电磁涡流快热式热水器设计分析

电磁涡流快热式热水器设计分析

廖庆同

广东美的生活电器制造有限公司

摘要：现阶段，随着我国社会经济与社会科技的发展，我国现代社会的生活水平逐渐提高，热水器是我国现代社会居民生活的必需品，其使用性能及使用安全被我国现代社会居民广泛关注。将电磁感应（涡流）加热技术应用于电磁涡流快热式热水器中能够降低公功率损耗，并实现良好的水电分离，且加热效果明显。基于此，本文主要研究电磁涡流快热式热水器设计，希望对相关人员有所启示。

关键词：电磁涡流；热水器；ANSYS仿真试验

引言：电磁感应（涡流）加热技术是利用电磁加热线圈的方式提供热量，其体积小巧且用电功率适中，非常适用于现代家居热水器当中。因此，本文开展了对电磁涡流快热式热水器的设计研究，利用ANSYS进行建模仿真试验，并通过试验数据结果确定相关参数的设计，从而提升电磁涡流快热式热水器的使用性能，为电磁感应（涡流）加热技术的应用提供了一定的参考。

1. 工程概况

电磁涡流快热式热水器是现阶段我国现代社会居民普遍选择的热水器，电磁涡流快式热水器主要利用的是电磁感应（涡流）加热技术，其具备加热速度快、环保、安全等优势，同时也能够在水加热的过程中良好的去除水中的细菌与藻类物质，这对于保证使用用户的生命健康是十分重要的，同时，电磁涡流快热式热水器还具备不易结垢的特点，这就使其的热的水的质量能够得到进一步的保障，且在使用寿命、使用安全性等方面均具备一定的优势。

为了更好的分析电磁涡流快热式热水器的设计原理，本文选择以某宿舍热水器为例，该宿舍为职工宿舍，以往的热水器采用的是加热棒的形式，该种热水器主要是利用电阻来提供热量促使水资源被加热，该种形式不仅消耗功率大，且在水资源加热的过程中，需要加热棒直接与水资源接触，未能够良好的实现水电分离，故而存在加大的安全隐患，同时，在水资源加热的过程中容易形成水垢，若长期不对加热棒进行清理则会导致水垢增加，致使电阻产生的热量不易散发，很容易造成加热设备的损坏。

为了解决此问题，该企业选择为职工宿舍的热水器进行更换，选择利用新型电磁涡流加热器，电磁涡流加热器的主要工作原理是利用电磁感应技术，通过高频电流加热热水器中的加热线圈，随后利用加热线圈加热水器中的水资源，从而良好的实现水电分离。加热线圈被加热后将会形成一个交变磁场，在交变磁场的作用力下，热水器底部的加热盘将会产生感应涡流焦耳热，底部被加热的水资源将会向热水器上部流动，而热水器上部的冷水将会向热水器底部流动，最终使得热水器内的水资源完成加热。在使用新型电磁涡流加热器时，为了促使热水器加热的水资源能够满足职工的生活使用需求，需要先设计预高温热水元与过流加热水按照一定的比例的温度和流量参数进行混合^[1]。此外，在进行新型电磁涡流加热器的设计时，需将重点设计目标放在加热系统方面，促使加热系统既能够满足水资源的加热温度需求，又能够满足节能减排的需求，因此，需要对电磁驱动电源模块与磁热耦合模块进行的设计。在进行电磁驱动电源模块与磁热耦合模块进行的设计时，本项目采用的方法为利用ANSYS进行加热模型的设计，并进行仿真试验，从而确定新型电磁涡流加热器能够实现预期目标。

2. 仿真分析

为了更好的分析电磁涡流快热式热水器的设计，首先需要利用Soildworks进行三维建模，随后再利用ANSYS进行仿真试验，为了探究功率对热水器加热速度的影响，本试验选择分别利用5kW、4.5kW、4kW和3.5kW四个不同功率进行仿真试验，将四个不同模型分别进行30s和60s的试验，并记录试验水温的变化。本试验将加热盘的导热系数设定为30 、时间不长为0.2s，初始水温为22℃，试验水的导热系数为0.61 ，热比为4185 。随后进行仿真实验，并记录相关数据进行分析。

在本文选取30s时长的试验为了，对比分析3.5kW与5kW功率时水温上升速度可发现，线圈盘的功率越高，水温升升速度越快，对水体的加热效果也越明显。随后选取60s时长、3.5kW功率的试验结果分析，发现相同功率下，加热时间越长，水温上升的越高，同时发现水体离加热盘越进，温度上升的越明显，下图为30S时长3.5kW、5kW及60s时长3.5kW水温分析图。

图1 30S时长、3.5kW功率水温分析图

图2 60S时长、3.5kW功率水温分析图

图3 30S时长、5kW功率水温分析图

3. 结果与讨论

根据上述试验结果确定试验相关联参数，为了促使经过加热的水温能够满足职工日常生活的需求，需要进行水温测定试验。试验装置采用5kW、中频励磁装置，为了满足试验对励磁装置的需求，本试验将40股直径为0.3mm的铜丝绞合为扁平螺绕线圈，加热盘上下采用SUS430不锈钢，将初始水温设定为20℃，经过加热后确定温度的变化值，温度变化值的计算公式如下所示：

其中， 为加热盘出水口的出水水温， 为进水水温（20℃）

根据职工实际对水温的需求，调节水流量分配、功率和预热水温。

同时，为了促使满足节能减排的需求，本试验选取单盘加热、双盘加热及无格栅单加热盘三种不同结构的加热器对水体进行加热，并分析水温温升值随加热功率的变化关系，从而选择能耗最低的加热器结构，下图为不同结构的加热器水温温升值随加热功率的变化图。

图4 同结构的加热器水温温升值随加热功率的变化图

通过对上图的分析可知，在功率相同的情况下，双盘加热的加热器加热温度值更高，其次最单盘加热的加热器，最低的为无格栅单加热盘，通过分析发现，形成这一现象的主要原因为格栅降低了热转换效率^[2]。因此，在实际进行电磁涡流快热式热水器的设计时，需要选择双盘加热的加热器，促使加热器的转换效率更好，从而避免了不必要的能耗。同时，根据相关规定的要求，我国房屋朱武的安全负载电流为46A，而选择虽然5kW功率的加热器能够满足安全需求，但通过试验发现，当进水水温低于17℃时，5kW功率的加热器无法实现快速加热，且加热过的水温不能够满足预期的设定目标，故而需要将高温的预热水源与过流加热水按照一定比例的温度和流量参数混合，从而促使温度低于17℃的进水水温经过5kW功率的加热器加热后能够满足预期的水温目标，并通过计算加热效率确定该涉水器是否能够满足《GB/T261852010快热式热水器》中相关规定的要求，加热效率计算公式如下所示：

其中， 为加热效率， 为进水温度， 为出水温度的平均值，P为平均功率，T为收集热水的时间。通过计算得出，该电磁涡流快热式热水器的加热效率为92.5%，满足相关规定的要求。

结论：综上所述，电磁涡流加热技术能够很好的解决水垢问题，且能够合理的设定水温，真正的实现水电分离，保证了使用用户的生命安全，同时也能够最大程度上降低功率的损耗，因此将电磁涡流加热技术在电磁涡流快热式热水器当中具有十分重要的应用价值。在进行电磁涡流快热式热水器的设计时，首先需要利用ANSYS进行仿真试验，并确定相关的系数参数，随后需要确定热水器的加热效率满足国家规定的要求，且需要合理设置相关参数促使出水水温能够满足实际生活需求，从而才能够促使电磁涡流快热式热水器真正的发挥其功能与价值。

参考文献：

1. 岳凯,王大朋,殷孝雎.一种新型电磁感应加热结构的仿真与分析[J].沈阳工程学院学报(自然科学版),2021,17(03):29-34+44.

2. 房紫璐,李玉玲,姚缨英.基于ANSYS的电磁感应加热系统仿真与实验[J].实验技术与管理,2021,38(05):129-133.