间歇性家用电器耗电分析定稿.docx
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间歇性家用电器耗电分析定稿
间歇性家用电器耗电分析
——间歇性单热饮水机研究报告
组长：
林相宇班级：
高二（12）指导老师：
刘文庆
组员：
林相宇高文亮赵雨辰
摘要：
间歇性工作，作为家用电器节能的重要手段之一，在生产和生活方面具有一定的实际意义，本组对间歇性家用电器耗能（以间歇性饮水机为例）进行了研究和分析，主要包括效率分析和能量损耗分析，并对饮水机的改良提出了数种建议。
Theintermittentdomesticelectricappliancesconsumetheelectrolysis
Theintermittentwork,oneofimportantmeansconservesenergyasthedomesticelectricappliances,isproducingandlifeaspecthascertainpracticalsignificance,thisgroupconsumedenergytotheintermittentdomesticelectricappliances（takesintermittentdrinkingfountainasexample）tocarryonhasgroundtoinvestigateandtoanalyze.Mainlyincludedtheefficiencyanalysisandenergylossanalysis.Andimprovementofhavingadrinktogetherhydraulicengineproposedseveralkindsconstructedtodiscuss.
研究目的：
通过接触间歇性家用电器，了解其一些基本的原理和构造，体会先人们
在这一课题上所做的研究与贡献。
通过实验研究与理论计算相结合的方法，对其耗电方面进行分析（其耗电量大小，电能损耗的原因，工作效率多高等）。
研究过程
一、了解间歇性家用电器
1、间歇性家用电器是指具有按照实际要求自动开启或转换挡位功能的电器，日常生活中常用的主要有冰箱、洗衣机、空调器、自动调温电饭锅和饮水机等等。
间歇性家用电器问题可分为两类：
一是各个间歇时段工作的功率不变，例如电冰箱、空调器等；一是各个间歇时段工作的功率可能不同，例如洗衣机在洗涤和脱水时，电饭锅、饮水机在加热和保温时等等。
2、在前人研究基础上，通过查阅资料，本组组员给出了当前间歇性家用电器主要的种类及其工作原理（见附录），经过组内讨论和协商，决定舍弃内部结构复杂的电冰箱和空调，又排除了实验危险性较高的电饭煲和电熨斗，以结构较简单，危险性较低的饮水机作为研究对象。
而饮水机的种类繁多，有温热型饮水机、半导体直冷式冷热饮水机、压缩式制冷饮水机等，其加热水的原理基本相同。
经组内讨论我们选择了安吉尔单热饮水机，对其制热水的过程进行耗电分析。
二、实验设计与实施
讨论后，我们猜想，饮水机耗能主要应该分两个方面：
一是电路上分配到加热器上的损耗；二是水在被加热时的热量损耗。
因此，本组将总实验分成3个部分，分段进行
实验1：
间歇性饮水机内部结构分析
实验目的：
通过观察实物饮水机的内部结构和分析原理电路图，初步了解其工作原理，为测定饮水机所耗电能做好准备
实验器材：
实物饮水机，螺丝刀，纸、笔，照相机等
实验步骤：
1、使用螺丝刀对饮水机进行拆解，理清内部结构
2、将电路原理图与实物对照，分析其工作原理
实验成果：
1、通过实物拍摄，分析饮水机内部结构
饮水机内部制热装置实物
间歇性家用电器内部结构立体图（主要部件）
饮水机电气原理图
2、饮水机工作原理分析：
1、当冷水（水温默认为20℃）刚进入热罐时，开关闭合，89℃温控开关和90℃温控开关均闭合，由于电路处于交流电路中，则一半时间内电流从蓝线——97℃温控开关——热罐/加热指示电路（图中加热（红）所指）——89℃温控开关——红线，另一半时间内从红线——开关——89℃温控开关——热罐——97℃温控开关——蓝线,此时热罐全部时间内都处于工作状态，红色发光二极管亮
2、当水温到达89℃时，89℃温控开关断开，则工作时一半时间内电路中无电流通过，另一半时间内电流从红线——开关——保温指示电路（图中保温（黄）所指）——热罐——97℃温控开关——蓝线，至此，热罐有一半时间在非220V电压工作，保温黄色指示灯亮，水温缓慢上升，到97℃左右时，热罐中水放出热量与加热热量持平，水温保持恒定
实验后期总结与反思：
针对此原理分析和结构，我们对其工作原理仍不是很理解。
比如，97℃的温控开关有什么作用？
保温的时候加热器是否工作等等。
接下来，我们将进行进一步实验，对这些问题进行探究。
实验2：
测量间歇性饮水机加热电路的有用功率
实验目的：
间歇性饮水机工作时制热电路的有用功率。
实验器材，水、温度计、烧杯、量筒、机械秒表、安吉尔实物饮水机等
实验思路：
1、加热电路的目的是加热水。
因此，水所吸收的全部能量，就是加热电路的有用能量。
2、根据公式Q=CM△t,可算出饮水机加热一罐水所需能量。
3、再根据P=Q/T可以算出其有用功率。
实验步骤：
一．测量被加热水的体积（重复三次）
1.向饮水机中倒入水，使得冷水刚刚充满热罐。
2．打开饮水机后侧排水阀。
待水流尽后，数出烧杯个数,对一瓶未装满水的烧杯（体积已标明），用量筒测出其水体积，加合所有烧杯水中体积，得热罐体积为V.
二．测量水在一个保温-加热-再保温过程中的温度变化（重复三次）
1．向饮水机中倒入水，仅使热罐中充满冷水。
2．接通电源，指示灯显示加热，待指示灯刚从加热状态跳转入保温状态时，记下加热时间为t1,关闭加热开关。
然后，将温度计直接放在出水口处并放水，待示数稳定后，读出温度计示数为T1。
3．把放出的部分热水再次倒入饮水机，再次加热。
当饮水机刚刚第二次进入加热状态（即经历加热-保温-再加热），记下保温时间为t2,关闭加热开关。
然后，将温度计放在出水口处，待示数稳定后，读出温度计示数为T2。
数据处理：
原始数据表格（实验记录用）
实验序号
热罐体积V/L
加热后温度T1/℃
加热时间t1/s
保温后水温T2/℃
保温时间t2/s
1
1126
89
607
73
2560
2
1163
89
603
78
2598
3
1104
89
615
79
2533
由公式m=ρV可算出热罐中水的质量为m
根据公式Q=CM△t可算出加热一罐水所消耗能量为Q
数据处理后记录表格：
实验序号
热罐中水质量m/Kg
水初始温度t0/℃
水最终温度t1/℃
加热一灌水所需能量Q/J
加热电路有用功率
1
1.126
23
89
3.12*105
514
2
1.165
23
89
3.23*105
536
3
1.104
23
89
3.06*105
496
算出加热电路的有用功率P=515W
实验误差分析：
1、再用烧杯接排水阀水过程中，有少部分水会溢出，导致测得体积偏小
2、在放热水过程中，注意热水流速，太快会造成温度计示数稳定前水已经放完，太慢则会导致温度计示数不稳定。
备注：
1、在使用温度计测量水温时，不能将温度计放入烧杯中，因为烧杯散热过快，导致示数稳定后实验误差较大，应采用将温度计直接放在出水口处，用水冲淋的办法。
2、在放热水过程中，应先将温度计预热至70-80℃左右。
实验总结与反思：
本次实验过程中，由于一开始准备烧杯数量略少，组员配合不够默契，且热罐水平放置，导致实际测出水量偏小，后来准备了充足烧杯（9个）经过多次演练，实验过程中将热罐略微倾斜，使水完全流出，测量出数据误差小了很多。
实验3：
测量间歇性饮水机的制热功率
实验目的：
测量间歇性饮水机的热罐中的加热电阻的功率，估测饮水机在一个加热周期内所消耗的电能.
实验器材：
万用电表，导线，实物饮水机，实验电源（250V~）
实验步骤：
一、测量加热器电阻（重复三次）
1、不接电源，把导线连在对应的电阻两端。
2、将万用电表调至欧姆档，测得加热电阻阻值为R1。
二．测量加热器加热、保温时的电压
1．向进水口倒入足量的水，接通电源。
指示灯指示在加热状态后，用万用电表测得加热电阻两端电压为U1。
2．当指示灯指示在保温状态后，用万用电表测得加热电阻两端电压为U2。
数据处理：
原始数据表格（实验记录用）：
实验序号
电阻R1/欧
电压U1/伏
1
98
232.5
2
95
235
3
95
234
因为加热电阻是纯电阻，根据P=U2/R,算出电阻制热功率。
数据处理后记录表格
实验序号
制热功率P/W
1
563.08
2
581.31
3
576.38
最终测得耗电量为3次平均值，=573.4
实验误差分析：
1、用欧姆表测电阻时，若两极交换，测出电阻间有微小差异，因为一次测的是加热电阻真实值，一次测的是加热电阻和加热控制电路上的电阻的并联值，由于加热控制电路上的电阻阻值高达数千至数万欧，并联后差异可忽略不计。
实验后期总结与反思：
本次实验过程中，对于万用电表的接法，组内人员有着一定的分歧。
最后，我们采用了如上图所示的万用电表接法，虽然中途带电阻的导线会带有一小部分电压，使测量值偏大，但比在加热电阻处剪掉电线塑料皮测量要安全许多。
整体总结：
经过以上三个实验，我们测量了进行耗电分析所需要的必要数据，并在实验过程中，更深入的了解了饮水机的工作原理，对物理实验的设计与实施，也有了进一步的认识。
三、间歇性家用电器（饮水机）效率计算及其能量损耗分析
第一部分：
间歇性饮水机加热效率计算
分析思路：
以实际加热过程中水的吸热功率为有用功率，以交流电流输出的电功率为总功率，计算其效率。
计算与推导过程展示：
1.计算电路总功率:
由于加热时，定值电阻并联，故通过定值电阻电流I2=U/R0,同理，通过加热电阻的电流I1=2.45A则电路总电流I总=I1+I2,则电路总功率P总=I总*U总=584W
2.则总效率η=P1/P总=87.7%,η1=P1/P2=89.4%,电路效率η2=P2/P总=98.2%
第二部分：
间歇性饮水机能量损耗分析
根据效率计算，原理分析和实验发现，其实饮水机本身的效率并不高，经过与老师交流和小组内讨论，对此，我们从电路损耗，非电路损耗两大方面分析了饮水机能量损耗的可能原因。
一、电路方面
1、电路连接导线上的损耗
2、电路中指示灯控制电路上发光二极管，二极管，及其所串联电阻损耗
二、非电路方面
1、由于热水笼头有一定缝隙，外界空气与热水接触，导致部分热量散失
2、由于热罐是金属外加海绵垫的设备，会导致热量从热罐中散失，再通过铁质外壳传到外面
3、由于热罐与进水口连通，两侧存在明显温度差，部分热量会以热传递的形式从热罐散失到进水口中
根据以计算出的效率，我们猜想，饮水机能量损耗主要在热水的热量散失，因此，我们对热水散热的功率进行了简单粗略的计算，以进行能量损耗估计。
计算与推导过程展示：
已知热水在自然状态下从保温进入再加热的时间为t，而温度下降为ΔT，则水散失热量Q=cmΔT,则热水的平均散热功率P=Q/t
通过P1+P与P2比较，发现基本相等，则可确定电热损耗基本为水的散热损耗。
之后经过讨论，我们认为电路损耗中第二点和非电路方面中第二、三点是能量损耗的主要成因，经过实验测量，由于电路损耗第二点中并联的发光二极管、二极管、电阻等是加热电阻组织的百倍左右，能量损耗应为制热功率的百分之一。
而非电路损耗中的第二点，是饮水机一直处于保温状态的原因，故第二点应该是能量损耗的主要途径。
之后，我们根据实际情况与分析结果，得出饮水机能量流向图如下所示
间歇性饮水机能量流动示意图
我们根据能量流动示意图，又做了一张饼图，来表示饮水机能量的利用和损耗部分及其比例大小
间歇性饮水机能量消耗比例图
四、饮水机（间歇性家用电器）改良方案数种（针对耗能比例图）
1，减少热水在热罐中的散热损耗，比如使热水罐模仿热水瓶胆的保温原理。
（有双层内壁，夹层真空；还有反辐射涂层）
2，提高加热效率，缩短加热时间，就能缩短在加热过程的损耗。
比如使用功率更大的电阻或其他加热性能更好的电器元件。
3，合理设置保温功率。
因为不同温度下的热水的散热速度不同，所以合理设置保温时间和保温温度（即重新加热的最低温度）是可以达到节能的手段之一。
4，尽量减少电路中的其他电阻耗电。
研究过程总结：
通过本次对间歇性家用电器的研究，我们对于实际中的一些家用电器的工作电路有了初步的认识和了解，而对于间歇性的单热饮水机，在对工作原理深入分析和实验测定的基础上，通过计算其工作效率，分析其能量损耗，对这一类间歇性家用电器的工作相关也有的较深刻的认识，在下一阶段的研究中，我们将目标定为对间歇性家用电器的优化，包括使用方式，电能损耗等方面，重点是饮水机，并适当对其他一些原理相较简单的电器进行改良
三、附录：
1、当前间歇性家用电器主要的种类及其工作原理
电器种类
电路图
工作原理
电冰箱
一般冰箱是由四大件组成:
压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，根据控制或是使用需要中间可以选择安装压力控制器、温度控制器、干燥过滤器等辅助器件。
工作时气态制冷剂通过压缩机被压缩成高温高压的气体后，进入冷凝器，冷凝器相当于一个换热设备，将高温高压的气态制冷剂换热成低温高压的液态制冷剂。
液态制冷剂再通过膨胀阀，所谓膨胀阀就是一个节流装置，因流出膨胀阀的制冷剂受到遏制，因此出来后制冷剂压力降低，温度继续下降，成为气液两相，再进入蒸发器，此时的制冷剂再蒸发器中进行换热气化，成为高温低压的气态制冷剂回到压缩机继续循环。
空调
制冷时，制冷压缩机将蒸发器（室内换热器）内的低温低压制冷气体吸入汽缸，经过压缩机做功，使之成为压力和温度都较高的气体，经过四通换向阀导入室外换热器内，高温高压的制冷剂气体冷却介质（空气）进行热交换，把热量传给介质（空气），而制冷剂凝结为高压的液体。
高压液体经毛细管节流降压后进入室内机蒸发器，在蒸发器内低压液体的制冷剂立即汽化，并在汽化时吸收周围介质（空气）的热量，从而使周围的空气降温冷却，而室内风机又源源不断的将室内空气吸入，通过蒸发器降温再进入室内，从而降低室内温度。
汽化后的低压低温制冷剂又被吸入压缩，这样周而复始不断循环，实现连续制冷。
热泵制热时，四通阀换向后，室内机变成冷凝器，压缩机排出的高温高压制冷气体换向导入冷凝器，在冷凝器内，高温制冷剂气体与周围空气进行热交换并放出热量凝结为液态的制冷剂。
同样通过风机的作用实现制热的目的。
高压制冷剂液体离开冷凝器经过毛细管节流降压后进入室外换热器，并在其中不断的汽化，汽化时吸收周围介质（空气）的热量。
随后被压缩机吸入压缩，这样周而复始，不断循环，实现连续制热。
饮水机
温热型饮水机使用时，按下加热开关，电源为“保温”指示灯提供电源，作通电指示。
同时，电源分成两路：
一路构成加热回路，使电热管通电加热升温；另一路为“加热”指示灯提供电压作加热指示。
当热罐内的水被加热到设定的温度时，温控器触点断开，切断加热及加热指示回路电源，“加热”指示灯熄灭，电热管停止加热。
当水温下降到设定温度时，温控器触点接通电源回路，电热管重新发热，如此周而复始地使水温保持在85-95℃之间。
电熨斗
常温时，双金属片端点的触点与弹性铜片上的触点相接触。
当电熨头与电源相接通时，电流通过相接触的铜片、双金属片，流过电热丝，电热丝发热并将热量传给电熨斗底部的金属底板，人们就可用发热的底板熨烫衣物了。
随着通电时间增加，底板的温度升高到设定温度时，与底板固定在一起的双金属片受热后向下弯曲，双金属片顶端的触点与弹性铜片上的触点相分离，于是电路断开。
这时底板的温度不再升高，由于底板的散热而降低；双金属片的形变也逐渐恢复，当温度降至某一值时，双金属片与弹性铜片又重新接触，电路再次接通，底板的温度又开始升高。
这样，便可保持温度在一定的范围内。
电饭煲
电饭锅是利用底部的发热盘来给锅加热的。
电饭锅是利用发热板加强，在铝质锅的底部煮饭。
发热板内藏电热线，这电热线是由自动开关控制。
发热板的中央有一圆孔，孔内有一感温软磁，它借着弹簧向上顶贴着锅底。
这是一种纯铁氧体，在100℃或以下时，可以被永久磁铁吸引。
但当升至103℃时，则失去磁性，不再受永久磁铁吸引。
当按下开关按键，开关横杆把磁铁向上顶贴着感温软磁。
这时，发热线接通，开始加热。
当锅内的饭沸腾后，锅内的水就渐渐减少。
当水开始蒸干，锅内的温度就由100℃上升。
当升至103℃时，感温软磁就不受磁铁吸引，开关的杠杆因弹簧的弹力及本身的重力而下降，压使接触点分开，发热线就断电，同时，接通另一保温电路，保持饭的温度在70℃左右。
2、所研究饮水机型号及其相关数据
所选用饮水机型号：
安吉尔单热饮水机（YR-5-X）
所选用饮水机部分技术参数
额定电压
220V～
熔断器规格
4A250V
额定频率
50Hz
电源线连接方式
X
额定总功率
503W
使用环境温度
10～38℃
额定制热功率
500W
防触电保护类型
I
制热水能力
≥90℃5L/h
耗电量
0.75Kw.h/24h
饮水机铭牌
参考资料：
电子发烧友网
维普资讯网
安吉尔单热饮水机（YR-5-X）产品说明书
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