CN115812338A - 电热水器 - Google Patents

Abstract

技术领域：具有浸入水中的电阻加热元件的电热水器。要解决的问题：增加加热元件的发热表面、效率和功率输出，以便最小化热损失并优化浸入水中的加热元件的工作温度。本发明的实质：加热元件的电阻导体由薄电阻带(4)制成，其截面的周长大体超过相等截面面积的圆线截面周长的两倍以上。螺旋形带(4)具有导热的介电涂层(5)，缠绕在薄壁圆柱形管(3)的骨架上，并分别形成加热器的外侧和内侧发热表面。在加热器的发热表面的两侧，形成用于被加热流体流动的间隙(11)。加热器可以包括彼此同心布置的几个这样的圆柱形加热元件。替代方案：电加热器可以包括具有薄电阻带的扁平加热元件，以正弦曲线的形式弯曲，或者以阿基米德螺旋的形式弯曲。圆柱形和扁平的螺旋加热元件可以由扁平的管状外壳形成，具有绝缘涂层的薄电阻带被压入其中。

Description

电热水器

技术领域

本发明涉及具有电阻加热元件的电热水器，所述电阻加热元件位于加热器内部并浸入水中。

背景技术

已知一种管状电加热器(GB1360334)，其中由圆形电阻导体制成的加热螺旋件涂覆有绝缘材料，并放置在加热器壳体的两个圆柱形管之间的凹槽中。

然而，这种管状电加热器具有以下明显的缺点：

·加热器的散热能力不足，因为圆形电阻导体的发热表面仅位于导体的外围，并且当其截面为圆形时发热表面最小；

·由于发热表面的不足，加热器的热效率不足。这是因为随着电流的通过，电阻导体的整个截面都被加热。在这种情况下，只有一部分能量通过导体的外表面(截面为圆形时所述外表面最小)有效地辐射，其余的能量用于过度加热了电阻导体圆形截面的中心部分(至700～800℃的温度)；

·由于在水和电阻导体的外壳表面之间的边界处的空化现象导致热导率恶化，加热器在螺旋件的高温下具有显著的热损失和增加的惯性。这是因为能量传递到水中的速度和热损失量取决于加热器散热表面的温度。传热速率的极值对应于最佳温度≈156℃。

高于该温度的表面过热会产生隔热气泡(空化现象)和传热减少。此外，温度越高，向水中传递的热量减小得越快，而向环境中传递的惯性和虚假热量增加。由于惯性，

这种加热器的使用范围有限，仅作为浸没在非流动水中的热水器。

此外，已知的电热水器(US3898428)包括筒式加热元件，该筒式加热元件具有位于加热元件外壳下方的圆柱形螺旋件，该圆柱形螺旋件由截面为圆形的电阻导体制成。所述加热元件的筒放置在管状壳体中，管状壳体的内侧具有螺旋波纹表面。在这种热水器中，与上述对应装置相比，由于螺旋波纹表面产生的湍流，从加热元件表面的循序散热有所改善。此外，由于功率调节器和两种工作模式的存在，可以将少量液体加热到高温。然而，它也有一些明显的缺点，即：

·加热器的热效率不足，因为电阻导体的圆形截面造成其散热表面的不足，该散热表面仅位于圆的外围。因此，很大一部分能量被花费在电阻导体截面的中心部分过热上。

此外，螺旋圈的部分散热表面相互面对，导致螺旋件被过度加热至高温；

·加热器的散热能力不足，因为管状外壳的发热表面仅位于螺旋件的外侧。来自螺旋件内部的散热是没有用的，只会使加热器的内管过热。

·由于水和加热器外壳表面之间的边界处的空化现象导致热导率恶化，加热器在螺旋件的高温下具有额外的热损失。

·由于功率输出不足，加热器不能长时间用作流动加热器。因此，它的应用范围有限，

主要是在热水循环系统中，以保持其温度。此外，这种加热器较昂贵且难以制造。

发明内容

本发明的基础是创造这样一种电热水器的任务：在这种电热水器中，加热元件和电阻导体将相对于彼此设计和布置，以增加散热表面，优化工作温度，最小化热损失，最大化加热元件的传热速率，从而增加加热器的热效率。

所述问题的解决在于加热元件的电阻导体由薄电阻带制成，所述薄电阻带的截面周长超过相同截面面积的圆线的截面周长，并且带的宽度超过其厚度，大体超过十倍以上。电阻带的两个宽侧形成两个散热表面。加热元件以这样的方式放置在电加热器壳体中：使得在其散热表面的两侧形成用于被加热液体流动的狭槽间隙。加热元件的散热表面的宽度与用于被加热液体流动的每个间隙的狭缝尺寸(高度)之间的比率根据确保最佳温差和热导率的条件来选择，在所述最佳温差和热导率下，向被加热液体的传热速率将是最大的。

用薄电阻带实现的加热元件，与等截面面积的圆线相比，具有两倍以上的散热表面。这将比负荷和其表面上的加热温度降低到对应于向被加热液体的传热的极值速率的最佳值。由于薄带的截面上没有大块的中心部分，因此不会过热。在这种情况下，所有的能量都传递给在加热元件的散热表面两侧形成的间隙中循环的被加热液体。同时，减少了空化现象，最大限度地提高了传热速率，这减少了加热元件的热损失。

在加热元件附近从两个宽侧形成用于被加热液体流动的狭槽间隙优化了传热条件。一方面，最大限度地利用了加热元件的散热表面及其高热导率。另一方面，通过选择间隙的高度，可以提供最佳的传热模式。鉴于加热元件的热导率远高于水的热导率，在靠近加热元件散热表面的薄水层中，传热速率最大。因此，对于一定容量的加热器，加热元件的散热表面宽度和与其相邻的用于被加热液体流动的间隙高度之间的比率可以被选择为满足温压优化和实现最大传热率的条件。

因此，在所提出的热水器设计中上述特征的组合提供了作为本发明的基础提出的问题的解决方案，即：增加散热表面，优化加热元件的工作温度，最大限度地提高传热速率，降低加热器的惯性，最大限度地减少加热元件和空化过程的热损失。所有这些都确保了这种热水器的高热效率。

由电阻带制成的加热元件在其散热表面的两侧形成有间隙，这使得能够制造出高效的热水器，无论是容积式结构还是扁平紧凑结构。加热器的较低温度允许使用廉价材料(例如，搪瓷、PTFE和玻璃纤维)作为绝缘涂层，并简化了加热器的制造技术。这降低了这种加热器的制造成本，扩大了它们的应用范围。

在电加热器的一种变型中，其骨架由薄壁圆柱形管形成，在该管上缠绕由所需长度的薄电阻带制成的圆柱形螺旋件。在这种情况下，邻近圆柱形管的电阻带的相对宽侧形成圆柱形加热元件的外侧和内侧散热表面。电阻带具有涂层(例如搪瓷)，使其与被加热液体绝缘。这提供了加热元件与被加热液体的直接接触(不使用保护性管状外壳)，这降低了这种加热器的制造成本并进一步减少了热损失。

在电加热器的另一变型中，加热元件包括所需长度的薄电阻带，该薄电阻带弯曲成矩形正弦曲线(折线)的形状并放置在扁平的分段壳体中。加热元件以这样的方式放置在电加热器壳体的各区段中：使得用于液体流动的波浪状间隙邻近电阻带的两个散热侧面。这确保了电阻带与被加热液体的直接接触，并进一步减少热损失。扁平的形状允许制造高功率紧凑型流动加热器。

在电加热器的又一个变型中，加热元件包括扁平的管状外壳，具有绝缘涂层的薄电阻带被压入该管状外壳中，并且该管状外壳被折叠成双阿基米德螺旋的形状。用于流体流动的螺旋间隙形成在螺旋加热元件的相邻匝的散热侧面之间。

管状外壳的扁形截面形状与电阻带的截面形状紧密匹配，这确保了从其相对的宽侧到管状螺旋的外侧和内侧散热侧面的传热的最佳条件。这些特点扩大了这种加热器的技术能力和使用范围。同时，保持了加热元件的紧凑性、其增加的效率和功率输出。

附图说明

本发明由附图图示说明，其中：

图1示出了具有两个同心安装的圆柱形加热元件的电加热器的变型，其为竖直截面；

图2示出了具有两对同心安装的圆柱形加热元件的电加热器的变型，其为竖直截面；

图3示出了具有扁平正弦曲线加热元件的电加热器的变型，其为竖直截面；

图4是图3中的截面IV-IV；

图5是具有两个扁平正弦曲线加热元件的电加热器的变型的仰视图；

图6描绘了具有盘形螺旋加热元件的电加热器的变型，其为水平截面；

图7是图6中的截面VI I-VI I；

图8是具有两个盘形螺旋加热元件的电加热器的变型的侧视图，其为竖直截面。

具体实施方式

图1所示的电加热器实施例由两个圆柱形加热元件1和2组成，这两个加热元件彼此同心放置。每个加热元件包括薄壁圆柱形管3的骨架，薄电阻带4的圆柱形螺旋缠绕在该骨架上。带4具有大体由导热的介电搪瓷制成的绝缘涂层5。与具有宽侧的圆柱形管3相邻的带螺旋4的线圈的外侧面和内侧面分别形成加热器的外侧和内侧散热表面。从圆柱形加热元件1和2的一端侧开始的螺旋带的端部分别与接触夹板6和7连接，用于将加热元件连接到电源。从圆柱形加热元件1和2的第二端侧开始的螺旋带的端部通过与被加热流体隔离的跳线8互连。接触夹板6和7被放置到圆柱形壳体10的盖9上。

电阻螺旋4由薄电阻带制成，以增加加热器的热效率。此外，带的截面周长超过具有相等截面积的圆线的截面周长的两倍以上，即带的宽度超过其厚度的十倍以上。实际上，可以使用具有更大纵横比的薄带。例如，3kW加热器可以配备截面积为7x0.06mm的带，其中宽厚比大于100：1。与等截面面积的圆形导体相比，这种带的散热表面增加了六倍。

图1示出了即时热水器的一种变型，其中内圆柱形加热元件2同心地放置在外圆柱形加热元件1中。加热元件1和2安装在圆柱形壳体10中，在它们之间以及外侧加热元件1和壳体10之间形成有圆柱形间隙11，用于液体流动。外侧加热元件1压靠在圆柱形壳体10的下端，并且在壳体10的上端具有用于液体流动的间隙。内侧加热元件2压靠在圆柱形壳体10的上端，并且在壳体10的下端具有用于液体流动的间隙。在外侧加热元件1前有用于进水的支管12，并且在圆柱形壳体10的下端的中央有用于出水的支管13。

在内侧加热元件2中同心连接的管14连接到支管13。在壳体10的上端和管14的上端之间存在用于液体流动的间隙。

图2示出了即时热水器的一种变型，其包括同心放置在壳体15中的两对圆柱形加热元件1a、2a和1b、2b。这些加热元件的电阻带4分别通过跳线8a和8b彼此连接。随着直径减小，外侧加热元件1a和1b以直接顺序同心放置，内侧加热元件2a和2b以相反顺序同心放置。

此外，圆柱形加热元件1a、2a和1b、2b的直径尺寸根据连接对1a、2a和1b、2b的圆柱的直径之和相等的条件来选择。接触夹板6a、7a和6b、7c被放置到圆柱形壳体15的盖16上。在壳体15的下部有用于进水的支管11，并且在壳体15的下端的中心有用于出水的支管12，连接到用于水流的管14。

图3和图4示出了具有扁平正弦曲线加热元件21的电加热器的变型，该加热元件由弯曲成正弦曲线形式(主要是矩形正弦曲线(折线))的薄电阻带4形成。壳体22通过隔板23被分成纵向区段，在其中形成用于液体流动的通道。电阻元件21位于分段壳体22中，并通过夹具24以这样的方式固定：用于液体流动的波浪形间隙25邻近其两个散热侧。电阻带4的端部连接到分别位于第一和最后区段外的接触夹板26和27。用于进水和出水的支管28和29分别放置在壳体22的第一区段和最后区段之前。

图5示出了具有扁平正弦曲线加热元件21a和21b的双层电加热器的变型，其为仰视图。双层电加热器的前视图类似于图3所示。加热元件21a和21b被放置在壳体31中，并且被层间隔板32隔开。加热元件21a的出水区段通过连接支管33连接到加热元件21b的进水区段。

图6和图7示出了具有弯曲成双阿基米德螺旋形式的扁平(盘形)加热元件41的电加热器的变型。加热元件41的外壳由扁平管42形成，在该扁平管内放置螺旋状的薄电阻带4。带4具有大体由耐热玻璃纤维制成的绝缘涂层43。带4的外侧表面和内侧表面分别形成加热器的外侧和内侧散热表面。螺旋外壳42的线圈以其短侧压靠在壳体44的端部上，并且用于液体流动的螺旋间隙45形成在管状螺旋42的线圈的相邻宽侧之间。在螺旋加热元件的中心部分的其中一匝下面，形成用于液体流动的通道46。电阻螺旋4的端部连接到接触夹板47和48，所述接触夹板放置在外壳外部并用于连接到电源。分别用于进水和出水的支管49和50被放置在壳体44的外围，在管状螺旋42的端部之前。

图8示出了具有盘形螺旋加热元件41A和41B的双层电加热器的变型的侧视图。双层电加热器的前视图类似于图6所示。加热元件41a和41b被放置在壳体51中，并且被层间隔板52隔开。来自加热元件41a的水出口通过连接支管53连接到加热元件41b的水入口。

电加热器的工作原理如下。

图1所示的变型可用作压力下液体的有效即时电加热器。只有在流动开关(未示出)被激活之后，来自电流源的电压才被提供给圆柱形加热元件1和2的电阻带4。

电流引起带螺旋4的加热。所有的热能都通过一层薄薄的保护性导热搪瓷涂层5传递到水中，因此，热损失最小化。形成在每个加热元件1和2的两侧上的用于液体流的圆柱形间隙11一方面提供对整个液体流的均匀加热，另一方面提供加热器的高通量。由于在壳体10的端部与加热元件之间存在通道，被加热液体循序围绕它们所有的外侧和内侧散热表面流动。这增加了液体流与加热器的接触时间，并从这些散热表面的整个区域提供密集的循序散热。

此外，在加热元件1和2之间的圆柱形间隙中，液体被散热表面的所有侧面包围，并且被加热得更多。中心管14的存在进一步增加了液体流与加热器的接触时间。

圆柱形加热元件也可以通过由扁平管制成的螺旋外壳来形成，具有绝缘耐热涂层的薄电阻带4被压入该扁平管中。在这种情况下，管状螺旋的各匝以它们的短侧彼此相邻。根据现有的技术能力，这扩大了这种圆柱形加热元件在即时热水器中的应用范围。

图1所示的变型也可以有效地用在许多总是充满液体的浸入式电加热装置中，特别是例如积蓄式锅炉。在这种情况下，液体通道应该从加热元件的上端和下端的侧面提供。位于加热元件之间和加热器中心的液体被散热表面包围，因此加热更多。这导致液体在加热器壳体中的对流运动和循环，这进一步加强了其快速加热。

如果需要(例如，对于位于加热器壳体中的少量液体)，可以开发包括一个圆柱形加热元件的加热器的变型。所有这些都将扩大这种圆柱形加热元件在储水式热水器中的范围。

图2所示的包括两对彼此同心布置的圆柱形加热元件的加热器选项对于大功率即时加热器最有效。这种加热器可以将大液体流加热到几乎任何期望的温度，而不会显著增加加热器的尺寸。

由于液体在所有四个加热元件的外侧和内侧散热表面周围的循序流动，增加了液体流与加热器的接触时间，并且还确保了从这些散热表面的整个区域的密集循序的热量收获。连接的各对圆柱形加热元件的直径之和相等确保了它们的输出功率相等。此外，通过借助于接触引线切换各对加热元件1a、2a和1b、2b之间的连接，可以控制加热器的总输出功率、加热速率和液体的温度。

对于三相电网，可以制造包括至少三对同心放置的圆柱形加热元件的流动加热器。这种热效率高的热水器结构紧凑，将提供几乎任何所需的性能。

如图3和图4所示，扁平式加热器的一种变型可以最有效地用于压力下软液体(轻微矿化)的即时电加热器。只有在操作流动开关(未示出)之后，来自电流源的电压才被提供给加热元件21的电阻带4。电流引起带4的加热。在这种情况下，在夹具24之间拉伸的电阻带4与水直接接触，这确保了最大程度的传热。

被加热液体通过支管28进入，并在电阻带4的散热表面两侧形成的两个波形间隙中同时被加热。在这种情况下，沿着电阻带4的整个波形轮廓流动的液体流循序从加热元件21的散热表面的整个面积聚集热量，并通过支管29离开。电阻带与水的直接接触提供了热损失的最大减少，以及电加热器制造的成本降低(因为没有电阻带的绝缘涂层和保护外壳的成本)。

如图5所示，包括两层扁平加热元件的加热器的变型对于大功率即时加热器最有效。这种加热器可以将大液体流加热到几乎任何期望的温度，而不会显著增加加热器的尺寸。

由于液体沿两个加热元件的所有发热表面的循序流动，增加了液体流与加热器的接触时间，并确保了从这些散热表面的整个区域的密集循序的热量收集。

通过利用接触夹板切换加热元件21a和21b的连接，可以调节加热器的总输出功率、加热速度和液体温度。

对于三相电网，可以构造包括至少三个扁平加热元件的即时加热器。这种热效率高的热水器将提供几乎任何所需的性能，同时紧凑且具有低制造成本。

如图6和图7所示，盘形螺旋加热器的选择可以最有效地用于液体的即时电加热器，其工作条件要求电阻导体具有保护外壳。它的使用类似于图3和图4中的上述选项，这扩展了所提出的加热元件的范围。只有在流动开关(未示出)被激活之后，来自电流源的电压才被提供给加热元件41的螺旋带4。电流引起螺旋带4的加热。被加热的液体通过支管49进入，在加热螺旋的相邻线圈之间形成的螺旋间隙中加热，并通过支管50离开。在这种情况下，沿着螺旋加热器41的每个线圈的轮廓流动的液体流从它们的散热表面的两侧的整个区域执行循序密集的热量收集。在加热螺旋的位置转向下方的通道46沿着其两个支管的散热表面提供循序的液体流动。这增加了液体流与加热器的接触时间，并对液体进行更强的加热。

盘形螺旋加热器也可以有效地用于许多总是充满液体的水下电加热装置，特别是水壶、锅炉和洗衣机。在这种情况下，液体通道应该从加热元件的上端和下端的侧面提供。位于加热元件之间和加热器中心的液体在所有侧面都被发热表面包围，并且加热更强烈。这导致液体在加热器壳体中的对流运动和循环，这进一步加强了其快速加热。

如图8所示，包括两层扁平螺旋加热元件的加热器的变型对于大功率即时加热器最有效。这种加热器可以将大的液体流加热到几乎任何所需的温度，而不会显著增加加热器的尺寸。由于液体沿两个加热元件的所有散热表面的循序流动，增加了液体流与加热器的接触时间，并确保了从这些散热表面的整个区域的密集循序的热量收集。通过利用接触夹板切换加热元件41a和41b之间的连接，可以调节加热器的总输出功率、加热速率和液体温度。

对于三相电网络，可以构造包括至少三个扁平螺旋加热元件的流动加热器。这种热效率高的热水器将提供几乎任何所需的性能，同时紧凑且具有低制造成本。

本发明的应用领域

所提出的具有由薄电阻带制成的加热元件的电加热器可以用在大多数的各种水加热装置中，作为已知的具有圆形电阻导体的电加热器的有效替代品。

所提出的电加热器的主要使用领域是几乎任何容量的各种即时热水器。

所提出的电加热器的另一个使用领域是任何积蓄式热水器(例如电锅炉)以及浸入式热水器(例如水壶和洗衣机)。

因此，所提出的具有薄电阻带的有体积的(圆柱形)和扁平的(正弦曲线和螺旋形)加热元件的电加热器可以用于各种各样用于加热液体的装置中。与同类产品相比，这种加热元件具有较大的散热表面，提供更高的热效率和功率输出，并优化工作温度，最大限度地减少加热时间和加热器的热损失。所提出的电加热器的广泛使用将在各个国家节省大量电能。

Claims (9)

1.一种电热水器，包括具有电阻导体的电阻加热元件，所述电阻加热元件位于加热器壳体内部并浸没在水中，其特征在于：

-所述加热元件的散热表面的面积通过由具有薄截面的扁平电阻带制造电阻导体来增加，其周长超过具有相等截面面积的圆形导体的周长，所述电阻带的两个宽侧形成散热表面，并且所述带的宽度超过其厚度，大体超过十倍以上，

-所述具有电阻带的加热元件以这样的方式放置在所述电加热器的壳体中：在其散热表面的两侧，形成大体为狭槽形的相邻间隙，用于被加热液体的流动，

-所述加热元件的散热表面的宽度与用于被加热液体流动的每个间隙的狭缝尺寸之间的比率根据确保这种温压和热导率的条件来选择：在所述温压和热导率下，向所述被加热液体的传热速率接近最大值。

2.根据权利要求1所述的电加热器，其特征在于：

-所述加热元件包括以圆柱形螺旋形式卷起的薄电阻带，并且所述电阻带的宽侧分别形成所形成的圆柱形加热元件的外侧和内侧散热表面，

-所述圆柱形加热元件以这样的方式放置在所述电加热器壳体中：使得用于液体流动的圆柱形间隙由其外侧和内侧散热表面的侧面形成。

3.根据权利要求2所述的电加热器，其特征在于，所述薄电阻带的圆柱形螺旋缠绕在由薄壁圆柱形管制成的骨架上，并且具有大体由搪瓷制成的涂层，所述涂层使所述薄电阻带的圆柱形螺旋与所述被加热液体绝缘。

4.根据权利要求2或3所述的电加热器，其特征在于：

-包括两个圆柱形加热元件，一个同心放置在另一个中，在它们之间以及在外侧加热元件和所述加热器壳体之间形成圆柱形间隙，用于液体流动，

-相邻的加热元件以它们的第一端部压到所述加热器壳体的相对端部，并且在它们的第二端部与所述加热器壳体的相邻端部之间具有用于液体流动的通道，

-来自所述加热器壳体一侧的所述两个加热元件的电阻带的端部通过与被加热液体隔离的跳线彼此连接，并且来自加热器壳体的第二侧的电阻带的端部连接到用于连接到电源的触点。

5.根据权利要求4所述的电加热器，其特征在于：

-它包括至少两对同心放置的圆柱形加热元件，而且用于液体流动的所有圆柱形间隙相继地彼此连通，

-各对互相连接的圆柱形加热元件根据连接的各对圆柱的直径的总尺寸相等的条件来选择。

6.根据权利要求1所述的电加热器，其特征在于：

-所述加热元件包括弯曲成正弦曲线形状的薄电阻带，主要是矩形正弦曲线(折线)，并且所述电阻带的宽侧形成所形成的正弦曲线形状的加热元件的两个散热表面，

-所述电加热器的壳体被制成扁平棱柱的形状，并被隔板分成纵向区段，在每两个相邻区段之间有通道，以便液体循序通过所有区段，

-所述加热元件以这样的方式放置在所述加热器壳体的区段中：使得其正弦曲线端部被压到所述加热器壳体的扁平端部，

-在所述加热元件的两个散热表面的侧面上形成用于液体流动的正弦曲线间隙。

7.根据权利要求1所述的电加热器，其特征在于：

-所述加热元件包括薄电阻带，所述薄电阻带卷成扁平螺旋形状，大体为双阿基米德螺旋形式，而且所述电阻带的宽侧分别形成所形成的螺旋加热元件的外侧和内侧散热表面，

-所述电加热器壳体被制成盘形，并且所述螺旋加热元件以这样的方式放置在其中：所述加热元件的螺旋端部被压到所述盘形壳体的端部，

-通过所述螺旋加热元件的外侧和内侧散热表面的侧面形成用于液体流动的螺旋间隙，

-在所述盘形壳体的中心部分中，在双螺旋加热元件的位置转向下方，形成用于液体流动的通道。

8.根据权利要求6或7所述的电加热器，其特征在于：

-它包括至少两个加热元件，所述至少两个加热元件位于所述加热器壳体中平行层上，并且

用隔板彼此隔开，

-通过将一个加热元件的出口支管连接到相邻加热元件的入口支管，用于液体流动的间隙相继地彼此连接。

9.根据权利要求2、6、7或8所述的电加热器，其特征在于：

-所述薄电阻带具有弹性绝缘涂层，所述弹性绝缘涂层与其一起被压成扁平的管状外壳，并且所述管状外壳的截面具有接近所述电阻带的形状。

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