贮水式电热水器技术概述

由于我国地域辽阔，使用的水质差异极大，目前普通的贮水式电热水器（以下简称热水器）的两个主要的部件——电热管和内胆的使用寿命无法准确预测，只能依据统计学上的概率计算方式，根据类似产品的实际使用的寿命数据，并按照产品的使用区域来预测批量性产品的平均质量水平。在这两者中，内胆的损坏导致整个热水器产品的报废，电热管的损坏导致热水器不能使用并有可能同时带来漏电伤人的危险。


对于电热管的损坏，实际的市场数据也表明，会降低热水器使用过程中的安全性，因此电热水器基本上均安装有漏电保护器以保证热水器一旦漏电马上切断热水器的供电电源以保护用户的安全。在水质差的区域，电热管的使用寿命相对较短，在电热水器的整个寿命期间一般须更换几次电热管，这增加了用户的经济负担，同时也增加了热水器生产厂家的售后服务工作量。


在中国目前生产电热水器的企业中，有许多注重核心技术的研究和生产工艺的提升，但也有部分企业，在电热水器产品的宣传上，或以偏概全地特别强调某种特点，或靠不断的制造“概念”来吸引消费者的注意，甚至是误导消费者，国内太多的各种概念的内胆和所谓“防电”“隔电”技术就是最好的说明。


贮水式电热水器加热方式概述


目前国内的热水器的生产企业和许多相关的公司和企业，为寻找适用于电热水器的最佳电加热技术以便解决普通电热管存在的上述不足，采用的方案多种多样。有采用电磁、微波加热的；有通过改善电热管本身工作环境的方式，如电热管通过导热油间接加热的、管外套管的双层电热管的、陶瓷绝缘体和电热丝组成的发热芯外套金属搪瓷管的水电分离管的，还有采用金属管内置片状半导体陶瓷（PTC）发热元件的等等。从材质上分也是多种多样，如铜质管304（Ｌ）/316（L）/840/incloy　800不锈钢管等，在不锈钢电热管外包纯镍金属的复合金属管等等。


上述方案中，普通的电热管结构，仅通过采用具有高性能（如耐干烧、耐腐蚀等）的材质或采取措施提高金属材质的抗腐蚀能力的方式，有一定的益处或说在水质不太差的地域有较好的效果，但在使用时间较长或水质不好的地域时，同样须定期更换电热管。


采用电磁加热的方式，因为是间接加热（类似家用电磁炉，先加热内胆的一部分，内胆再将热量传给内胆中的水），因此具备水电完全分离的优点，控制系统的能耗较普通电热水器高，因此整机热效率偏低，尤其是在内胆中沉积的水垢变厚时，热效率将更低，在这种结构中，同样的水垢沉积比对普通电热管上水垢的沉积对电热效率的影响更大一些。同时因必须具有远较普通电热水器中复杂的电子电路系统，电子系统的通风散热问题导致系统工作的可靠性降低。因为电热水器的使用环境不同于普通的家用电磁炉，必须考虑在浴室中使用时的防水问题。产品的成本和故障率也远高于普通电热水器。


采用微波加热的热水器，工作原理类似于微波炉，该种产品具备许多优点，如水电完全隔离，无漏电安全问题；微波直接对水加热，不存在结垢的问题；内胆中的水加热均匀；微波具备杀灭多种细菌的作用，有益人体健康；微波加热装置，使用寿命长；电子控制系统比电磁热水器简单许多，结构设计合理时，热效率远高于家用微波炉的不足60％，可达到80％以上。但同样存在能量的二次转换问题带来的效率的降低，即电能先转换为微波能，微波能再加热水使水的升温。产品的成本也远高于普通电热水器。


对采用电热管通过导热油间接加热的方式，具备水电完全分离的优点，但同样存在能量的二次转换问题带来的效率的降低，即电能先转换为导热油的热能，导热油的热能再转换为水的热能。此方案需要多考虑一种液体（导热油）的密封、保温和传热问题，因此结构稍微复杂一些。产品的成本也高于普通电热水器。


管外套管的双层电热管、陶瓷绝缘体和电热丝组成的发热芯外套金属搪瓷管的所谓水电分离管，都因内部的电热丝距离水的距离更大一些导致所产生的热量不能及时被外部的水流带走而使工作环境处于相对严酷的状态，反而大大影响内部的电热丝的使用寿命，使此类电热管的使用寿命相比较之下显得更短一些。但此类发热管的好处是即使电热丝损坏，仍然处于“水电分离”的安全状态。


采用金属管内置片状PTC发热元件的方式，片状PTC单位面积的发热功率比较小，同时受内胆管口和PTC片的尺寸的限制，在结构上要求PTC片的两个端面导电并彼此绝缘，故一般为扁长条状，由铜管，绝缘薄膜，片状电极和PTC片等组成，因此此类发热元件最大的优点是不怕缺水时的干烧（PTC元件的优点），但缺点也是显而易见的，长条的根部强度差，长途运输的振动易损坏，功率会随使用时间的延长而逐渐降低（PTC元件的缺点），薄片状的PTC的两个导电端面的电气绝缘的处理和封装因难度较大而不易保证质量。


经过两年多的潜心合作研究，对于热水器这一问题的解决，美的厨具目前已在技术上找到认为切实可行的解决方案，这就是采用氮化硅发热元件。目前我们公司采用该技术开发的新产品D12A即将投放市场。该型号产品的最大特点是采用特殊的新型发热元件“氮化硅”。


新型发热元件——氮化硅简介


氮化硅发热元件，它是一种采用金属钨、钼及氮化硅粉末在极高温(近2000℃)和极高压下压制成型的一种发热元件。目前在国内已能够正常批量生产，并且技术日趋成熟。通过的我们长时间的测试、试验和样机的使用，该元件的具有如下特点：


1.抗干烧能力强，本身可长期干烧使用；


2.抗酸、碱腐蚀；


3.抗结水垢，即使将元件全部埋入泥沙中时，也能正常工作。在正常发热工作时，元件的表面温度高达800～900℃，由于氮化硅元件表面光洁且温度高，且热膨胀系数远小于元件表面的水垢，因此，在发热元件不工作的保温期间所附着的水垢，一旦发热元件加热工作后，会马上呈鳞片状脱离元件。


4.耐高、低温；


5.抗冲击和振动等方面远优于目前普通的电热管；


6.长期使用无毒、无异味、无变质，符合国家卫生标准；


7.发热效率可高达98％以上；


8.氮化硅元件发生断裂损坏后的所具备的电特性，不同于普通电热管的“爆管”损坏，其断裂后在水中的漏电远小于后者，这是由其特殊的结构所决定的。


9.在氮化硅加热组件的结构设计上，对内胆而言，可采用与普通电热管元件一样的接口，便于生产的组织和管理。


氮化硅元件使用时的安全性


热水器作为直接使用的家用电器，安全始终是生产厂家必须优先考虑的问题。对于目前在电热水器上的广告宣传上的各种附带的防电功能，我们也针对部分产品增加了隔电的功能，以满足部分用户的需要。但如果单纯地认为只有使用防电墙的电热水器才安全，只有使用防电墙才能对来自电器接地地线和自来水管的漏电提供保护就未免有点太过了。我们不可否认防电墙会为消费者带来一定的安全保护，而且事实证明防电墙可以起到确保水流不带电，但另一方面，防电墙是不能取代漏电开关的作用的，因为如果发生漏电事故，还是截断电源才是最安全的方法，所以美的电热水带防电墙系列的电热水器同样强调漏电开关的保护功能。


其实只要产品的设计和生产达到安全标准，产品的质量符合要求，热水器的安装正确，用户的用电环境正常，电热水器完全可以放心使用。但为了杜绝十万分之一的意外产生机会，美的厨具经过长时间的潜心开发，终于设计出采用氮化硅发热元件的电热水器，该元件发生损坏后的所具备的特有的电特性，完全不同于普通的电热管，普通的电热管损坏后电热丝直接与内胆中的水接触而导致漏电，而氮化硅元件断裂后在水中的泄漏电流很小。如果元件工艺控制严格，产品结构设计合理，泄漏电流的大小可控制在安全水平以内。


采用氮化硅元件的贮水式电热水器对推动国内的热水器的技术研究起到积极的促进作用。它的创新不在外观而在核心，将对推动国内贮水式电热水器的技术进步做出积极的贡献。