家用热水器冷水自动节水装置设计及应用

(宝鸡文理学院机电工程系，陕西 宝鸡 721016)

家用热水器冷水自动节水装置设计及应用

马志燕

(宝鸡文理学院机电工程系，陕西 宝鸡 721016)

结合家用热水器循环系统的实际情况，研究设计了一套冷水自动节水装置。采用在原系统基础上加装电子阀门的方法，实现了管道中冷水的循环利用。节水装置不仅使管道中的冷水被重新利用，达到节能的目的，还使人们在使用过程中更加方便，具有良好的经济价值、社会效益和推广价值。

热水器；循环系统；电子阀门；节能

0 引言

如今，家用热水器已成为人们生活中不可缺少的设备，家用热水器的种类多种多样，包括燃气热水器、电热水器和太阳能热水器等。随着科学技术的发展，它们本身的功能也越来越强大，具有即烧即热、数字控制温度、体积小、外形精致和安装使用方便等特点。然而，一般家庭用热水管道较长，每次使用热水的时候，水龙头开启之后，管道中存留的冷水放完，才能有热水流出，这需要等待好长一段时间，用起来很不方便，而且冷水无故被排掉造成很大的浪费[1]。针对这一现象，采用冷水循环的方法，将出水管道中的冷水送回到热水器中，继续进行加热使用，这样，用户随时打开开关，就可以立刻用到自己设定温度的热水，无需等待，同时还可以达到节约能源的目的。

1 冷水节水装置的总体方案设计及工作原理

1.1 冷水节水装置总体方案

装置结构如图1所示。各部分的作用为：

a.热水器。一般家用的即热式热水器。

b.温度检测装置。由单片机及其辅助电子线路组成，根据所接收到的温度信号，单片机会发出指令，通过辅助电子线路控制两位三通电磁阀处于得电还是失电状态。

c.两位三通电磁阀。相当于1个开关的作用，当电磁阀失电时，左位接通，当电磁铁得电时，右位接通，从而控制水流流入不同的管道。

d.单向阀。只能允许未达到温度的水流回到热水器，禁止冷水回流。

e.冷水入水管道。直接接通自来水提供水源。

f.冷水回水管道。未达到温度的水通过该管道重新回到热水器继续加热。

g.热水出水管道。热水器根据设定温度加热后，待检测水温的管道。

图1 热水器冷水循环利用装置组成

1.2 工作原理

水装置主要是在原热水器管路基础之上加入电子阀门来实现冷水循环利用。电子阀门的工作原理[2]如图2所示。

图2 电子阀门工作原理

洗澡前，将热水器的温度设置合适，打开冷水入水管道阀门，使水注入热水器。热水器为即热式热水器，其出口水流经过热水出水管道后经温度检测装置时，测得水温未达到设定温度时，电磁换向阀处于右位，未达到温度的冷水会通过冷水回水管道返回到热水器中继续加热，当温度达到要求时，电磁换向阀处于左位，将热水放出来供人们使用。

2 耗水因素分析

热水器与淋浴花洒间至少需要接入3m左右的管子，还有的用户家中有多个淋浴点，而往往都是用1个热水器，这样从热水器到花洒间就要有8～10m的管子。这里按照8 m来计算，出水口管道平均内径为d=1.5 cm，因此，管道内截面积为A=3.14×d2/4=1.766×10-4m2，每户8 m即可节水8×1.766×10-4=14.128×10-4m3。如果按照1周淋浴2次，一个月8次，那么每人一年12个月就可以节水14.128×8×12=1356.288×10-4m3。宝鸡市常住人口371万，每年就可以节水1356.288×10-4×3710000=503183m3。

从上面的数字可以看出，对于单个用户来说，管子存留浪费掉的冷水不多，但用户数量众多，总耗水量也是一个巨大的数字，因此，该节水装置在满足人们更加方便的同时，具有很好的节水功效，其社会效益是十分可观的。

3 节水装置设计

3.1 控制系统的设计

3.1.1 工作原理

当设定温度后，冷水经热水器加热完成时，水流从热水出水管道流出，温度传感器会产生一个信号通知单片机，此时单片机发出指令，通过控制电路使电磁换向阀的电磁铁处于得电或失电状态，从而驱动电磁换向阀的不同阀口打开。若出现水管中的温度达到了设定的温度，水流直接经过电磁换向阀左位开口流出供给人们使用；若没有达到设定的温度的时，单片机会发出指令通过控制电路使电磁换向阀的电磁铁处于通电状态，从而改变水流通路完成水路换向，将水流重新引导到热水器继续进行加热。

3.1.2 实现方法

首先接通电源，输入所要的温度值，系统开始工作。由热电偶将接收到的温度信号转化为电压值，并将信号放大处理，得到线性化的模拟量，通过A/D转换器转换为计算机处理时所需要的数字信号。在A/D转换的过程中，需要锁存器以及启动信号，它才能正常的工作。锁存器决定是哪一位的模拟量输入通道有效，启动信号有效后它才能正常的工作。然后将得到的数字量传入到单片机8031中，让其进行判断[3]。整个热水器工作的过程采用8031单片机作为控制中心，控制电路如图3所示。

图3 继电器接口控制电路

当单片机P3.1引脚为高电平时，经反相驱动器7406后变为低电平，使发光二极管发光，从而使光敏三极管导通，进而使三极管T9031导通，继电器线圈通电，触点闭合，使220V电压接通，即电磁换向阀得电。

否则当P3.1引脚为低电平时，经7406后变为高电平，发光二极管不动作，从而使继电器线圈不通电，触点也处于断开状态，电磁换向阀不得电。

3.2 电磁阀结构设计

电磁阀是用来控制流体的自动化基础原件。电磁阀里面有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的管路，腔中间是阀，一面是电磁铁，电磁铁线圈通电，阀体就会被吸引到那边，通过控制阀体的移动来挡住或露出不同的排水孔，而进水孔是常开的，水流就会进入不同的排水管道，然后通过水的压力来推动活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置运动，这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动[4]。

根据系统要求，首先选择一种在油路中使用的电磁换向阀，根据实际要求设计一种在水路中适用的阀门。

通常情况下，家庭中供水压力为0.4MPa[5]，经过这个压力值才能将自来水压入到热水器中，假设居民用水距离热水器出口有8 m左右距离，温度约为40℃，那么此时进水压力为p=ρgv。

则p=9.73×9.8×3.14×0.0152×8

=1.344MPa

而

F=pS

所以

F=133N

根据水的压力F=133N，选择合适的电磁铁，要求在使用的过程中电磁吸合力最小为133N。故选择SCHULTZ品牌下的GMP永磁保持铁，线圈可采用NASS德国原装，可直接使用。整个阀体的材料为铜，其许用应力为[τ]=80MPa[6]

衔铁吸合以后带动推杆移动，从而改变台阶的位置进而改变水的流通方式。

根据运动的场合受力分析后得到水压力为133N，而电磁铁产生的电磁力为120～500N，要想支撑弹簧能够将其位置保持不变，最小的力应为133N，此时形变量为设为0mm，而最大的力为367 N，它的形变量35 mm。

在对整个系统的使用过程中，由于要改变水流方式，让没有达到温度的凉水重新流入到加热腔内，那么在管路设计方面就要考虑到水是否会倒流的问题。在冷水管的出口处加一个单向阀保证水只能向着一个方向流通，另一个方向不流通，同时单向阀在装配过程中应该在冷水入口处的下端安装，保证冷水不会按面积回流。对于此单向阀的设计，弹簧的设计也是尤为重要的。考虑到安装的方便，故选用直通式单向阀，依靠阀内弹簧的作用开启或者闭合阀口，那么水的压力一定要大于弹簧的压力，此处，对于此单向阀正向最小的开启压力为0.016 MPa，压缩量为10mm。

综上，在低中压阀门中，根据流量、通径选择电磁换向阀23DF30-E-B，通径为16 mm，额定压力为16 MPa，单电磁铁供电，电压为220V交流;选择单向阀AF3-Ea15阀门，开启压力为0.05 MPa，满足使用要求。同时，由于油的密度和水的密度不同，故用在油路的电磁换向阀中的密封装置不能直接用在水路中，在此系统中选用一种材料为EPDM的密封装置。

4 结束语

家用热水器冷水自动节水装置通过单片机、温度传感器和电磁阀等的应用，实现了系统的智能控制；系统通过两位三通电磁阀的开关作用，实现冷水热水的分流，使留在热水器和淋浴喷头之间管道中冷水得到再利用，解决了管道中冷水重新被加热利用的问题，因此，能够大量的节约用水，同时使人们在使用过程中更加方便，所以进一步提高了热水器的使用性能。该冷水自动节水装置在热水器的应用中可以得到更加广泛的推广。

[1] 第十二届挑战杯省赛作品.节约预热冷水直接出热水型热水器[EB/OL].http://www.tiaozhanbei.net/project/13636,2013-09-05.

[2] 孙祥国，廖映华，张良栋.太阳能热水器燃气辅助加热的液压装置及控制系统设计[J].液压与气动，2012(7)：66-68.

[3] 杨文强，刘 树.基于HT46R23单片机控制的太阳能热水器节能供水系统设计[J].安徽农业科学，2012,40(6):3776-3778.

[4] 张利平.液压阀原理使用与维护[M].北京：化学工业出版社，2009.

[5] 熊诗波，黄长艺.机械工程测试技术基础[M].北京：机械工业出版社，2006.

[6] 刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社，2005.

Design and Application of Automatic Water-saving Device inHousehold Water Heater

MAZhiyan

(Department of Electromechanical Engineering,Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721016,China)

Combined with the actual situation of the circulatory system of household water heater, an automatic water-saving device for cold water was researched and designed. Electronic valve is adopted on the foundation of the original system to achieve the recycling of the cold water in pipelines. Water-saving devices not only makes the cold water in the pipe is reused, achieve the purpose of energy saving, but also makes it more convenient to use, it has good economic value, social and promotional value.

water heater; circulatory system;electronic valve; energy saving

2014-04-22

宝鸡文理学院重点项目(ZK14068)

TH137

A

1001-2257(2014)09-0023-03

马志燕(1980-)女，辽宁朝阳人，硕士研究生，讲师，研究方向为机械设计、机械测试与控制。