CN109974286A - 一种即热型石墨烯膜加热及相变储能的高效电热水装置 - Google Patents

Abstract

一种即热型石墨烯膜加热及相变储能的高效电热水装置，包括：热水器外壳，相变蓄热室，相变蓄热材料，板式换热器，石墨烯加热膜，保温层，智能控制器，触摸显示屏，温度传感器，进水管，出水管及市电电源；热水器外壳上安装有触摸显示屏和智能控制器，热水器外壳与相变蓄热室之间有夹层，夹层内设置有保温层，保温层内填充保温材料，板式换热器位置于相变蓄热室的中部，相变蓄热室的空腔内填充相变蓄热材料；板式换热器的换热面装置有石墨烯发热膜并有导线引出相变蓄热室与智能控制器连接，板式换热器和石墨烯发热膜都浸没在相变蓄热材料中，相变蓄热室内有温度传感器并与智能控制器相连，实现相变蓄热材料的蓄热和放热的循环利用。

Description

一种即热型石墨烯膜加热及相变储能的高效电热水装置

技术领域

本发明涉及除味技术领域，具体涉及一种即热型石墨烯膜加热及相变储能的高效电热水装置。

背景技术

电热水器是指以电作为能源进行加热的热水器。是与燃气热水器、太阳能热水器相并列的三大热水器之一。电热水器按加热功率大小可分为 储水式(又称容积式或储热式)、即热式、速热式(又称半储水式)三种;储水式是电热水器的主要形式，按安装方式的不同，可进一步区分为立式、横式、落地式、槽下式，以及最新上市的与浴室柜一体设计的集成式。按承压与否，又可区分为敞开式(简易式)和封闭式(承压式)，按使用途，可分为家用和商用。按加热方式，可分为磁能、电阻丝、硅管等三种。电热水器经过十余年的发展，热水器的技术不断进步，行业分别有防电墙、防电闸、3D速热、变频增容等革新型产品出现，电热水器在安全、便捷、加热速度、出水量等方面不断改造，有一定的创新，但是电热水器是以电能转换成热能进行加热冷水，随着电热水储水式热水器由于器的普及，电热水的的耗能越来越受到人们重视。现有热水器主要存在以下问题：储水式热水器，一般体积较大，使用前需要预热，不能连续使用超出额定容量的水量，要是家庭人多，洗澡中途还得等，另外，洗完后没用完的热水会慢慢冷却，造成浪费，水温加热温度高，易结垢，污垢清理麻烦，不清又影响加热器寿命，由于水箱内残存剩余热水容易滋生病菌或有重金属污染，影响使用安全卫生。即热式热水器，一般功率比较大，线路要求高:一般功率都至少要求6KW以上，在冬天就是8KW的功率也难以保证有足够量的热水进行洗浴，这样对电路要求严格，容易出现过载烧坏电线造成事故。现有电热水器的加热管主要是电热丝加热源，电热丝加热是线性加热器件，易造成局部温度很高，影响加热管的使用寿命和降低加热效率。以上电热水器应用存在诸多问题亟待解决。

发明内容

为了电热水器的利用率，解决电热水器存在占用空间大，热能利用低，不节 能，同时也存在一定的用电隐患，不安全，而且常用的电热水器由于存在千滚水的问题，污 染严重等问题，本发明提供一种即热型石墨烯膜加热及相变储能的高效电热水装置。本发明为实 现其目的所采取的技术方案：一种即热型石墨烯膜加热及相变储能的高效电热水装置，包括：热水器外壳， 相变蓄热室，相变蓄热材料，板式换热器，石墨烯加热膜，保温层，智能控制器， 触摸显示屏，温度传感器，进水管，出水管及市电电源。高效电热水装置主体由热水器外壳，相变蓄热室，板式换热器及石墨烯发热膜构成，热水器外壳上安装有触摸显示屏和智能控制器，热水器外壳与相变蓄热室之间有夹层，夹层内设置有保温层，保温层内填充保温材料；相变蓄热室是一个封闭空间，相变蓄热室的底部和四周有定位螺栓，板式换热器位置于相变蓄热室的中部，由螺帽固定在螺栓上，相变蓄热室的空腔内填充相变蓄热材料；板式换热器的上下两端分别安装有进水管和出水管，进水管安装于板式换热器的下部，出水管安装于板式换热器的上部，板式换热器的两侧边有凸出部，凸出部上设置有定位孔，板式换热器的换热面装置有石墨烯发热膜，石墨烯发热膜的边角通过压条由螺栓固定在板式换热器的定位孔上，石墨烯发热膜有导线引出相变蓄热室，并连接在智能控制器的输出接线端子上，板式换热器和石墨烯发热膜都浸没在相变蓄热材料中，相变蓄热室内有温度传感器并与智能控制器相连，智能控制器获取相变蓄热室的温度信息和时间，确定对相变蓄热材料加热或放热，实现相变蓄热材料的蓄热和放热的循环利用。

相变蓄热材料的蓄热过程，其特征在于智能控制器有时钟设置，智能控制器设定石墨烯发热膜的制热时间，启动石墨烯发热膜向相变蓄热材料蓄热，石墨烯发热膜自动加热工作时间为22点至次日凌晨5点，主要利用谷电时间段对相变蓄热材料进行加热蓄能。

板式换热器内的冷水加热过程，其特征在于板式换热器的冷水由进水管从板式换热器的底部流入，经过板式换热器时由于冷水温度低于蓄热后的相变蓄热材料温度，相变蓄热材料释放热量加热冷水，使出水管流出恒定温度的热水，同时，智能控制器检测相变蓄热室内的温度，如果相变蓄热室内温度降低，相变蓄热材料存储的热能不足以维持热水的恒定温度，智能控制器启动石墨烯加热膜对热水进行辅助加热，直至出水管中流出恒定温度的热水。

所述的板式换热器，其特征在于板式换热器为铜质或不锈钢材质的波纹板，板式换热器的内部设置有挡流板，挡流板上设置有水流孔，水流孔的孔径为φ2-5mm，使热水均匀换热不偏流，板式换热器的厚度为8-10mm，板式换热器底端的冷水管与自来水管相连接，另一端热水管与淋浴器和厨房用水管均相连，构成换热水路循环。

所述的石墨烯发热膜，其特征在于石墨烯发热膜为高分子导热膜基底、 复合石墨烯发热材料层、绝缘层及铬锆铜电路组成，高分子导热膜基底层也是绝缘层，其上面涂布复合石墨烯发热材料料浆层，该料浆层被烘干后即形成复合石墨烯发热材料层，复合石墨烯发热材料层上有印刷有铬锆铜电路，每相邻两个铬锆铜电路之间的距离相等，铬锆铜电路的引出端口设置有铬锆铜集电极端子，集电极端子有引出导线与智能控制器输出端子相连接。

所述的石墨烯发热膜的厚度为0.1-1mm，石墨烯发热膜的功率为1.0-2.5KW，发热温度为85-95℃。

所述的智能控制器，其特征在于智能控制器是本系统的控制中心，智能控制器分别于石墨烯发热膜、温度传感器电路联通，智能控制器还有触摸显示屏电路连接，通过触摸显示屏 对石墨烯发热膜进行温度设置和控制。

保温层的保温材料为聚氨酯保温材料或保温石棉中至少一种，优选的为聚氨酯。

相变蓄热材料为无机熔盐相变蓄热材料或掺杂纳米铝石蜡相变蓄热材料中的一种，优选的为无机熔盐相变蓄热材料，相变蓄热材料相变温度为85-90℃。

本发明的有益效果：

1、本发明技术方案有效的利用相变蓄热技术，实现了在用电谷底时把电能储存到相变蓄热材料中，实现 高效率能量转换，使电热水器装置不在需要蓄水箱进行蓄水加热，降低了设备成本，同时安全卫生，不存在千滚水现象，使用热水做饭成为可能，即开即用，方便快捷；

2、采用了智能控制技术，使石墨烯加热膜的加热时间设定在午夜22点以后，在用电谷底时进行加热相变蓄热材料储能，实现电网消峰平谷的节能用电模式，同时节约了用电成本；

3、采用了石墨烯发热膜加热技术，实现免加热目标，使加热热水快切热量均匀，传热效率高，改变传统电热水器依靠加热丝加热产生局部温度过高，传热效率的及使用寿命短，容易故障问题；

4、采用相变蓄热及石墨烯加热膜辅助加热，实现两个热量叠加，大大降低了即热型热水器的输入功率，使供电电路更加安全；

由于采用了上述技术方案，从而使本发明解决了传统电热水器，占用空间大，高能耗，水温不稳，安装不便，水箱长期蓄水不卫生，容易破裂漏水等问题， 突破了传统电热水器应用的制约条件，符合节能减排的发展战略目标。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1、本发明一种即热型石墨烯膜加热及相变储能的高效电热水装置的结构示意图；

图2、本发明一种即热型石墨烯膜加热及相变储能的高效电热水装置的石墨烯发热膜结构示意图；

图3、本发明一种即热型石墨烯膜加热及相变储能的高效电热水装置的板式换热器结构示意图；

图4、本发明一种即热型石墨烯膜加热及相变储能的高效电热水装置的电路结构结构示意图；

图中：1、热水器外壳， 2、相变蓄热室，3、相变蓄热材料，4、板式换热器，41、板式换热器波纹板，42、挡流板，43、水流孔，44、定位孔，5、石墨烯加热膜，51、高分子导热膜基底，52、复合石墨烯发热材料层，53、绝缘层，54、铬锆铜电路，55、铬锆铜集电极端子，6、保温层，7、智能控制器，8、 触摸显示屏，9、温度传感器，10、进水管，11、出水管，12、市电电源。

具体实施方式

参见图1、图2、图3、及图4，本发明一种即热型石墨烯膜加热及相变储能的高效电热水装置，包括：热水器外壳1， 相变蓄热室2，相变蓄热材料3，板式换热器4，石墨烯加热膜5，保温层6，智能控制器7， 触摸显示屏8，温度传感器9，进水管10，出水管11及市电电源12。高效电热水装置主体由热水器外壳1，相变蓄热室2，板式换热器3及石墨烯发热膜4构成，热水器外壳1上安装有触摸显示屏8和智能控制器7，热水器外壳1与相变蓄热室2之间有夹层，夹层内设置有保温层6，保温层6内填充保温材料；相变蓄热室2是一个封闭空间，相变蓄热室2的底部和四周有定位螺栓，板式换热器4位置于相变蓄热室2的中部，由螺帽固定在螺栓上，相变蓄热室2的空腔内填充相变蓄热材料3；板式换热器4的上下两端分别安装有进水管10和出水管11，进水管10安装于板式换热器4的下部，出水管11安装于板式换热器4的上部，板式换热器4的两侧边有凸出部，凸出部上设置有定位孔44，板式换热器4的换热面装置有石墨烯发热膜5，石墨烯发热膜5的边角通过压条由螺栓固定在板式换热器4的定位孔44上，石墨烯发热膜5有导线引出相变蓄热室2，并连接在智能控制器7的输出接线端子上，板式换热器4和石墨烯发热膜5都浸没在相变蓄热材料3中，相变蓄热室2内有温度传感器9并与智能控制器7相连，智能控制器7获取相变蓄热室2的温度信息和时间，确定对相变蓄热材料3加热或放热，实现相变蓄热材料3的蓄热和放热的循环利用。

相变蓄热材料3的蓄热过程，其特征在于智能控制器7有时钟设置，智能控制器7设定石墨烯发热膜5的制热时间，启动石墨烯发热膜5向相变蓄热材料3蓄热，石墨烯发热膜5自动加热工作时间为22点至次日凌晨5点，主要利用谷电时间段对相变蓄热材料进行加热蓄能。

板式换热器4内的冷水加热过程，其特征在于板式换热器4的冷水由进水管10从板式换热器4的底部流入，经过板式换热器4时由于冷水温度低于蓄热后的相变蓄热材料3温度，相变蓄热材料3释放热量加热冷水，使出水管流11出恒定温度的热水，同时，智能控制器7检测相变蓄热室2内的温度，如果相变蓄热室2内温度降低，相变蓄热材料3存储的热能不足以维持热水的恒定温度，智能控制器7启动石墨烯加热膜5对热水进行辅助加热，直至出水管中流出恒定温度的热水。

所述的板式换热器，其特征在于板式换热器4为铜质或不锈钢材质的波纹板41，板式换热器4的内部设置有挡流板42，挡流板42上设置有水流孔43，水流孔43的孔径为φ2-5mm，使热水均匀换热不偏流，板式换热器4的厚度为8-10mm，板式换热器4底端的冷水管与自来水管相连接，另一端热水管与淋浴器和厨房用水管均相连，构成换热水路循环。

所述的石墨烯发热膜，其特征在于石墨烯发热膜5为高分子导热膜基底51、 复合石墨烯发热材料层52、绝缘层53及铬锆铜电路54组成，高分子导热膜基底层52也是绝缘层，其上面涂布复合石墨烯发热材料料浆层，该料浆层被烘干后即形成复合石墨烯发热材料层52，复合石墨烯发热材料层52上有印刷有铬锆铜电路53，每相邻两个铬锆铜电路53之间的距离相等，铬锆铜电路53的引出端口设置有铬锆铜集电极端子54，集电极端子54有引出导线与智能控制器7输出端子相连接。

所述的石墨烯发热膜5的厚度为0.1-1mm，石墨烯发热膜5的功率为1.5-2.5KW，发热温度为85-95℃。

所述的智能控制器，其特征在于智能控制器7是本系统的控制中心，智能控制器7分别于石墨烯发热膜5、温度传感器9电路联通，智能控制器7还有触摸显示屏8电路连接，通过触摸显示屏8对石墨烯发热膜5进行温度设置和控制。

优选的保温层6的保温材料为聚氨酯保温材料或保温石棉中至少一种。

优选的相变蓄热材料3为无机熔盐相变蓄热材料或掺杂纳米铝石蜡相变蓄热材料中的一种，相变蓄热材料3相变温度在85-90℃。

实施例

第一步 热式装置启动，设置相关参数

本发明的高效电热水装置安装完毕，接通市电电源12，智能控制器7启动，本实施例中智能控制器7的控制芯片采用ARM内核32位Cortex-M3处理器，工作频率72MHz，智能控制器7启动触摸显示屏8，在触摸显示屏8上设置热水出水温度，本实施例的热水出水温度为42℃，设置石墨烯发热膜5储能工作时间为22:00-5:00，石墨烯发热膜5工作温度上限为95℃，设置石墨烯发热膜5随机辅热温度为55℃（即本热水装置在使用过程中，相变蓄热室2内温度低于55℃时，智能控制器7随机启动石墨烯发热膜5进行辅助加热），检查相变蓄热室2实时温度，本实施例相变蓄热室2的即时温度为28℃。

第二步 相变储能

高效电热水装置7设置完成后，等待谷电时间，晚间22:00，智能控制器7工作点启动，导通石墨烯发热膜5，石墨烯发热膜5发热对相变蓄热材料3进行蓄热，随着热能增加，相变蓄热材料3发生相变，本实施例相变蓄热材料3的相变温度为90℃，相变蓄热材料3全部相变后，相变蓄热室温2度开始升高，相变蓄热室温度2达到95℃时，智能控制器7停止石墨烯发热膜5工作，相变蓄热材料3蓄热结束。

第三步 热水换热

高效电热水装置相变蓄热完成后，开始进行热水换热，打开冷水进水管10阀门，冷水进进入板式换热器4，冷水通过挡流板42的水流孔43逐级向上流动，在流动过程中冷水通过板式换热器4的换热面与板外的高温相变蓄热材料3进行换热，热水从出水管流出，热水温度的高低可以通过调节热水出水阀控制热水流量大小，以满足热水需求。如果热水需求量大（即冷水交换的热量大于相变蓄热材料存储的热量），相变蓄热材料3释放的热量不足以维持热水温度，当相变蓄热室2内温度低于55℃时（本实施例实验数据得出：相变蓄热室2内温度低于55℃，水流速度为0.8米/s的流速时，热水出水温度为38℃），智能控制器7启动石墨烯发热膜5工作，石墨烯发热膜5发热对低温热水进行辅助加热，使出水管的热水温度保持正常范围。

上述实施例只是说明本发明的技术构思及特点，其目的是让本领域的普通技 术人员能够了解本发明的特点并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。 凡是根据本发明内容的实质所进行的等效变化或修饰，均应涵盖在本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种即热型石墨烯膜加热及相变储能的高效电热水装置，包括：热水器外壳， 相变蓄热室，相变蓄热材料，板式换热器，石墨烯加热膜，保温层，智能控制器， 触摸显示屏，温度传感器，进水管，出水管及市电电源；其特征在于高效电热水装置主体由热水器外壳，相变蓄热室，板式换热器及石墨烯发热膜构成，热水器外壳上安装有触摸显示屏和智能控制器，热水器外壳与相变蓄热室之间有夹层，夹层内设置有保温层，保温层内填充保温材料；

相变蓄热室是一个封闭空间，相变蓄热室的底部和四周有定位螺栓，板式换热器位置于相变蓄热室的中部，由螺帽固定在螺栓上，相变蓄热室的空腔内填充相变蓄热材料；

板式换热器的上下两端分别安装有进水管和出水管，进水管安装于板式换热器的下部，出水管安装于板式换热器的上部，板式换热器的两侧边有凸出部，凸出部上设置有定位孔，板式换热器的换热面装置有石墨烯发热膜，石墨烯发热膜的边角通过压条由螺栓固定在板式换热器的定位孔上，石墨烯发热膜有导线引出相变蓄热室，并连接在智能控制器的输出接线端子上，板式换热器和石墨烯发热膜都浸没在相变蓄热材料中，相变蓄热室内有温度传感器并与智能控制器相连，智能控制器获取相变蓄热室的温度信息和时间，确定对相变蓄热材料加热或放热，实现相变蓄热材料的蓄热和放热的循环利用。

2.根据权利要求1所述的一种即热型石墨烯膜加热及相变储能的高效电热水装置，其特征在于相变蓄热材料的蓄热过程，智能控制器有时钟设置，智能控制器设定石墨烯发热膜的制热时间，启动石墨烯发热膜向相变蓄热材料蓄热，石墨烯发热膜自动加热工作时间为22：00至次日凌晨5：00，主要利用谷电时间段对相变蓄热材料进行加热蓄能。

3.根据权利要求1所述的一种即热型石墨烯膜加热及相变储能的高效电热水装置，其特征在于板式换热器为铜质或不锈钢材质的波纹板，板式换热器的内部设置有挡流板，挡流板上设置有水流孔，水流孔的孔径为φ2-5mm，使热水均匀换热不偏流，板式换热器的厚度为8-10mm，板式换热器底端的冷水管与自来水管相连接，另一端热水管与淋浴器和厨房用水管均相连，构成换热水路循环。

4.根据权利要求1或3所述的一种即热型石墨烯膜加热及相变储能的高效电热水装置，其特征在于板式换热器内的冷水加热过程，板式换热器的冷水由进水管从板式换热器的底部流入，经过板式换热器时由于冷水温度低于蓄热后的相变蓄热材料温度，相变蓄热材料释放热量加热冷水，使出水管流出恒定温度的热水，同时，智能控制器检测相变蓄热室内的温度，如果相变蓄热室内温度降低，相变蓄热材料存储的热能不足以维持热水的恒定温度，智能控制器启动石墨烯加热膜对热水进行辅助加热，直至出水管中流出恒定温度的热水。

5.根据权利要求1所述的一种即热型石墨烯膜加热及相变储能的高效电热水装置，其特征在于石墨烯发热膜为高分子导热膜基底、 复合石墨烯发热材料层、绝缘层及铬锆铜电路组成，高分子导热膜基底层也是绝缘层，其上面涂布复合石墨烯发热材料料浆层，该料浆层被烘干后即形成复合石墨烯发热材料层，复合石墨烯发热材料层上有印刷有铬锆铜电路，每相邻两个铬锆铜电路之间的距离相等，铬锆铜电路的引出端口设置有铬锆铜集电极端子，集电极端子有引出导线与智能控制器输出端子相连接。

6.根据权利要求1或5所述的一种即热型石墨烯膜加热及相变储能的高效电热水装置，其特征在于石墨烯发热膜的厚度为0.1-1mm，石墨烯发热膜的功率为1.0-2.5KW，发热温度为85-95℃。

7.根据权利要求1所述的一种即热型石墨烯膜加热及相变储能的高效电热水装置，其特征在于智能控制器是本系统的控制中心，智能控制器分别于石墨烯发热膜、温度传感器电路联通，智能控制器还有触摸显示屏电路连接，通过触摸显示屏 对石墨烯发热膜进行温度设置和控制。

8.根据权利要求1所述的一种即热型石墨烯膜加热及相变储能的高效电热水装置，其特征在于相变蓄热材料为无机熔盐相变蓄热材料或掺杂纳米铝石蜡相变蓄热材料中的一种，优选的为无机熔盐相变蓄热材料，相变蓄热材料相变温度为85-90℃。