變容雙內膽與即熱式電熱水器的節能原理及制造工藝

詹建新

（廣東威博電器有限公司 廣東佛山 528303）

1 引言

目前，在我國熱水器主要有四種：一是太陽能熱水器，缺點是受地域、氣候、建筑層次等因素的制約較大，如果，產品安裝與使用地點距離較遠則會造成水資源的大量浪費；第二是燃氣熱水器，但它存在安全隱患，且受水壓的影響較大；第三是壓縮式熱泵熱水器，但它的系統較復雜，且一次性投資費用較高；第四是電熱水器，隨著我國電網供電能力不斷的加強，越來越多的家庭更愿意選用電熱水器作為家庭生活用熱水的來源。

目前，一臺電熱水器的功率通常在2kW～3kW，耗能還是較高的，在當今提倡節能的大背景下，節能型的電熱水器更容易受消費者的歡迎。

我們平常所使用的電熱水器都是單內膽電熱水器，即只有一個內膽和一個發熱管，它的結構簡單，加工方便，價格也比較便宜，普通家用單內膽電熱水器的結構示意圖如圖1所示。

從結構圖上我們可以看出，發熱管相對整個內膽來說，所占空間比重比較小，這樣導致發熱影響的范圍較小，有些位置的水甚至無法加熱，單內膽電熱水器的使用缺陷還有：

(1)使用時需要較長時間的加熱時間才能達到預定溫度；

(2)在熱水的需求量很小的情況下，也要對整個電熱水器內膽里的水進行加熱，既不經濟也不實惠，造成不必要的浪費；

(3)在停止使用后，電熱水器內膽里還有較多的熱水，長時間停用就會自然冷卻，造成熱水浪費；

針對這一缺陷，企業在市場上推出即熱式電熱水器，其基本原理就是在一個較大的水龍頭里安裝一個電熱管，即時加熱流經水龍頭的水，為達到即時使用的要求，就必須加大其功率，一般超過7kW，電路負荷較大，需使用較粗的專用電線，普通家庭使用受到限制。

針對普通電熱水器以及即熱式電熱水器的這些缺陷，我們開發了兩款新型的節能型電熱水器，即變容雙內膽電熱水器與即熱式單內膽電熱水器，在此與大家分享。

2 變容雙內膽電熱水器

2.1 變容雙內膽電熱水器的結構

變容雙內膽電熱水器有兩個體積、形狀基本相同的內膽，內膽的材料一般由1.5～2.0mm的PHCC板經一系列工序制作而成，中間用兩個特制的連通管連接起來。每個內膽各有一個加熱器裝置。這種電熱水器的結構圖如圖2所示。

2.2 變容雙內膽電熱水器的結構特點

（1）進水管位于下內膽的最下部，出水管的進水口位于上內膽的最上部，這個結構特點是依據水在加熱后在對流作用下形成下層冷水上層熱水的原理；

（2）兩個內膽各有一個加熱器，即第一組加熱器（快速加熱器）和第二組加熱器（預加熱器），兩組加熱器分別通過電路控制單獨分開工作，互不干擾，并分別對不同內膽的水體加熱；

（3）兩個內膽各設有一個可感應熱水溫度的溫控管，分別控制第一加熱器與第二加熱器的電路通、斷；

（4）第一加熱器設置位于上內膽的上部且環繞在出水管入水口的周圍，為快速電加熱器，用于將流入出水管的水即時加熱到要求使用的溫度，起即時加熱的作用；第二加熱器為預加熱器，設置在下內膽下部，用于預加熱內膽中的水到一定溫度；

（5）在用第二組加熱器預加熱內膽中的水時，熱水在對流作用下通過連通管流向上內膽，同時上內膽的冷水也在對流作用下流向下內膽，這樣加熱后的水會自動充滿整個內膽。當兩個內膽里的水達到預定的溫度時，第二加熱器停止工作；

2.3 變容雙內膽電熱水器的節能原理

（1）使用者在使用時可以根據實際情況來使用電熱水器，在用水量較少時，可以只使用上面內膽的加熱器，下面內膽的加熱器停止使用，而在用水量較多的情況下，則同時使用兩個內膽的加熱器。

（2）在用水量較少時，只需要使用第一加熱器，第二加熱器停止使用，這樣就不需要加熱整個電熱水器內膽里的水，起節約用電的作用，也能節約熱水作用；

（3）即使兩組加熱器同時工作，此時由于上內膽的水受第二次加熱，使水溫遠遠高于下內膽的水，因此，在停止使用的后，由于上下內膽中水體溫度不同，也能減少熱水的浪費。

2.4 上下內膽的連通管焊接密封結構方案

上、下內膽采用兩個并排的、中空連通管連接，每個連通管又分成上下兩段，分別與上、下內膽的進出水端口焊接，兩段連通管之間再以法蘭形式互相焊接，兩段連通管內壁設有用于隔水的密封保護套，連通管之一具有翻邊法蘭的圓管，連通管之二為具有兩個不同直徑的圓管，連通管之二的大直徑管段內徑與連通管之一的翻邊法蘭外徑相配合，并將大直徑管段和翻邊法蘭密封焊接。

2.5 隔水密封的保護套結構方案

保護套分為兩段，每段采用的鋁板經模具沖裁、拉伸、成型等工序制成。保護套的一端呈環形波紋法蘭式，與連通管的法蘭貼合，保護套的另一端在穿過連通管內壁后被向外翻邊，貼在內膽的進出水端口內壁，邊了翻邊的方便，保護套的這一端預先沖裁了多個缺口，翻邊后成為花瓣狀。上下內膽的兩段保護套波紋法蘭被連通管的法蘭緊緊壓合，實現密封功能。采用鋁板作為密封保護套具有以下幾個方面的作用：

（1）鋁具有良好的塑性和壓合密封性；

（2）鋁的耐溫性能足以承受法蘭焊接產生的高溫；

（3）具有一定的陽極保護作用。

雙內膽連通管結構方案及保護套技術方案結構如圖3所示：

2.6 雙內膽所采用的焊接工藝

（1）內膽與連通管的焊接工藝：采用機械手自動環縫氬弧焊，并設計與制作了專用的工裝夾具，具有效率高、質量穩定的特點；

（2）氬弧焊清尖角去毛刺工藝：在連通管和內膽的焊接接口的內表面存在的尖角、毛刺、焊疤、焊渣等缺陷將導致搪瓷不良及影響保護套的裝配，創造性的采用氬弧焊電弧清除接口缺陷，光滑倒角，這一工藝具有效率高、質量好的特點。

（3）連通管和內膽接口部位補粉工藝：用現有的干粉搪瓷工藝在連通管和內膽接口部位的上粉搪瓷缺陷較多，采用二次補粉的工藝及裝備，使內膽搪瓷合格率達到設計要求。

（4）上下內膽焊接工藝：使用專用的上下膽連接管對接環縫工裝及二氧化碳焊接工藝設備，

有效的保證壓緊保護鋁套并焊接可靠。

3 即熱式單內膽電熱水器

即熱式單內膽電熱水器是在單內膽電熱水器與雙內膽電熱水器的基礎上進行改良而來的，它的結構設計方案綜合了上述兩種熱水器的優點，它是將兩套電加熱器安裝在一個內膽里，其中一套固定在內膽膽口，另一套固定在一個密封的出水套管內，出水套管通過螺絲緊固在內膽上，它的結構方案如圖4所示。

即熱式單內膽電熱水器的工作原理：

（1）密封套管內的發熱管加熱后，引起密封套管內的水體溫度上升；

（2）密封套管內的水體受熱后，經出水管5排出，并可以給使用者使用；

（3）冷水在對流作用下，經熱水導管4進入密封套管內進行補充。

我們通過對即熱式單內膽電熱水器的分析，可以得出以下結論：

（1）在熱水用量少或水溫要求不高時，只啟動密封套筒里的電加熱器，另一套電加熱器不用，此時的電熱水器是即開即用，剩余熱水的浪費很少。

（2）在熱水用量較多時，可以同時啟動兩套電加熱器，預先加熱整個內膽里的水，然后再打開出水開關，可以得到合適水溫的熱水。

（3）即使在熱水用量較多時，密封套筒里的水因為受到第二次加熱，因此熱水溫度比套筒外的熱水溫度要高很多，這樣即使不需要加熱整個內膽里的水至使用溫度，也能得到合適的熱水，這樣既省電也能減少熱水的浪費。

（4）該電熱水器無需設置專門的控制或轉換裝置，組件少，材料消耗少，加工簡單，安全可靠。

4 結論

雙內膽電熱水器與即熱式單內膽電熱水器是兩種具有方便和節能功效的新型電熱水器，通過對以上的描述，我們可以得出以下結論：

（1）雙內膽電熱水器

(a)采用變容加熱，即根據用水量的大小選擇性的加熱不同內膽中的熱水，既可以節約加熱時間，又可以減少剩余熱水的能量浪費，其節能效果明常明顯。

(b)采用雙內膽電熱水器的結構特點，進行智能化控制，解決上下膽的加熱控制技術，從而起到預約用水的效果。

（2）即熱式單內膽電熱水器

(a)是在原單內膽電熱水器的基礎上改良而來的；

(b)是一個功率稍大的速熱加熱器，在較小用水量下，直接啟動速熱功能，無須先預熱，基本沒有剩余的能量浪費，熱水利用率很高；

(c)在大量用水時，先將內膽中的水預熱至相對較低的保溫狀況，再通過速熱加熱器使水溫升高到適宜的溫度；

(d)由于密封套筒內水體溫度遠比套筒外水體溫度要高很多，因此可同時降低保溫熱量的損失和剩余熱水能量的損失。

[1] Rousseau P G，Greyvenstein G P. Enheancing the impact of heat pump water heaters in the South African commercial sector..Energy，2000，25:51～70

[2] GB/T20289-2006，儲水式電熱水器.2006

[3] 盧海南.一種二次加熱的電熱水器:

中國ZL982336357.7.1998

[4]歐永源. 一種分離式加熱的雙內膽電熱水器：中國，ZL200820042727.6.2008