Comsol电热水壶

关键词：

电热水壶；自然对流；热流耦合；仿真计算

电热壶的工作原理主要是利用电流的热效应，即电流通过电阻时会产生热量。

当电热壶接通电源后，电流通过壶内的‌加热元件，将电能转化为热能，从而使水温升高。电热壶通常采用‌不锈钢作为壶体材料，底盘加热设计，能够快速加热并保持水温。

电热水壶还配备了‌蒸汽感应控温装置，当水沸腾时，产生的蒸汽会使内部的‌双金属片变形，通过杠杆原理推动开关，切断电源，防止干烧。

供稿 | 热流Es

编辑 | 小苏    

审核 | 赵佳乐 

电水壶在1891年诞生于芝加哥。随着科技的发展，快捷、安全、便利、充分利用能源日渐成为了水壶的主要特点，嗜茶的英国人从此便爱上它了。到了二十一世纪便成为全球的畅销品。电水壶采用的是蒸气智能感应控温，具有水沸腾后自动断电、防干烧断电的功能。随着生活的需要，现在的电水壶也正在向多功能方向发展，如防漏、防烫、锁水等。电水壶具有加热速度快，保温效果好，过滤功能强，式样多等优点。

图1a. 电热水壶组件构成

1.1 优点

（1）发热快：“热得快”是电水壶最基本的要求：原先的发热线圈改造成了更为宽厚的发热底盘，一则更美观实用，解决了水垢难以清洗的漏洞；二来热转换效率高，往往3－5分钟就可以把0.5升至1升的水烧沸腾。

（2）过滤强：“饮水要健康”是所有人的共识，因此在水壶中装上几道“安全防护网”。水壶底部、出水口等关键位置可谓“机关”重重，装置了几重过滤网，可清除水垢，净化水质。

（3）功能全：简单的烧水已经不能满足日常的需求，套装式的电水壶开始走俏，除了电水壶，还有茶具等专用器具，烧水、泡茶、喝咖啡等一气呵成，体现了从头至尾的关爱。

（4）人性化的设计：壶身设计更为简洁华丽、电源线内藏设计避免繁琐，符合现代家居的时尚风格理念；防滑手柄方便安全，尽显体贴之匠心；水烧开之后有趣的报警音，为生活增添了很多情趣。

（5）款式多样：电水壶发展至今，除了功能不停进步，在外观上也在不停地改进，从以前的圆圆扁扁，在圆柱外观，再到立柱型外观，从普通的不锈钢到拉丝材质，还有塑料材质，电水壶美丽的外观也在装点着我们的生活。

1.2 使用价值

电水壶的实用价值主要体现在加热速度快，一般烧一壶水只要5-8分钟，电热水壶可以说一种节能省电的快速加热器具。再就是使用方便，水开全自动断电，保障使用时的安全性。建议一般家庭选用全不锈钢快速电热水壶，这样可以避免塑料水壶使用安全性上问题。电热水壶在礼品界也是一个大市场，差不多每个单位在年底都会选择一些价格相对便宜的电子礼品、小家电礼品来作为工人发福利，电热水壶是一些单位选用的较多的一种厨房小家电礼品。

图1b. 知名品牌电热水壶

根据某品牌电热水壶几何尺寸绘制的三维模型如图2所示。仿真过程需设置电热水壶模型材料的动力粘度、比热容、导热系数和密度，为保证结果准确性，以上材料参数均从相关论文资料及现有实验数据中获取，如图3所示。

图2. 几何模型

图3. 材料参数

温度场边界条件：

（1）水设置流体域，其余材料为固体域；

（2）底部边界设置恒温边界；

（3）外部边界设置热通量，换热材料为外部空气，换热系数取10W/（m^2*K）；

（4）水壶底部设置边界热源；

（5）初始温度设为室温293.15K。

流体场边界条件：

（1）流体域选择水；

（2）初始压力和速度均为0；

（3）设置重力，重力系数取9.8；

（4）设置压力点约束条件。

多物理场耦合条件：

流体域/流体边界均设为非等温流域/边界。

图4. 物理场边界条件

根据有限元法的求解原理，剖分越精细，求解越准确，数值计算前通过网格划分对模型计算区域进行离散化处理，采用四面体非结构化网格和边界层网格对电热水壶模型进行划分，具体网格分布如图5所示。

图5. 计算网格

采用全耦合求解器对电热水壶模型进行求解，通过计算得到电热水壶及中间截面温度场和流体场分布如下所示。

图6. 温度场分布

图7. 等温线分布

图8. 等温面分布

图9. 速度分布

图10. 流线分布

图11. 压力分布

图12. 截面温度分布

图13. 截面速度分布

图14. 截面压力分布