鍋爐熨斗補水研究

黃志強

（廈門芯陽科技股份有限公司，福建 廈門 361100）

1 鍋爐熨斗一般設計需求

設計任何產(chǎn)品首先要考慮的是滿足消費者的需求，給消費者帶來便利，鍋爐熨斗也不例外。鍋爐熨斗可以持續(xù)不斷地出一定量的熱蒸汽，同時也可以產(chǎn)生短暫的強力蒸汽，適合熨燙比較厚的衣物。鍋爐熨斗要求能持續(xù)不斷地出熱蒸汽，使用過程中蒸汽不能中斷，這就對鍋爐的補水控制有很高的要求。確保鍋爐內(nèi)部有一定的水量，不能干燒；在補水時不能使鍋爐內(nèi)溫度降低太多而使蒸汽中斷；不能補水太多，避免在釋放蒸汽時鍋爐內(nèi)水因沸騰而直接噴出。當蒸汽開關打開控制出蒸汽時不可以有水滴出來，要求鍋爐溫度和熨斗本體溫度低時，按出蒸汽開關時也不能打開電磁閥釋放蒸汽。

2 鍋爐熨斗規(guī)格

常規(guī)的鍋爐熨斗的鍋爐加熱管功率2000W，用于加熱鍋爐，使鍋爐達到一定的溫度；鍋爐總容積700mL，可以形成相當量的飽和蒸汽；交流水泵45W，每分鐘抽水量240mL，用于從水箱里把水泵到鍋爐內(nèi)；交流電磁閥12W，當需要出蒸汽時，通過檢測出蒸汽開關，在鍋爐蒸汽達到特定要求時控制電磁閥，打開出蒸汽管道；熨斗部分功率900W，作為熨燙面料的部件，當出蒸汽時可以對蒸汽進行二次加熱。

3 鍋爐熨斗產(chǎn)生蒸汽過程

鍋爐熨斗產(chǎn)生蒸汽過程圖如圖1 所示。開始使用前在鍋爐熨斗的水箱①中加入適量水；熨斗通上電后，根據(jù)需要抽水泵②將水箱①中的水抽到鍋爐③內(nèi)；鍋爐進行加熱，使鍋爐內(nèi)部產(chǎn)生一定溫度和壓力的飽和蒸汽；用戶進行熨燙過程中需要出蒸汽時，通過熨斗本體⑤上的控制開關，控制電磁閥④打開鍋爐出蒸汽的通道，蒸汽輸出到熨斗本體⑤進行二次加熱；最終產(chǎn)生高溫蒸汽⑥，達到對衣物快速去皺的效果。

圖1 鍋爐熨斗產(chǎn)生蒸汽過程圖

4 主要硬件電路

鍋爐熨斗控制板的電源部分電路圖如圖2 所示。電源芯片采用必易KP3110，該芯片是一款非隔離型、高集成度、低成本的PWM 功率開關，此電路可提供5V 大于150mA 的電源。電路中TVR1 壓敏電阻用于浪涌干擾吸收，防止大的浪涌干擾損壞電子器件。R1 作用類似TVR1，但R1 是分擔電源電路及后端所串接的電子器件的干擾。D2、D3 這2 個二極管串接的目的是當反向打高壓脈沖測試時，因二極管單個耐壓只有1000V，串接2 個可以降低反向擊穿可能性，避免KP3110 反電擊損傷。E1、L1、E2 組成π型濾波電路，對經(jīng)過D2、D3 二極管整流后的市電進行濾波。R6 電阻用于調(diào)整最大輸出負載電流。L2 為buck 電路儲能電感，在KP3110 內(nèi)部開關導通時間內(nèi)L2 進行儲能，L2 電感電流增加，并對E3 電容供電；當KP3110 內(nèi)部開關關斷時L2 及D4 持續(xù)對E3 供電。在L2、D4 對E3 供電的同時，L2 和D1 組成的電路也同步對C1 進行供電。C1為KP3110 提供工作電源，同時也是KP3110 穩(wěn)定電壓的電壓基準。當C1 電壓高于5V 時，KP3110 內(nèi)部開關導通一定時間后關斷一定時間，并持續(xù)開通及關斷；當C1 電壓達到5V 時，KP3110 關斷后就不再導通，直到電壓降低到5V 以下再重新導通，進而達到穩(wěn)定電壓輸出。

圖2 電源電路圖

水泵驅動電路如圖3 所示。水泵一端接L 線，一端接到電路中的PUMP。采用單相可控硅SCR1 驅動交流水泵。交流水泵本身內(nèi)帶二極管，實際的作用只用電源的正半周，因此可以采用單相可控硅來驅動。R41 用于給可控硅的驅動偏置，使可控硅在剛上電或沒有驅動信號時驅動腳為穩(wěn)定的低電平，避免水泵誤動作。R39 接到MCU 的水泵驅動IO 口。單相可控硅一般驅動電流只要兩200 μA 左右就可以導通，比較容易受到干擾，預留C10 作為抗干擾器件。D7 二極管用于加強可控硅的反向耐壓，MCR100-8 的可控硅反向耐壓為400 V，增加D7 整流二極管可以大大提升可控硅的反向耐壓。C7 電容和R38 電阻為預留對策EMC 器件。

電磁閥的驅動電路如圖4 所示，電磁閥為交流電磁閥，一端接L，一端接電路中VALVE。采用雙向可控硅Q3 驅動，R11 為偏置電阻，C13 為預留抗干擾電容，功能如圖3 中的R41 和C10。R14 連接到MCU 的IO 口，用于驅動雙向可控硅。電磁閥功率只有12 W，流過電磁閥的電流只有55 mA左右。一般雙向可控硅的工作象限在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，對驅動電流要求會比較低，導通壓降也比較小。但考慮成本因素（采用低成本的非隔離電源架構），該設計可控硅工作在Ⅰ、Ⅳ象限，雖然用到第Ⅳ象限，但因驅動的負載功率足夠小，Ⅳ象限的設計并不會產(chǎn)生問題。

圖3 水泵驅動電路

圖4 電磁閥驅動電路

繼電器驅動電路如圖5 所示，采用繼電器控制加熱管進行加熱，加熱管一端接OUT1，一端接N 線。鍋爐加熱和熨斗本體加熱都采用繼電器控制，繼電器用5 V 電源供電，MCU 的驅動信號通過R13 電阻再經(jīng)過Q2 三極管進行放大來驅動繼電器，MCU 輸出高電平時三極管進入飽和導通狀態(tài)，繼電器觸點吸合，加熱管通電加熱。當MCU 輸出低電平時三極管截止，繼電器觸點斷開，加熱管斷電不加熱。D5 為開關二極管，用于在繼電器驅動斷開時進行續(xù)流，使繼電器線圈的電流不會對驅動三極管產(chǎn)生沖擊。開關二極管的反向恢復時間非常快，在4 ns 左右，而普通整流二極管的反向恢復時間為微秒級，使用開關二極管比普通整流二極管的吸收沖擊電流效果要好很多。在繼電器的觸點輸出端增加了觸點異常的檢測電路，由R2、R8、R12 構成。當繼電器吸合時，市電電壓經(jīng)過電阻分壓再輸入MCU 的IO 口，雖然分壓比大約為1/10，理論電壓峰值為220×1.414×100/（100+470+470），大約30 V，因MCU 的IO 內(nèi)部有保護二極管（對地和對電源的2 個二極管），30 V 的小電流信號到IO 會被鉗位到0 V 和5 V 左右，實際到IO 口就是接近方波信號。即當繼電器正常吸合時，MCU 可以檢測到方波信號，繼電器斷開時，MCU檢測到持續(xù)的低電平信號。如果繼電器吸合時未檢測到方波信號，說明繼電器異常或檢測電路異常；如果繼電器斷開時檢測到方波信號，說明繼電器觸點未能正常斷開，在這種情況下需要進行異常報警提示。

圖5 繼電器驅動電路

NTC 測溫電路（NTC 為負溫度系數(shù)熱敏電阻）如圖6 所示。NTC 組件接到CN23 接線端子上，用于檢測鍋爐溫度。NTC 與電阻串聯(lián)接在5 V 和GND 之間，通過R75 電阻C1 電容濾波后接到MCU 的AD 口進行電壓檢測。軟件換算出阻值，并根據(jù)NTC 的RT 表對應到相應溫度，NTC 安裝在鍋爐的底部。

圖6 NTC 測溫電路

5 關于蒸汽、壓力、溫度、能量的關系

5.1 水加熱到沸點所需的熱量

假設1 g 的常溫水初始溫度為25 ℃，加熱到沸點100℃，則所需要的熱量為（100-25）×4.2=315 J。

5.2 水汽化所需的熱量

水的汽化熱為40.8 kJ/mol。

質(zhì)量=摩爾質(zhì)量×物質(zhì)的量。

水的摩爾質(zhì)量約為18 g/mol，1 mol 水質(zhì)量為18 g。

1 g 水汽化所需的熱量為40.8×1 000/18=2 267 J。

5.3 飽和蒸汽壓力與溫度關系

摩爾量=物質(zhì)的質(zhì)量/物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，水蒸汽為18。

PV=nRT=>n/V=P/RT，其中n為摩爾量，R 為常數(shù)，n/V代表密度。

則水蒸汽的密度與壓力成正比，與溫度成反比[1]，見表1。

表1 飽和蒸汽溫度密度絕對壓力關系表

飽和蒸汽的溫度密度壓力關系圖如圖7 所示。當控制溫到在140 ℃時，瞬間釋放蒸汽的蒸汽量為（1.967-0.6）×700×2/3/1000=0.638 g。1.967 為140 ℃時鍋爐內(nèi)部的飽和蒸汽密度（單位kg/m3），0.6 為標準大氣壓下的飽和蒸汽密度（單位kg/m3），700 為鍋爐容量（單位為mL），2/3 是以鍋爐內(nèi)水位為1/3 時鍋爐內(nèi)的蒸汽占比，除1000 為單位換算。

圖7 飽和蒸汽溫度密度絕對壓力曲線

控制140 ℃飽壓后釋放蒸汽可釋放的蒸汽量為0.638 g。

5.4 連續(xù)出蒸汽時的平衡補水點

水泵一秒可以抽水4 g，鍋爐功率2 000 W，先計算水泵補水一秒需要加熱多久形成蒸汽：[4×（100-25）×4.2+4×2 267]/2 000=5.164 s

（100-25）為常溫水加熱到沸點的溫度差，4.2 為水的比熱容，2 267 為為水的汽化熱，也就是水泵抽一秒有4 g 的水到鍋爐里面，鍋爐以2 000 W 的功率連續(xù)加熱5.164 s 可以把所有4 g 的水全部加熱成水蒸汽[2]。因鍋爐的熱量并不是全部傳導到水里，還有一部分會散到環(huán)境中，因此實際所需加熱的時間要比5.164 s 長一些。

5.5 維持沸點功率水量平衡點

設水泵一秒可以抽水X，g，鍋爐功率Y，W，計算使水保持沸點時X和Y的關系。同樣以常溫25 ℃水進行計算。Y=X×（100-25）×4.2=315×X。當X=4 g 時，Y=1 260 W，也即當鍋爐功率如果是2 000 W，水泵流量為4 g/s 時。連續(xù)加熱時，水泵連續(xù)抽水，鍋爐內(nèi)部的水可以一直保持沸騰狀態(tài)。但如果鍋爐功率小于1 260 W 時，連續(xù)的補水會使水溫降低，進而中斷蒸汽的輸出。當Y=2 000 W 時，X=6.35 g，也即當鍋爐功率為2 000 W 時，水泵流量大于6.35 g/s 時就會使蒸汽中斷。當鍋爐功率夠大，水泵流量不會太大時，連續(xù)的抽水雖然不造成鍋爐內(nèi)的水溫下降，但鍋爐內(nèi)的水位會快速上升，使鍋爐內(nèi)的氣體空間減少，水沸騰時可能會有水直接沖到電磁閥出蒸汽口，導致熱水噴出。

6 補水方案

實際的補水方案有很多關聯(lián)因素無法完全用理論計算出來，例如各部件的個體差異，包括水泵流量、鍋爐功率、結構等，入水溫度的不確定，電網(wǎng)電壓波動，出氣管阻力不同等。因此如果只是按理論結果并按固定方式進行補水的話，很有可能會導致水量越來越少或越來越多。

目前有幾種針對鍋爐熨斗的控制方案，有的帶水位檢測探針，以控制最高水位，有的用NTC 來檢測溫度進而反應出蒸汽量。

6.1 有探針的鍋爐補水方案

針對有探針的鍋爐熨斗，初始冷態(tài)的補水可以在預熱時直接補水，直到到達水位探針位置。

鍋爐如果有探針，可以通過探針對水位進行檢測。但探針檢測在出蒸汽狀態(tài)下會受蒸汽影響而誤測為水位到達，這就需要等到鍋爐內(nèi)蒸汽量較小時再檢測，也即此時的鍋爐內(nèi)水基本燒干，如果沒有及時補水就會有干燒的問題。

該文針對有探針鍋爐熨斗的補水方案如下：在出蒸汽狀態(tài)下，當檢測有水時，以每10 s 補水1 s（補水量小于平衡點），這樣水位將會降低。當探針檢測不到水時，出蒸汽狀態(tài)下每5 s 補水1 s（補水量略大于平衡點），這樣水位將會緩慢增加。當不出蒸汽時，如果檢測有水則不補水，如果檢測無水則按5 s 補1 s 的補水方式補8 個周期。這樣的補水方式可以確保鍋爐內(nèi)的水位不會有大的變化，可以使出蒸汽比較平順。

6.2 帶NTC 的鍋爐熨斗補水方案

對無探針帶NTC 的鍋爐熨斗，當熨斗處于冷態(tài)時，熨斗采用預加熱的方式，通過NTC 的溫升速度可以預估鍋爐內(nèi)的水量，如果預估水量小于1/3，則按預估的水量再補水到約1/3。并一直加熱到NTC 檢測到溫度到140 ℃，關閉加熱并且電磁閥可以受出蒸汽開關控制進行蒸汽釋放。

關于蒸汽量的估算，按實際的測試可以擬合一個溫度與水量的關系式，即M=（A-T0×B）/△T-C。其中M為水量，T0為當前溫度，△T為溫升速度，A、B、C 為常數(shù)。A 為和鍋爐功率相關的常數(shù)，B 為鍋爐的散熱系數(shù)，C 為鍋爐本身比熱相關的常數(shù)。通過幾個不同水量的溫升速度測試就可以確定A、B、C 這3 個常數(shù)，進而建立水量計算公式。

從公式n/V=P/RT來看，當連續(xù)出蒸汽時壓力P基本恒定，鍋爐內(nèi)的溫度和蒸汽量成反比。補水的節(jié)奏可以根據(jù)溫度進行調(diào)整，當溫度高時，加快補水節(jié)奏。溫度小于120 ℃時補水以15 s 補1 s 的方式進行，溫度為120 ℃～130 ℃時以10 s 補1 s 的方式補水，溫度為130 ℃以上時以5 s 補1 s的方式補水[3]。

當不出蒸汽時，如果壓力開關動作（用于保證鍋爐內(nèi)的壓力不會過高，壓力開關直接串接在鍋爐加熱體，動作時可以斷開加熱），說明壓力達到了一定的值。此時溫度與蒸汽量成反比。溫度高說明鍋爐內(nèi)的蒸汽量比較少，蒸汽未到飽和，鍋爐內(nèi)無液態(tài)水，此時可以進行補水。如果鍋爐內(nèi)完成沒水，有可能無法形成壓力，因此在檢測到比較高的溫度時要關掉鍋爐加熱。

7 總結

該文介紹了鍋爐熨斗的蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)、電源供電電路和主要部件的控制驅動硬件電路。從理論基礎出發(fā)，研究了鍋爐溫度與蒸汽壓力的關系、鍋爐溫度與蒸汽儲量的關系、加熱功率與水汽化量的關系。針對帶鍋爐溫度傳感器檢測和鍋爐水位探針檢測水位這2 種不同設計方案，分別給出了對應的加熱及水泵補水控制方法。該控制方法具有普遍適用性，對進行鍋爐熨斗控制的軟件設計有指導性作用，包括軟件控制架構，參數(shù)的設定方法等。另外也可以給類似的產(chǎn)品如咖啡機、蒸汽烤箱等產(chǎn)品提供借鑒。該文的方法通過簡單的控制邏輯達到了較好的蒸汽產(chǎn)生效果，當然如果要達到更高的要求，如保持鍋爐內(nèi)溫度水量精準可控，還需要進一步的深入研究。可以對整個熨斗系統(tǒng)建立完整的數(shù)字模型，通過測量參數(shù)與數(shù)字模型比對修正，實時了解整個系統(tǒng)狀態(tài)，達到更高的控制要求。