杜瓦胆式节能饮水机的研究.doc

co001 徐 元杜瓦胆式节能饮水机研究摘要：由于饮水机的保温问题没有得到很好的解决，热胆内的水反复加热，浪费了大量电能，在我们这个能源贫乏的泱泱大国，一年中在这个方面浪费的电能是惊人的。以加热、保温升水为例，在不关机的状态下，功率为千瓦的传统家用饮水机日均耗电度，这其中大约有以上的能源是因为其“烧烧停停”的工作原理浪费掉的。杜瓦瓶从热传导的三个方面阻碍了热传导的进行，将杜瓦瓶置入饮水机达到了良好的保温节能效果。加热和保温分在不同的空间进行，阻断了冷热水的混合，更有利于健康。取消了温控器，保证了饮用水能真正加热达到沸腾。沸腾后的水送往保温瓶采用了翻水锅炉的原理。水位浮头给光敏控制电路提供控制信号。控制电路采用了简单易行的单片机（微处理器），能保证饮水机正常工作。杜瓦胆式节能饮水机主要由三个部分组成：压力式热胆、杜瓦保温胆、微处理器光控电路。杜瓦胆式节能饮水机有广泛的市场前景，将给饮水机的制造带来一场革命性的变化。关键词：节能、健康、安全杜瓦胆式节能饮水机的研究1 该项目的选题是怎样确定的：前段时间不同的饮水机生产厂家在有胆和无胆饮水机的推出中争得沸沸扬扬，主要焦点在于怎样解决“节能”和“千滚水”的问题上。有人说千滚水有毒，听起来有点耸人听闻，但既便没有毒，经过反复烧沸的水对人体的健康是不利的。中国人有喝茶的传统习俗，饮水机在中国有很大的市场，由于饮水机的保温问题没有得到很好的解决，热胆内的水反复烧，浪费了大量电能，在我们这个能原贫乏的泱泱大国在这方面浪费的电能是相当惊人的。以加热、保温升水为例，在不关机的状态下，功率为千瓦的传统家用饮水机日均耗电度，这其中大约有以上的能源是因为其“烧烧停停”的工作原理浪费掉的。我国有近14亿人口，城镇居民（以20计算）有近3亿，就是1亿个家庭，一个家庭一台饮水机，以1升水计，一天就消耗1.8亿度电，90电能用在了保温上，也就是说每天浪费1.62亿度电。其实一个家庭远不止饮用一升水，这个帐真是不算不知道一算吓一跳。如果我们能对现有的饮水机加以改造，让这1.62亿度电不白白的浪费，一年就可以节约591.3亿度电用于国家建设。这相当于2005年三峡电站全年的发电量（2005年三峡电站全年发电量为640亿度电），所以我们这项研究利国利民，前途光明。饮水机可以说是家庭里的一只电老虎，如果我们在这个方面动动脑筋，下下功夫，就能对节能这项伟大事业做出我们中学生的一点贡献。2 设计该项目的目的和基本思路目前市面上饮水机以热胆式为主，我们认为热胆式主要有这么几个缺点：通断电用了双金属片温控或者ptc半导体温控，这两种温控实际上都没有让饮用水真正加热到沸点，一般7080就断电了。而我们认为加热饮用水最好的方法是将水加热至沸腾后再继续烧12分钟为宜，这是传统饮水机做不到的。再者，由于烧烧停停以达到保温的目的，不但耗费了大量电能，还造成了千滚水的产生，不利于健康。我们的研究将从这两个方面入手对传统的饮水机进行革新。在加热和保温上我们采用两个贮水胆分开来实现，加热胆不采用传统的温控器，而把加热胆做成了能承受一定压力的准密闭容器，当水沸腾后密闭容器中压强增大，通过导流管把沸水压往保温胆。通断电是通过显示液面高度的浮头来控制，这样可以保证饮用水是被加热到了沸腾。而保温胆是用杜瓦瓶做成的，杜瓦瓶是我们传统用来做温水瓶的装置，沸水装入杜瓦瓶在正常情况下12小时后水仍然能保持在60左右，完全能够保证我们饮水和饮茶的需要。这样的饮水机我们给它取名叫“杜瓦胆式节能饮水机”。杜瓦胆式节能饮水机主要由三个部分组成：压力式加热胆、杜瓦式保温胆、微处理器光控电路。 压力式加热胆：压力式加热胆是在原饮水机使用的普通热胆上进行的改造。普通热胆上安装有温控器、进水管、出水管、均压管和排污管，我们保留有普通热胆的出水管，但在热胆内装入了伸向热胆底部的导流管从出水管引出，烧沸后的饮用水将从这里压向保温胆。普通热胆的原进水管和均压管连接中间加上水位显示窗口，内部装入水位浮头，以显不热胆内水位，给控制电路提供信号。原来的排污管做成了进水管，进水管由电磁阀与贮水桶中的“生水”隔离，消除了放开水的同时冷水也混入的现象。然后在热胆的顶部开了一个微孔，作为均压出口，以保证水在没有沸腾时热胆内是大气压强。水沸腾后热胆内压强增大将水压往保温胆。取消了原热胆的温控器，保证了饮用水真正能加热到沸腾。 杜瓦式保温胆：保温胆采用了市面上现有的2.5磅保温瓶胆，用软胶塞封闭瓶口，在软胶塞上分别插上了进水管、开水出水管、均压管和水位显示管。水位显示管中的浮头可以显示保温胆中的水位，并给控制电路提供控制信号。所有连接管都是我们用玻璃管和乳胶管自制，环保卫生。 微处理器光控电路：微处理器我们用89c2051芯片，用三对红外发射、接收管作感应元件，分别装套在加热胆水位显示窗口的上下和保温胆水位显示窗口的下端，水位浮头的位置就可以给感应元件提供控制信号。芯片终端控制一个电磁阀和一个电加热器。工作原理是，当加热胆水位浮头在最底水位时微处理让电磁阀打开给加热胆进水。当加热胆水位浮头上升规定高度时微处理让电磁阀关闭。这时如果保温胆水位浮头处于最底位置微处理器让电加热器工作，加热胆中的水加热到沸腾直到开水全部压入保温胆，加热胆水位浮头处于最底，微处理器关闭电加热器，同时再次打开进水电磁阀。否则处于待机状态。图1为两个水位窗口光控装置示意图：l1l2l3加热胆水位窗口保温胆水位窗口图1图2为控制电路工作程序流程图：打开加热器开始打开电磁阀l1无光照关阀电磁阀l3有光照l2无光照关闭加热器图2图3为光控电路图：12vjj12374520101514r11kr210kr31kr41kr515kr715kr610kr810k4n254n25c8050c80506mh30p30pat89c2051图33 设计简图： 图4为杜瓦式节能饮水机结构简图：饮水桶限流阀电磁阀均压微孔加热控制浮头进水控制浮头压力加热胆冷水管口热水管口保温胆图4接通电源，电磁阀开启状态，饮水桶中的水注入加热胆，进水控制浮头上升，浮头上升的位置给控制电路一个信号，电磁阀关闭。这时加热控制浮头处于最低位置，电路给加热胆中的加热器供电。当加热胆中的水沸腾，加热胆中的压强增大，沸水被压入保温胆贮存备用。进水控制浮头下降，达到一定水位，电热器被控制电路断开，电磁阀再次打开进水，进满水备用，但这时加热控制浮头现在处于高水位，加热胆中的加热器仍没有供电，加热胆中的水不被加热。一直到保温胆中的水被饮用，加热控制浮头降低到一定水位时，才会再次让加热胆中电热器的电而加热。由于保温胆采用了杜瓦瓶，水温可以保持10小时温度都不会很低，泡茶，饮用都可以。保温胆中的水如果不饮用，即使是水温降到常温加热器也不会工作。这样既避免了水的反复加热，也能在很长时间内有能满足我们需要的热水饮用和泡茶，同时大大的节约了用电。当然，现在的这个设计还存在一个小问题，那就是如果长时间没有用水，保温胆中的水温就会慢慢降低，此时如果需要更高温度的水，那就需要将保温胆中的先水放出来，才能够加热新的水。这可能是这个方案中唯一美中不足的地方，我们也曾经针对这个问题考虑过几种解决方案。然而，新的解决方案总是与原方案的初衷相背，解决了随时加热的问题，就不能达到节能和避免反复加热的目的。最后经过再三权衡，我们还是选择坚持原方案，保留了这个小问题。因为我们经过分析，认为这个小问题其实是可以接受的，原因有二，其一：由于保温胆采用了杜瓦瓶，水温可以保持10小时左右，已经可以基本满足当天的使用；其二：保温胆容量很小，即便过了很长时间而导致水温下降，也不会造成浪费，我们既可以将冷开水用于饮用，也可以用来洗茶杯或其他用途。这与我们用水瓶来保温开水水温下降之后采取的办法是一样的。在以后的改进方案中，我们会在保温胆中加入热敏元件，在饮水机上增加开水的水温提示，便于使用。由于我们的控制电路采用的微处理器还可以扩展很多功能，我们可以在保温胆中加上一个热敏元件感应保温胆中的水温，用五个发光二极管分段反映保温胆中为100、90、80、70、60的水温。这样就不会因为不知道保温胆的水温而发愁了。因此，我们认为这是一个非常有前景的