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摘要：本文介绍了一种带自发电装置的强制排烟燃气热水器的设计。首先对燃气热水器基础知识进行介绍，然后对自发电方式进行了分析，选择了适应燃气热水器的自发电技术路线，然后对半导体温差发电方式自发电式燃气热水器进行了设计。该自发电燃气热水器具有能有效地在无交流电的情况下正常工作强制排烟，避免高压漏电产生的隐患，充分回收半导体发电中浪费的热能等特点。
关键词:热水器；燃气制热；温差发电；半导体
1 燃气热水器发展现状
目前家用热水器主要有电热水器和燃气热水器两种，但更多的消费者愿意在更换和添置热水器时选择燃气热水器，究其原因，主要是目前市场上的大部分电热水器，还属于储水式热水器，机体体积较大，对安装空间的要求较高，同时由于存储的热水量有限，如果家中使用人数较多，可能需要一段时间的加热，无法满足持续的热水输出。而随着燃气的普及，燃气热水器本身体积小、热水持续输出能力强的特点逐步显现。
燃气热水器按照安装方式分为： 烟道式、强排式、强制给排式[1]。烟道式热水器一般使用电池供电，靠烟气与空气的温度差形成的自然抽力排烟。强排式、强制给排式一般使用市内交流电供电，靠热水器内的风机强制排烟。对于多层的商住房，由于烟道的条件受到限制，烟道的垂直高度不够，无法形成有效的自然抽力，都需要安装强排式、强制给排式热水器才能安全的排除烟气。
但在电力不足的城市，会经常拉闸限电，没有市电，强排热水器就无法工作，限制了用户的使用。为此考虑研发一种可以自己发电的强排热水器来满足电力无法保障的用户使用热水器的需求。
2 发电方式的研究
对于10升强排式热水器内主要的用电部件是风机，需要20-25W左右，其余是控制器和显示面板，预计需要5-10W。自发电热水器的发电功率要达到30W。
经过对热水器能源分析，热水器可利用的能源有水的势能、燃气的热能，可采用的发电方式有：水流发电、磁流体发电、蒸汽发电与温差发电。不同发电方式在自发电燃气热水器中应用的可行性分析如下。
水流发电：用水流直接冲击水流发电机发电。由于燃气热水器通过的水流较小，且水压不大，经过计算，对于10升的流量和0.3MPa的压力下，水的势能完全转化为电能，最大发电量小于10W, 水流发电无法满足强排式热水器的需求。
磁流体发电：燃气加热后电离，使之在2000℃的高温下电离成导电的离子流，然后让其在磁场中高速流动时，切割磁力线，产生感应电动势，即由热能直接转换成电流。但燃气热水器燃烧温度仅有1200-1600℃，产生的粒子流较少，因此不适合采用磁流体发电。
蒸汽发电：燃气加热水产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机发电，蒸汽发电是很成熟的技术，但若改为小型发电装置结构太复杂，也不可取。
温差发电：燃气燃烧热能与水形成的温差发电，半导体温差发电效率[2]仅有3%，采用温差方式产生30W的电源，约需要1000W的燃气热能，对于10升强排式热水器，燃气的输入功率为20kW，完全可以满足输入功率要求，至于发电过程浪费的能量可以余热回收加热热水。
因此，最终采用燃气燃烧热能与水形成的温差发电方式作为自发电热水器的发电方式。
3 自发电热水器的设计
3.1自发电式燃气热水器基本结构
自发电式燃气热水器的三维图如图1所示，其基本结构如图2所示。
自发电式燃气热水器它包括有水阀、气阀、燃烧器总成、燃烧室、热交换器、集烟罩、排烟管、风机、控制装置，另外还包括蓄电池、半导体自发电装置，半导体自发电装置分别与控制装置、蓄电池、风机进行电联接，热水器工作时，首先蓄电池向风机和控制装置提供直流电源，使热水器启动，随后半导体自发电装置向风机和控制装置提供直流电源，维持热水器正常工作，并向蓄电池反充电。
图4半导体自发电装置俯视图
半导体自发电装置包括有半导体加热板、半导体冷却器、半导体片、半导体自发电装置热交换器、半导体加热燃烧器与电磁阀等。半导体加热板与半导体加热燃烧器的燃气火焰相对，使半导体加热燃烧器的燃气火焰加热半导体加热板中的肋片，半导体片的一侧与半导体加热板相接，另一侧与半导体冷却器相接，半导体冷却器的进水口通过管道与水阀连接，半导体冷却器的出水口通过管道与热交换器的进水口连接，半导体自发电装置热交换器置于半导体加热板的上方和集烟罩的下方，半导体自发电装置热交换器的水管连接在半导体冷却器之间的管道上，半导体加热燃烧器的燃气管道通过电磁阀和气管与气阀连通，半导体加热燃烧器的空气通道与风机连通，半导体加热板和半导体自发电装置热交换器共同构成半导体自发电装置的烟气通道，电磁阀置于半导体加热燃烧器和气阀之间。
3.3自发电式燃气热水器电路控制流程图
自发电式燃气热水器电路控制流程图如图5所示
图5 半导体自发电热水器电路控制流程图
自发电式燃气热水器的用电设备、传感器、执行器包括： 直流12V风机、风压开关（用于80Pa正压保护，超压断开)、热电池(四组12片，热电池单向供电）、蓄电池12V、温控器（主燃烧器过热保护）、热电偶（发电装置加热板过热保护）、微动开关（主开关）、主火点火针、主火反馈针、副火点火针、副火反馈针、主电磁阀（控制主气路和副火的一条气路）、副电磁阀（控制副火的另一条气路，用于急速加热）和电路控制器。
首次使用或者长时间（如半年）不使用时，先给自发热水器的蓄电池充电。
正常使用时，打开水阀，自发电式燃气热水器将按电路控制流程图工作，启动过程中使用蓄电池供电，很快就由发电装置供电并向蓄电池充电。
4结束语
本文主要介绍了一种自发电燃气热水器设计。首先对燃气热水器基础知识进行介绍，然后对自发电方式进行了分析，选择了适应燃气热水器的自发电技术路线。然后对半导体温差发电方式自发电式燃气热水器进行了设计。本设计的创新点是:半导体自发电装置与主加热系统的分体设计，热水器负荷变化时不会影响发电量；半导体自发电装置包括有半导体加热板、半导体冷却器、半导体片，半导体自发电装置热交换器的设计，设计了一个独立的高效的发电单元；自发电式燃气热水器电路控制的设计，包含双点火系统、双燃烧系统，充放电系统的设计。受到篇幅限制，关于发电半导体的型号选择，功率匹配，发电装置的过热、过电压保护，充放电电路设计等内容没有展开。
本产品设计于2006年，当时国内经济快速发展，电力供应不足，导致很多城市经常拉闸限电，特别是华东地区，影响城市居民正常生活和洗浴，在此背景下，开发了该产品，后期由于发电模块成本太高，以及城市电情况缓解，该产品没有推向市场。本产品不用市电，没有使用燃气热水器漏电的威胁，另外在其他特殊环境，例如房车，仍有一定市场空间。因此仍然具有研究意义。
参考文献:
[1] 夏昭知，潘兆铿. 燃气快速热水器[M].重庆：重庆大学出版社, 2012.
[2] 贾磊, 陈则韶, 胡芃,等. 半导体温差发电器件的热力学分析[J]. 中国科学技术大学学报, 2004, 34(6):684-687.
论文作者:李志强
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/1
标签：半导体论文; 热水器论文; 燃气热水器论文; 装置论文; 热交换器论文; 温差论文; 燃气论文; 《电力设备》2018年第16期论文;