Desarrollo y diseño del esquema de calentador de agua eléctrico.
Según las normas nacionales, los calentadores de agua eléctricos se pueden dividir en calentadores de agua eléctricos de almacenamiento y calentadores de agua eléctricos instantáneos. Los calentadores de agua eléctricos instantáneos se utilizan principalmente en lugares públicos debido a su alto consumo de energía. Los calentadores de agua eléctricos de almacenamiento de agua se dividen en tipo cerrado, tipo de suministro de agua del tanque de agua, tipo de salida abierta y tipo abierto. Los calentadores de agua eléctricos domésticos son generalmente del tipo cerrado y del tipo abierto del calentador de agua eléctrico de tipo de almacenamiento, y el primero se usa principalmente.
1. Introducción técnica del calentador de agua eléctrico.
1.1 Tecnología de revestimiento
La tecnología central de la fabricación de calentadores de agua eléctricos es la tecnología de revestimiento, que se subdivide en materiales de revestimiento y tecnología anticorrosión y tecnología de procesamiento de revestimiento. En la actualidad, los calentadores de agua eléctricos en el mercado doméstico se dividen en dos campos según la tecnología del tanque interno: el tanque interno de acero inoxidable representado por Haier y el tanque interno de esmalte representado por Ariston. Las ventajas del revestimiento de acero inoxidable son que el material es mejor y el peso es más liviano. La desventaja es que la resistencia a la presión es baja y no es resistente al impacto, especialmente la costura de soldadura es fácil de filtrar. Sin embargo, el proceso de producción del revestimiento de acero inoxidable es simple y la inversión en equipos es pequeña, por lo que es adoptada por la mayoría de los fabricantes nacionales. Y algunas marcas extranjeras, como Ariston, utilizan revestimientos de esmalte hechos de placas de acero especiales espesas importadas, que tienen una excelente resistencia a la corrosión y pueden soportar presiones internas de más de diez kilogramos. Tienen una larga vida útil y son extremadamente seguros, pero producen revestimientos de esmalte. La inversión en equipos es enorme, el proceso es complejo y el contenido técnico es alto. A medida que se intensifique la competencia en el mercado, la tecnología de revestimiento de esmalte se convertirá en la tecnología dominante de los calentadores de agua eléctricos.
1.2 Rendimiento de seguridad, rendimiento de aislamiento térmico y eficiencia térmica.
La tecnología principal correspondiente al rendimiento de seguridad es la tecnología de separación hidroeléctrica. Esto se refleja principalmente en la tecnología de fabricación de tuberías de calefacción. En la actualidad, los famosos calentadores de agua eléctricos en el mercado doméstico generalmente usan tubos de calefacción con gancho de oro. El material principal del tubo de calentamiento existente es generalmente un tubo de cobre y un tubo especial de acero inoxidable, y este último se utiliza principalmente. El medio de aislamiento generalmente usa polvo de óxido de magnesio como aislador hidroeléctrico. Como auxiliar de la tecnología de aislamiento de agua y electricidad y un método de mercado, algunos fabricantes han instalado dispositivos de protección contra fugas eléctricas y dispositivos de corte de salida de agua en calentadores de agua eléctricos.
Otra tecnología relacionada con el rendimiento de seguridad es la tecnología de fabricación del termostato: un buen termostato puede evitar que la temperatura del agua sea demasiado alta y evitar quemaduras. El termostato utilizado en los calentadores de agua eléctricos se puede dividir en dos categorías: control mecánico de temperatura y control electrónico de temperatura, y el control mecánico de temperatura es el dominante. En la actualidad, todos los famosos calentadores de agua eléctricos domésticos utilizan termostatos importados.
El rendimiento del aislamiento térmico corresponde a la tecnología de selección y procesamiento del material de aislamiento térmico del calentador de agua eléctrico. Hasta cierto punto, la elección de los materiales está determinada por la tecnología de fabricación: existen tres categorías principales: espuma de poliuretano, espuma de polipropileno y algodón de fibra de vidrio. Entre ellos, la espuma de poliuretano tiene la mayor densidad y el mejor rendimiento de aislamiento térmico.
La eficiencia térmica de los calentadores de agua eléctricos es un indicador integral. La eficiencia térmica está estrechamente relacionada con la calidad del calentador y la calidad de la capa de aislamiento. Cuanto más denso y grueso sea el material de aislamiento, mejor será el rendimiento de aislamiento, y cuanto mejor sea el rendimiento de aislamiento, mayor será la eficiencia térmica. Al mismo tiempo, cuanto mayor es la eficiencia del tubo de calentamiento, mayor es la eficiencia térmica de toda la máquina.
En segundo lugar, la sugerencia de compra de calentador de agua eléctrico.
2.1 Elección de almacenamiento instantáneo y de agua
Existen dos tipos de calentadores de agua eléctricos domésticos: almacenamiento instantáneo de calor y agua. En comparación con los calentadores de agua a gas, los calentadores de agua eléctricos tienen las ventajas de seguridad, higiene y conveniencia: pueden proporcionar agua caliente en cualquier momento y la temperatura del agua es fácil de ajustar. Los calentadores de agua instantáneos son de tamaño pequeño y no necesitan precalentamiento, pero la potencia es grande, generalmente superior a 4-6kw, y la corriente de trabajo es de hasta 20A. Restringido por el cableado residencial doméstico, es difícil ser ampliamente utilizado. Además, el calentador de agua eléctrico instantáneo se calienta durante el flujo de agua, también conocido como calentador de agua por sobreflujo, por lo que se ve fácilmente afectado por la presión del agua durante el uso y los cambios en la temperatura del agua. El calentador de agua del tipo de almacenamiento de agua se calienta por almacenamiento de volumen de agua, que puede mantener automáticamente el calor y la temperatura constante. También puede proporcionar agua caliente durante los apagones, y puede usarse como un centro de suministro de agua caliente doméstica para que los hogares utilicen agua caliente y caliente, pero el volumen es grande y debe ser Calentar.
2.2 Opciones cerradas y abiertas
Los calentadores de agua de almacenamiento se dividen en dos tipos: cerrados y abiertos. El interior del calentador de agua eléctrico abierto no requiere resistencia a la presión, no tiene aislamiento térmico, y la estructura es relativamente simple. No puede suministrar múltiples lugares de agua al mismo tiempo. El tanque interno del calentador de agua eléctrico cerrado puede resistir la presión y el diseño estructural es relativamente seguro y razonable. Tiene una función de aislamiento de temperatura constante. Al mismo tiempo, suministre agua múltiple. En la actualidad, la mayoría de los usuarios están cerrados.
2.3 Selección del tanque interior
El tanque interno de un calentador de agua eléctrico de tipo de almacenamiento se utiliza para almacenar agua. Debe tener las características de preservación del calor, resistencia a la presión, sin óxido, sin incrustaciones y sin fugas de agua. De lo contrario, una vez que el daño es difícil de reparar, la vida útil del calentador de agua eléctrico depende de la capacidad interna. El material y el proceso de fabricación de la vesícula biliar, y cuando los usuarios compran calentadores de agua eléctricos, la elección de una buena vesícula es la clave. En la actualidad, los revestimientos internos de los calentadores de agua eléctricos en el mercado incluyen principalmente los siguientes: revestimientos internos de lámina galvanizada: el revestimiento interno de esta capa protectora de zinc es delgado, fácil de formar y fácil de procesar, pero es fácil de oxidar después del uso a largo plazo, lo que afecta la vida útil. Por lo tanto, generalmente no se usa. Revestimiento de acero inoxidable: el acero inoxidable es mejor en material que la lámina galvanizada y no es fácil de oxidar; muchos revestimientos de calentadores de agua usan este material, pero la desventaja es que el defecto de soldadura del revestimiento de acero inoxidable es difícil de encontrar, lo que es fácil de causar peligros ocultos. Después del uso a largo plazo El cromo en el acero inoxidable será corroído por los iones de cloruro en el agua del grifo y provocará fugas de soldadura. Revestimiento de resina anticorrosión galvanizada en caliente: cuando se procesa el revestimiento interno, la capa protectora de aleación de zinc formada por el proceso de galvanizado en caliente tiene un espesor de 0.7 mm o más, lo que puede evitar el contacto con el óxido y la electrólisis, pero la calidad y vida útil del revestimiento interno Depende de la tecnología y la calidad de la aleación de zinc y la resina antioxidante. Revestimiento de esmalte: el esmalte superficial de este revestimiento es un material no metálico, ni óxido ni escamas; el revestimiento en sí está hecho de una placa de acero gruesa, fuerte resistencia a la presión y tiene cierta resistencia al impacto, buena resistencia a la corrosión. Por lo tanto, la fiabilidad del revestimiento de esmalte es relativamente mejor.
2.4 Selección de la forma del cuerpo externo
La forma del tanque interior del primer calentador de agua eléctrico fue variada, pero desde un punto de vista geométrico, el diseño de la forma redonda de la olla fue el más uniforme y el más capaz de soportar altas presiones. Después de más de 20 años de desarrollo, algunas marcas conocidas de tanques calentadores de agua en el mercado están diseñadas en forma de tanque redondo.
2.5 Selección de capacidad y potencia
En general, una familia de 3 debería elegir entre 30 y 40 litros, y entre 4 y 5 personas deberían elegir entre 60 y 80 litros. La potencia de calefacción de un calentador de agua eléctrico de almacenamiento es generalmente de 1-1.5KW. De esta manera, se requiere el medidor de electricidad (capacidad de carga eléctrica) en el hogar Preferiblemente mayor que 10A. En la actualidad, algunos calentadores de agua eléctricos se han diseñado para calefacción de doble potencia, lo que brinda a los usuarios opciones, al mismo tiempo que también brinda comodidad para los calentadores de agua de gran capacidad debido a las necesidades de aislamiento a largo plazo.
3. Estructura del calentador de agua instantáneo.
La estructura del calentador de agua incluye principalmente tres partes: un cilindro de calentamiento, una placa de circuito, una carcasa y accesorios auxiliares.
3.1 Cilindro de calentamiento
El cilindro de calentamiento es el componente central del calentador de agua y el lugar de intercambio de calor. Se instalan múltiples conjuntos de tubos de calentamiento en el barril y se extraen electrodos desde la parte superior del barril. Se proporciona un sensor de flujo de agua en el canal de entrada de agua (el engranaje es un interruptor de flujo de agua) y se instalan sensores de temperatura en los canales de entrada y salida de agua. El cilindro de calentamiento tiene un diámetro de 5 cm y una longitud de 24,5 cm. Luego, se exprimen cuatro tubos de calentamiento en forma de U, y el volumen real es inferior a 300 ml, por lo que el flujo de agua se puede calentar rápidamente para lograr "calentamiento y uso".
El interruptor de control de temperatura está instalado en el cuerpo del cañón, la función es sobretemperatura y apagado, y la temperatura de funcionamiento es de 98 ℃. Para garantizar el contacto efectivo entre la parte inferior del interruptor de control de temperatura y el cilindro de calentamiento, la superficie de contacto está recubierta con pasta térmica (grasa de silicona) para reducir la resistencia térmica. Hay una pieza cóncava y convexa bimetálica redonda en forma de moneda dentro del interruptor de control de temperatura, el espacio cóncavo y convexo es de aproximadamente 1 mm, la superficie convexa está cerca de la superficie inferior metálica del interruptor, la pieza cóncava y convexa de la pieza bimetálica se voltea con la temperatura, el punto central puede producir una carrera de 2 mm , Empuje la varilla de transmisión para empujar el haz conductor del interruptor lejos del contacto, cortando así el circuito. Después de la acción, se requiere un reinicio manual.
La sobretemperatura puede ocurrir en tres estados: agua llena, falta de agua o incluso sin agua en el cilindro. El calor se transfiere al cilindro a través del agua, el vapor o la parte superior del cilindro. En la parte superior Según este análisis, este tipo de calentador de agua debe instalarse verticalmente.
3.2 Placa de circuito de control
Hay dos placas de circuito, una es la placa de circuito principal, que se fija directamente en el chasis, y la otra es la placa de circuito de visualización y operación, que se fija en el panel frontal, y las dos están conectadas por un cable de múltiples hilos. Después de consultar los datos y comparar los objetos reales, ignorando algunos detalles del circuito, el diagrama de bloques lógico del circuito se puede organizar de la siguiente manera.
Primero, se analiza el circuito del tubo de calentamiento y se utilizan relés para encender y apagar el tubo de calentamiento y lograr un aislamiento eléctrico fuerte y débil. El dispositivo de tiristores en el segundo canal también está conectado directamente en serie en el circuito del tubo de calentamiento, por lo que el aislamiento eléctrico se logra mediante un dispositivo optoacoplador. El optoacoplador envía la señal de control del microordenador de un solo chip al tiristor a través de la conversión secundaria de "electricidad-óptica-electricidad". El segundo es el circuito de control del microcontrolador. En aras de la confidencialidad, la identificación del modelo del microordenador de un solo chip se ha borrado, pero no afecta el análisis del circuito. La señal de entrada del microordenador de un solo chip incluye el flujo de agua, la temperatura del agua y la temperatura del agua, que proporciona el circuito sensor correspondiente. La señal de control de salida del microordenador de un solo chip incluye dos relés y un tiristor. La MCU usa múltiples E / S para conectar la pantalla, el zumbador, la memoria E2 PROM, los botones de operación y otros circuitos. Además, hay circuitos de alimentación, circuitos de protección contra fugas, detección de cruce por cero y otros circuitos.
Cuarto, el análisis del circuito del tubo del calentador
4.1 Método de control del circuito de calentamiento de engranajes
El conjunto de engranajes tiene cuatro tubos de calentamiento con dos potencias de 1.7kW y dos 2.3kW. Usando cuatro relés para controlar por separado, se pueden combinar un total de 8 combinaciones de potencia de 1.7-8kW, correspondientes a 8 engranajes. Para satisfacer las necesidades de diferentes temperaturas.
4.2 Método de control del circuito de calefacción de la máquina de temperatura constante
El termostato también tiene cuatro tubos de calentamiento, cada uno de 2kW, dividido en 2 grupos de cableado, cada grupo es de 4kW, el primer grupo es responsable del "ajuste aproximado" con el control del relé, y el segundo grupo es responsable del "ajuste fino" con el relé y el control de la serie de tiristores bidireccionales ". SCR es un tipo de dispositivo semiconductor de alta potencia, que puede controlar la corriente cambiando el ángulo de conducción y realizar cualquier distribución de potencia entre 0-4kW. La combinación de los dos grupos puede lograr cualquier salida de valor de potencia de 0-8kW.
4.3 Principio de control SCR
Comprenda el principio de funcionamiento del control SCR, puede comprender más detalles del diseño del circuito. El triac es un dispositivo semiconductor de múltiples capas, que es equivalente a un interruptor especial. Se caracteriza por "disparar, sostener después de encender y apagar solo después de apagar". Los electrodos T1 y T2 están conectados en serie en el circuito del tubo de calentamiento para disparar la señal. Es emitido por el microordenador de un solo chip y cargado en la puerta G después de ser aislado por el optoacoplador.
Después de que se activa el disparador TRIAC, incluso si se elimina la señal del disparador, el dispositivo puede permanecer en el estado encendido hasta que se apaga después de apagarlo, esperando el próximo disparador. El corte de energía utiliza el "cruce por cero" de la onda sinusoidal de 50 Hz de la fuente de alimentación de CA. En un medio ciclo (ángulo π, duración 10 ms), deje que t1 y t3 sean los dos momentos de "cruce por cero" al principio y al final, y t2 sea una señal de conducción de carga Por el momento, el ángulo de t2 a t3 es el ángulo de conducción, siempre que se cambie el ángulo de conducción (0-π), la corriente de conducción se puede controlar para lograr cualquier distribución de potencia entre 0-100%. La computadora de un chip muestrea la señal de cruce por cero en el tiempo t1, comienza a cronometrar y envía la señal de disparo cuando se retrasa a t2. El tamaño del ángulo de conducción y su período de cálculo deben determinarse de acuerdo con la compleja teoría del control automático. La señal de cruce por cero proviene del voltaje secundario del transformador de potencia y, después de la rectificación y la configuración, se envía al microordenador de un solo chip como una señal de control síncrono.
4.4 Circuito de protección contra sobretemperatura
Hay dos grupos de circuitos de protección contra sobretemperatura: el primer grupo utiliza interruptores controlados por temperatura para evitar temperaturas anormalmente altas. El segundo conjunto de protección contra sobretemperatura es "protección contra temperatura alta del agua", el valor de protección generalmente se establece en 60 ℃ y se controla mediante el software de un solo chip. Una vez que la sobretemperatura, corte el circuito del tubo de calefacción, muestre una indicación y sonido, cuando la temperatura regrese por debajo del valor establecido, automáticamente reanudará el control de temperatura constante normal. Durante la prueba, cuando la temperatura del agua era superior a 60 ° C, se observó que el microordenador de un solo chip cortaba los dos relés y cerraba la señal de disparo del tiristor, y al mismo tiempo, el zumbador producía tres sonidos cortos de alarma de 90 ms.
En el termostato se utilizan diversos sensores, como sensores de temperatura, sensores de flujo, transformadores de corriente e interruptores de control de temperatura. El interruptor de control de temperatura es tanto un sensor como un controlador. Los transformadores de corriente se utilizan para proteger contra fugas. Aquí presentamos el principio y la tecnología del sensor de temperatura y el sensor de flujo.
El termistor NTC se utiliza para el sensor de temperatura del agua, NTC es un coeficiente de temperatura negativo. Este tipo de sensor utiliza manganeso, cobalto, níquel, cobre y otros óxidos metálicos como materiales principales y se fabrica mediante un proceso cerámico. Cuando la temperatura es baja, el número de portadores (electrones y agujeros) de estos materiales de óxido es pequeño, por lo que el valor de resistencia es alto. A medida que aumenta la temperatura, aumenta el número de portadores y disminuye el valor de resistencia. El valor de resistencia del sensor de temperatura debe convertirse en voltaje después de la conversión AD mediante el microordenador de un solo chip, y luego convertirse en valor de temperatura antes de que pueda usarse para el cálculo, el control y la visualización.
La estructura interna del sensor de flujo de agua, mirando hacia abajo desde la parte superior, se coloca en el espacio interno cilíndrico, un impulsor, un anillo magnético se envuelve en el impulsor y luego se sella con una cubierta superior, la cubierta superior tiene una ranura, simplemente incrustada en el dispositivo Hall La distancia entre el anillo y el dispositivo Hall es inferior a 3 mm. El flujo de agua impulsa la rotación del impulsor. Usando el efecto Hall, el elemento detecta el cambio en la señal del polo magnético y emite una señal eléctrica. El efecto Hall se refiere al fenómeno de que se generará una fuerza electromotriz en una dirección perpendicular a la corriente I y al campo magnético B cuando la corriente fluya a través de la lámina semiconductora. El modelo de dispositivo es W12, que integra el elemento Hall y el circuito de procesamiento de señal, incluido el voltaje de referencia, el amplificador, el disparador Schmitt y el transistor de salida de accionamiento, que puede emitir directamente la onda cuadrada de pulso conformado.
5. El circuito de control de temperatura del calentador de agua.
Según la teoría del control automático, el control de temperatura típico generalmente usa control analógico PID, es decir, "proporcional (P) -integral (I) -diferencial (D)", donde r (t) es el valor dado, y (t) el valor de salida real , La desviación e (t) = r (t) -y (t), el valor de la desviación se calcula mediante PID y se combina linealmente para formar la cantidad de control u (t) para controlar el objeto controlado.
El control proporcional es emitir proporcionalmente la cantidad de control de acuerdo con el tamaño del error, de modo que la cantidad controlada cambie en la dirección en que disminuye el error. El tamaño de la cantidad de control depende del coeficiente proporcional Kp. Suponiendo que la temperatura establecida es de 40 ° C y el ancho de banda proporcional es de 20 ° C, cuando la temperatura de salida es inferior a 30 ° C, la salida de potencia total del controlador y la salida de cero superior a 50 ° C se controlarán proporcionalmente entre los dos. En teoría, el control proporcional puede lograr un efecto de temperatura constante.
Sin embargo, el control proporcional no puede resolver el problema del error estático (también llamado error estático o error de estado estacionario). Por lo tanto, se introduce un control integral para memorizar e integrar el error estático, y la cantidad de control se ajusta para reducir el error estático. El control integral necesita muestrear e integrar los pocos errores anteriores para generar la señal de control, por lo que hay una histéresis grande, por lo que el control diferencial se introduce nuevamente. El diferencial refleja la tendencia (tasa de cambio) del error, de modo que la cantidad de control se genera a tiempo. En el sistema real, el valor de la temperatura es un valor discreto obtenido por muestreo, y los términos integrales y diferenciales deben ser discretizados.
Otro controlador automático ampliamente utilizado es el controlador difuso, que es muy adecuado para calentadores de agua instantáneos. Los estudios han demostrado que el control difuso tiene un mejor efecto de control en sistemas inciertos, como los no lineales y los que varían en el tiempo. El proceso de control del controlador difuso es: después de que la interfaz difusa procesa la señal de entrada, el motor de inferencia recupera la lógica de la base de datos y el almacén de reglas, y el vector de datos se usa para resolver las ecuaciones de simulación de acuerdo con las reglas relevantes para obtener la cantidad de control difuso, y luego a través de la interfaz difusa Convertido en señal eléctrica de control. Entre ellos, la base de datos almacena los valores del vector de membresía de todos los subconjuntos difusos de cada variable de entrada y salida, y las reglas de las reglas de control de existencias. Estas reglas están definidas por expertos y experiencia. En la prueba comparativa de Yu Hongjie, el control difuso es superior al modo de control PID para alcanzar el tiempo de estado estable, la precisión del control y la capacidad antiinterferente.
6. Diseño de tecnología de seguridad del calentador de agua.
La seguridad es la consideración principal de la elección del usuario. Si el tubo de calentamiento está roto o perforado, el cable de calentamiento dentro del tubo entrará en contacto con el agua, haciendo que se cargue el cuerpo de agua. Los calentadores de agua instantáneos toman las siguientes medidas para garantizar un uso seguro de la electricidad.
6.1 Dispositivo de puesta a tierra y protector de fugas
El entorno de distribución de energía estandarizado es una barrera de seguridad, que incluye sistemas de puesta a tierra y protectores de fugas. El cable de conexión a tierra en la línea de alimentación del calentador de agua debe estar conectado de manera confiable al cable de conexión a tierra del hogar. El protector de fugas debe presionar el botón de prueba una vez al mes para verificar la efectividad. El calentador de agua instantáneo tiene alta potencia y se debe configurar un disyuntor de 40 A, y se debe colocar una línea de alimentación dedicada de al menos 4 mm2.
6.2 Circuito de detección de fugas
Hay un circuito especial de protección contra fugas dentro del calentador de agua. Hay un transformador en la entrada de alimentación (fase y neutro, excluyendo la tierra), y una bobina se enrolla en el transformador como la bobina primaria, y la bobina secundaria del transformador tiene un Miles de vueltas. Si se produce una fuga, la corriente de la línea de fase y la línea neutra son inconsistentes, se genera una inducción magnética y el voltaje del circuito secundario CS54123 amplifica el voltaje inducido secundario. La computadora de un solo chip controla el calentador de agua para desconectar el relé. En la prueba de fuga simulada, se observó que la MCU apagó las señales de activación de los dos relés y el tiristor después de 77 milisegundos, generando una señal de alarma audible y una pantalla de código de falla.
6.3 pared anti-eléctrica
La pared anti-eléctrica es en realidad una sección de tubería de agua aislada, que atenúa la corriente de fuga a través de la resistencia del propio cuerpo de agua. Para lograr una longitud suficiente, el diseño interno es generalmente una tubería en espiral, y el uso de esta tubería tiene buena confiabilidad.