旋式加热系统中，以均匀厚度流过碳纤维电热元件周围，吸收碳纤维电热元件所发出的红外辐射，温度持续升高，通过双U型管道后流出，达到水流从出水口流出即达到所需温度的效果。使用了基于碳纤维电热元件的回旋式加热结构，首先提高了水对电热元件热辐射的吸收率，从而使得热水过程更为高效节能，其次回旋式结构充分缩小了电热水器总体的质量和体积，提高了电热水器的使用寿命。使用了伸缩杆和卡口相结合，达到了可以非常简便的拆卸、安装及携带的效果。 本作品在设计中采用了回旋式加热方法，充分分析碳纤维电热元件的红外辐射曲线，选取合适的水流厚度均匀流经碳纤维电热元件，还采用了双U型结构的管道路径，在有限的空间内保证了水在保持流动过程中有足够的时间去吸收红外辐射。由于碳纤维电热元件热辐射方式主要为红外辐射，故均匀的水流流过后，水流吸收的热量均匀，并在双U型结构中依次通过两个碳纤维电热元件，过程中热量吸收充分，可将加热效率大大提高且耗能少，同比将节约60%的能耗。且过程中水流一经流出即达到可以使用的温度，体现了即开即用的高效性。 此外，本设计在结合回旋式结构减小了装置整体的体积和质量后，于外壳上安装了伸缩杆和卡口，伸缩杆可以变换长度，以满足不同型号的水龙头和水池的要求，卡口设计利用了皮带的扣紧原理配合伸缩杆将本设计固定于不同类型的水龙头上，并且安装和拆卸的操作简便。本设计兼具了基于碳纤维电热元件的回旋式结构的高效节能和易于拆装携带的便携性双重优点，基本能满足市场对电热水器的要求。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的：基于目前市场上主要采用金属电热元件制热的热水器存在的高能耗、低效率、易损坏、安装过程复杂等缺点，我们设计了这款基于碳纤维电热元件的便携式电热水器，用以弥补现有电热水器在能耗、制热效率、使用寿命、安装过程等方面的缺陷。基本思路：本作品采用了新型碳纤维电热元件，水流路径与碳纤维管绑定的回旋式结构，同时整个装置体积大大缩小，配合伸缩杆和操作简单的卡口设计实现了方便安装的效果。创新点（1）能耗低：本产品只需消耗传统金属加热装置需要电能的50%即可达到同样的加热效果。（2）高效率：本产品采用新型碳纤维电热元件（采用T300碳纤维），热辐射主要集中于红外辐射，结合回旋式水流管道的设计，加热效率高（3）实用性强：本产品在结构上采用完全独立于水管与水龙头的设计思路，结合伸缩杆和卡口可在任意需要的场合安装及使用本产品。主要技术指标（1）整体装置的卡口采用65号优质结构钢（2）本设计的伸缩杆采用45号优质结构钢（3）水流路径保证水流流过两条碳纤维电热U型管受热路径大于100 mm。（4）碳纤维加热管的加热功率大于800 W。技术关键（1）碳纤维电热丝必须封装于真空石英管中，完全与助燃气体隔绝。（2）回旋式水流管道采用无毒无害、保温性能优秀、具有优良密封性的微孔塑覆铜水管。（3）产品的卡口直径与水龙头直径之差应控制在极小范围内以保证紧、稳、固（4）伸缩杆的尺寸要满足大部分规格的水龙头的安装、固定要求。（5）产品必须保证水流在管道内通过的受热路径及碳纤维电热元件的功率，使其实现即热功能。
科学性、先进性
- 市场现有的电热水器大都采用传统的金属电热元件，其耗能大，效率低，热交换效率低；并且现有产品都为固结安装，不能满足不同场合下携带使用，因此市场上的现有即热水器没有广泛得到认可。本设计将产品通过伸缩杆及卡口直接与水龙头出水口相连接，使流出的水直接引入回旋式加热系统中，以均匀厚度流过碳纤维电热元件周围，吸收碳纤维电热元件所发出的红外辐射，温度持续升高，通过双U型管道后流出，达到水流从出水口流出即达到所需温度的效果。使用了基于碳纤维电热元件的回旋式加热结构，首先提高了水对电热元件热辐射的吸收率，从而使得热水过程更为高效节能，其次回旋式结构充分缩小了电热水器总体的质量和体积，提高了电热水器的使用寿命。使用了伸缩杆和卡口相结合，达到了可以非常简便的拆卸、安装及携带的效果。
获奖情况及鉴定结果
- 我校第九届“奋进杯”课外科技学术作品竞赛二等奖 第十二届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛上海市选拔赛二等奖
作品所处阶段
- 实验室中试成功，小型模型已经完成。将要往工厂生产试用
技术转让方式
- 使用说明书、说明书附图、权利要求书，使用环境说明及使用注意事项、产品主要技术指标
作品可展示的形式
- 模型 图纸 现场演示 图片 录像 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势：本设计打破了电热水器采用金属电热元件嵌入式加热的常规做法，利用碳纤维电热元件，回旋式加热结构，电热元件的反应速度更快，红外辐射热传递更为高效，合理的水流管道设计使水流受热均匀，能耗降低50%以上，重量降低了40%，体积减小了60%，加之安装过程简单的伸缩杆设计和卡口设计，使本设计能方便用户携带与安装，满足不同环境的需要。其技术及实用性均优于现有的电热水器。适应范围：本产品拆装方便，体积和质量更小，基本满足日常室内对非饮用热水的使用。随着本产品的进一步改进，引入对水质的改善，最终可以完全替代现有电热水器产品并拓展到野外等本来无法使用电热水器的领域。市场预测与经济学分析：（1）我国电力资源紧缺，如果推广使用我们的产品，热转化效率提高17%必将大大缓解电力严重紧缺的现状。（2）便携式即热水器需求空间巨大，便携式电热水器的增长速度却在近年以来得到了迅猛的发展。增长速度超过了40％之多，本设计在能耗、效率、使用寿命、环保方面的优势必将得到市场的青睐。
同类课题研究水平概述
- 便携式热水器作为一种新型的热水器，受使用环境和产品技术的影响，近年来正处于迅猛发展之中。市场在局部地区开始启动，增长速度快速提升。 现在，便携式热水器行业中一些比较优秀的品牌，向市场中推出了技术较为成熟的洗涤用洗澡用即热式产品，但是更多的则是一些技术还不是很成熟、有待于市场检验的产品。虽然一些品牌以高利润赢得了一部分代理商的青睐，但随着产品质量问题的出现，这种积极性就会再度被打消，市场的启动周期依然会较长。表象的启动也很有可能会嘎然而止。质量和服务是产品的生命线，好多生产和销售企业已经认识到这一点，低成本化、低耗电率以及高使用周期将是便携式电热水器发展的必由之路。 就我们国内的一些相关研究来看，如专利号CN200610045899.4中的设计，一种用碳纤维复合材料加热体制作的节能、环保智能型电热水器，其自来水管下端连接盘与管状碳纤维复合材料加热体上端连接盘用内接螺母螺旋式镶嵌连接，专用水管两端连接盘中间位置各设置有十字横杆，将外包裹导热耐温绝缘防潮防水保护层的碳纤维复合材料束丝组合状加热体两端分别固定在两个十字横杆上，直流正负极电源线一端沿连接盘上预留的凹型进线槽达专用水管内与碳纤维复合材料束丝组合状加热体接线柱连接，专用水管下端连接盘与交流电源开关式水管拉杆阀门用内接螺母螺旋式镶嵌连接，直流电源与温控器相连接，温控器与变电器连接，变电器与交流电源开关相连接。其虽然利用了碳纤维电热元件本身特性达到了节能环保的特性，但盘与管状的结构不能良好的利用碳纤维电热元件的红外辐射，未能将碳纤维的特效最大化。并且仍旧采用了传统的电热元件嵌入式，导致装置的体积与质量都无法降低，加热效率不足，安装过程繁琐，普通情况下无法任意携带。 就国外的一些相关研究来看，如专利号JP 2000311768 (A)中的设计，包括一个框架和基础组件。基础组件包括：碳纤维电热棒，多元化流体管路；运行过程中，碳纤维制成的加热管分布在长管外壳的四周和中心，通过多元化管路流体水流流经常驻的大型加热器和周围平面体，产生热水或水蒸气以供使用。其加热效率虽高，但是其使用了大量的碳纤维电热棒导致能量消耗极大，而且其装置具有非常大的体积及质量，无法所以安装拆卸与移动，仍然无法满足市场对电热水器的需求。
