基本信息
- 项目名称：
- 螺旋式发热片速热型防辐射电磁热水器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 作品运用了物理学、流体力学、传热学等方面的知识，在现有热水器的基础上，对其结构与技术上的改良，利用螺旋形发热片，增大水的受热面积，促进流体处于湍流状态，强化对流换热，整体上形成 “水包热”和“热包水”加热效果。作品采用水电分离加热，解决了漏电的问题；利用涡流效应加热水，对水磁化，避免水垢产生，并且具有分解钙质、抗菌消炎等作用；没有预热时的热量散失，及储水式热水器剩余热水的浪费现象，更加环保节能。
- 详细介绍：
- 引言： 通过对当前热水器的调查，发现占主导地位的是燃气热水器和电热水器。燃气热水器虽然容易取得供热源，但使用过程中会排出的废气和毒气，具有污染环境、损害人体健康、热效率低等缺点，特别是这个假期身边有名同学在家煤气中毒死亡，让我不得不深思其安全性。电热水器种类可分为储水式和即热式，储水式热水器的体积比较大，有水量限制，在使用前需要预热20到30分钟，并且存在散热损失；即热式热水器，依旧是电阻式加热，加大其功率，并在出水口采取再加热的方式，由传统的“水包热”变成了“热包水”，虽有所改进但仍旧需要几分钟的预热时间。这些问题一来受到当前家庭居住面积制约，二来也与追求效率的时代时间观相左，正是电阻热水器市场发展缓慢的关键。所以探讨和研究电磁热水器的性能和优缺点显得尤为重要。 优势 本作品是由交变电流产生的感应电动势作用在电阻率很小金属材料中，会使整块金属内部激起强大的涡电流，进而放出焦耳热。螺旋形的发热片设计可以增大水流通过时的受热面积，强化对流换热，整个布局就形成了“水包热”和“热包水”两种加热模式。并使得水流通过的路径由直线改为曲线，增加总的路程，延长加热时间，使其被充分加热，也可以改变水流截面积，使流速得以控制，进而找到使对流换热系数h达到一个最大值的平衡点。考虑到电磁辐射作为人为电磁波污染的一种和对人体、环境、设备都会产生影响，设计中在降温层的外围加上了屏蔽体并同时将屏蔽体接地来解决交变电场和高频磁场所带来的不良后果，最后在外壳内侧涂上以铁氧体为主的磁介质吸波剂，从而解决电磁辐射的问题，用户可以放心使用。 相关设计 ①传统热水器采用的是在内胆中进行电阻式加热，由于内胆的保温功能并不能达到理想的绝热状态，所以此方式必然会有一部分热量损失，而设计作品的加热方式是遵循电能—磁能—热能的转换模式，加热的水直接就被使用，速热型电磁热水器因不用提前预热，也就没有预热时的热量散失，也没有储水式热水器多加热的未用的剩余热水的浪费，以短时间加热流水，从而真正做到了节省。经过计算可知它比传统的储水式热水器节省30%-50%左右的电能，从这一点，更加显示了其优势。 ②据了解对于热水器厂商给定的保修年限中，维修的主要对象是加热管，内胆是热水器中原材料最贵的一个，也是最不容易维修的一个，一旦坏掉整个热水器是也就报废了。这种速热型是不同于储热型，省去了内胆中这一耗费最大的材料，降低了产品造价。 ③产品的初步设计尺寸是Φ100*200的大小，体积小巧，占用空间少，在极大程度上改善了家居布置的情况。用此种热水器时不用担心热水够不够用，也无须像储水式热水器那样不用时也要通电保持水温，这些优点是电阻热水器所达不到的。 ④运用单片基的知识可以到达智能化，使其具有自动记忆功能，下一次开启时会自动设置为用户上一次的使用温度，减少按键的使用次数，增加元件使用寿命，节约成本。 ⑤在选用热水器的时候人们关注的第一个要点就是安全，只有在保障安全的前提下才能放心的使用，电热水器普遍的加热过程是：水在加热体中流动，水电混合，一旦发热体漏电，水中即带有电流，造成危险。此设计采用了水电分离的非接触式加热，水和发热体之间有一定距离空间，这空气是绝对绝缘，产品根本涉及不到绝缘不绝缘的问题，更不会传到水中，所以是不存在漏电之后引发用户被电到的情况，这也是本设计最具优势的特征，使用很安全。 相信在不久的将来，热水器市场必将发展成以电磁热水器为主导的新局面，本作品涉及的技术改良和优势创新的特点也会被广泛的应用于新型的电磁热水器中去。
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
- 目的：使热水器实现节能、环保、安全、、速热、小型化的目的。 思路：强化对流换热，缩短加热时间，并增强热效率，减少电磁辐射危害。创新点及技术关键：①螺旋发热片通过涡流热效应放出焦耳热，使整体受热均匀，减少了热应力的产生。②此发热片设计可以增大水流通过时的受热面积，整个布局就形成了“水包热”和“热包水”两种加热模式。曲线路径增加了总的路程，延长加热时间。尺寸设计、位置布置、水流截面积等因素的综合整理找到使h达到一个最大值的平衡点。③此设备为电磁波污染的一种，设计中在导温层的外围加上了接地的屏蔽体，在外壳内侧涂上以铁氧体为主的磁介质吸波剂，从而解决电磁辐射的问题。 热水器中水吸收的热量:P1=CpMΔt/60 参考数据：水的设计体积流量为2.5L/min,热水器进出水温升为30℃,水的比热为4200J/kg℃,要求电磁涡流热水器的热效率为93%,由传热公式求得电磁涡流热水器热负荷为:Q=4200× 2.5× 30/60=5250W 所需的电功率为 Q=5250/93%=5645W 水的体积流量为 2.5L/min,水的质量流量为 2.5/60=0.042kg/s,进出水温差 20℃。水吸收的热量:P1=4200× 0.042× 20=3528J/s 测得电源电压 220V, 线圈中通过的电流为 17A,电磁涡流热水器的输入功率为:P=UI=220× 17=3740W 故电磁涡流热水器样机的热效率为: η=P1/P=3528/3740=94.33%
科学性、先进性
- ①传统热水器是在内胆中采用的电阻式加热方法，本作品的加热方式是利用涡流效应遵循电能—磁能—热能的转换模式，加热的水直接被使用，没有预热时的热量散失，也没有储水式热水器多加热的剩余热水的浪费，比传统的储水式热水器节省30%-50%左右的电能。同时，利用螺旋发热片的结构，强化了换热的效果，在等量的换热量下，降低了功率。 ②据了解，热水器维修的主要对象是加热管，内胆是热水器中原材料最贵﹑最不容易维修的，一旦坏掉整个热水器等同报废了。这种速热型是不同于储热型，省去了内胆中这一耗费最大的材料，降低了产品造价。 ③产品的初步设计尺寸是Φ100*200的大小，体积小巧，占用空间少，在极大程度上改善了家居布置的情况，同时用此种热水器时不用担心热水够不够用。 ⑤选用热水器时，只有在保障安全的前提下才能放心的购买使用，传统电热水器的加热过程，水电混合，一旦发热体漏电，水中即带有电流，造成危险。此设计采用了水电分离加热，避免了直接接触，所以不存在漏电引发危险的情况，确保了使用的安全。
获奖情况及鉴定结果
- 河北工业大学“挑战杯”评比获特等奖
作品所处阶段
- 设计计算阶段
技术转让方式
- 合作生产
作品可展示的形式
- 模型
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
- 打开电源开关，只需定好洗浴温度即可。 说明及分析与预测：加热原理来源于涡流热效应，是水电隔离加热方式，使用安全度高。螺旋式发热片增大对流换热系数和表面传热系数，减小加热时间和增大热功率，从而节省电量。它是微电脑智能控制的，在控制面板上只有三个按钮（开关、增加和减少温度），操作方便简单。加热同时对水进行磁化、软化，降低水的硬度，避免水垢的产生。 据国务院发展研究中心中国家电市场联合调研课题组的调查显示,目前我国城市居民家庭热水器拥有率为72%,尚未达到饱和状态.有45.8%的城市居民家庭未来3年内有购买热水器的意愿.目前我国城市家庭有1.5亿户,如果按照50%的购买率计算,对热水器的实际需求量就达7500万台,平均每年的最低需求维持在1000万台左右。所以整个热水器的市场空间是具有很大潜力的。而该作品在设计和使用上都优于现有的同类产品，一旦开发成功，其销售市场是可想而知的。整个产品的成本预计是在1000元到1500元之间。
同类课题研究水平概述
- 通过在中国知网上的查询了解到，电磁热水器的开发与研究主要集中在微电脑控制及电路这两项，市面上也有不少电磁热水器的产品。关于加强水与发热片之间的热量交换和防止家电电磁辐射的方向还接近于空白。在针对如何到达速热的问题，不仅仅是高功率能解决的，对于处理电磁辐射的积累效应，也是需要重视的。电磁加热原理各个厂家都懂，简单的运用也都会，尽管其附加功能每年推陈出新，但是同一类型产品如何在市场上取得领先地位注重的就是其核心技术，对电磁热水器的开发依旧是任重而道远。
