[发明专利]改进的用于加热流体的系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2007年3月26日和2007年3月30日递交的澳大利亚临时 专利申请2007901601和2007901707的优先权，这两个临时专利申请的内容通 过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及一种用于快速加热流体的设备、系统和方法，更具体而言，涉 及一种使用电能快速加热流体的设备、系统和方法。

背景技术

在发达国家，热水系统的一种形式或另一种形式被安装在绝大部分住宅区 和商业建筑物中。在一些国家，用于对水加热的最普遍的能源是电。

当然，众所周知，通过燃烧化石燃料来产生电显著地形成污染和全球变暖。 例如，在1996年，美国最大的电消耗区域是家庭住宅，其碳排放占产生的所有 碳排放的20％。在该电消耗区域的总碳排放中，63％直接归因于用于为该区域 产生电而燃烧的化石燃料。

在发达国家，电现在被认为是居住建筑物的实际必需品，随着从1990年起 每个家庭的电消耗以每年近1.5％的增长速度，居住区域的电消耗的突出增长已 经变成了关于碳稳定和满足京都协议或类似协议的目标所争论的中心问题。

从1982至1996年，美国的家庭数量以每年1.4％的速度增长，而居住区电 消耗在该期间内以每年2.6％的速度增长。因此，美国的家庭数量预计每年增加 1.1％直到2010年，而在该期间内居住区电消耗预期以每年1.6％的速度增加。

在1995年估计，全球有近4千万个家庭使用电热水系统。电热水加热系统 最普遍的形式包括储存容器，在该储存容器中，水随着时间被慢慢加热到预定 温度。当水从储存容器中被抽出并用冷的入口水补充时，储存容器中的水被保 持在该预定温度。通常，储存容器包括连接到主电源的浸入式电阻抗加热元件， 所述主电源的操作由恒温器或温度监控装置控制。

电热水储存系统通常被认为是能量效率低的，因为它们的工作原理是将水 存储和加热到比使用时所需的期望温度高的预定温度，即使用户可能只在将来 某个时间才需要热水。由于热能从储存容器中的热水中丧失，可能需要消耗更 多的电能以重新将水加热到预定温度。最后，用户可能在相当长的时间内不需 要热水。然而，在该时间段中，一些电热水储存系统继续消耗能量加热水，在 任何时间为需要热水的用户做好准备。

当然，快速加热水使水的温度在短时间段内到达预定水平能够使系统避免 由于存储热水而必然导致的效率低下。诸如天然气或LPG(液态石油气)等气 体和电目前都能作为快速加热或“即时”热水系统的能源。在天然气和LPG的情 况下，存在特别适于快速加热流体的燃料源，因为这些燃料的燃烧能够将足够 的热能传递到流体并且在受控条件下将该流体的温度在相对短的时间内升高到 满意的水平。

然而，尽管有可能使用天然气燃料源来快速加热水，但这些源并不总是可 用的。相反，在发达国家，大多数家庭更易于获得电力供应。

先前已经出现了效率低下的尝试以制造电“即时”热水系统。这些尝试包括 热丝和电磁感应系统。已经开发出热丝“即时”热水系统，其中金属丝典型地位 于具有相对较小直径的非导热和导电的管中，或者被嵌入在确保水流紧密接近 加热的电阻丝的壳体中。在操作中，水通过接触或者非常接近金属丝的管，金 属丝被供应能量从而将热能传递到管中的水。通常通过监控来自管的水的输出 温度并且将该输出温度与预定的温度设置进行比较来影响控制。基于监控到的 水的输出温度，向金属丝施加电压，直到水的温度到达期望的预定温度设置为 止。

尽管热丝型的系统避免了由于存储热水而产生的能量低下，但不幸的是其 存在很多缺点。特别是，它需要将金属丝加热到比周围的水温高很多的温度。 这不利地导致通常存在的溶解的盐(诸如碳酸钙或硫酸钙等)在水中的浓度改 变时形成结晶。与水直接接触的金属丝的热区提供了形成这些类型的结晶的优 良环境，这导致金属丝变得“干硬”，并因此降低了从金属丝到周围水的热传递 效率。由于在这些情况下，管的直径可以相对较小，结晶的形成还减小了通过 管的水流。另外，由于必需确保水紧密接近被加热的金属丝，热丝型系统要求 相对较高的水压以有效操作，因此这些系统对于具有相对较低的水压或者在高 峰用水期间产生频繁水压下降的区域是很不有效的。