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解决热水器冷水段问题的人性化自动循环装置

2015-05-30刘欣赵甜甜张志超丁殿磊

中国机械 2015年6期
关键词:人性化

刘欣 赵甜甜 张志超 丁殿磊

摘 要:介绍了一种解决热水器浴前出冷水问题的人性化机械装置。主要阐述了本装置的工作原理、可行性分析以及装置的组成。

关键词:冷水段;机械装置;人性化

引言

随着人们生活水平的提高,热水器洗浴在普通家庭中也越来越常见。人们在使用热水器之前通常会放掉连接管路中的冷水,然而冷水流失的过程影响了使用者的体验,洗浴前这段时间的等待也影响了使用者的心情;另外,在水资源日趋紧张的今天,这一现象也不符合“低碳生活”的要求。

本文中的方案是在原有热水器的基础上,在出水管路上增加了一个人性化装置,该装置通过对“间歇式循环”——洗澡结束后对管路中的冷水进行收集存储,下次开始洗浴时将所储藏的水慢慢融入热水——很好的解决了洗浴时等待排放冷水的问题,同时也能达到节水节能的目的。

1.设计方案概述

本设计方案旨在解决热水器浴前放冷水的问题。经过近半个月的调查研究以及积极讨论,提出如下的方案:

图 1解决冷水段问题自动循环装置

1.1设计原理

该装置的原理如图4所示,它为上下两层,底层是储水空间(6为所存水)通过回水管5与通水管路3连接;上层包含通水管路3,管路四周包裹气囊2,气囊内装有一定量的异戊烷(沸点28℃)。通气孔7位于上下两层间的隔板上。热水器加热,热水通过通水管路3,气囊内的异戊烷受热气化,气囊膨胀,底层储水空间的水受到压力,沿着回水管与通水管路中的热水慢慢相融合,然后一同排出。停止使用热水器后,通水管路温度下降,异戊烷遇冷液化,气囊内压强减小,然后收缩,通水管路中存留的水被吸回储水装置中。这样,就确保了每次使用热水器时,流出的水都是热水,解决了洗浴前冷水等待的问题。

1.2 流程框图

该装置的工作流程框图如下:

图2 工作流程框图

1.3 理论可行性分析

1.3.1参数选择

(1)热水器所用喷头水管长度1.5 m,管径为4分,经计算,所含水量大概在0.6L左右,所以设定装置储水部分容积1L,装置上部分体积为1.2L。

(2)假定热水器工作时,通水管路的温度定为37℃,这样可以设定气囊内异戊烷温度为37℃,可以算出此温度下异戊烷的饱和蒸汽压。

(3)回水管与通水管路之间的垂直长度定为82mm,回水管内径为6mm,如图6所示:

图3 系统条件分析

1.3.2公式推导

忽略气囊膨胀时张力的影响,异戊烷的饱和蒸汽压就为装置内气囊膨胀压缩空气产生的气压。只要室内压力能克服外部气压和流体压力,并且使储水能够上升82mm,则此装置在理论上是可行的。

(1)饱和蒸气压:在一个密闭空间内,某种物质在给定的温度下,该物质的液相、气相共存时的气体压力(分压)。此时,蒸发/凝结过程达到动态平衡。

公式:

式中:P为饱和蒸气压,单位为1mm汞柱(133.3Pa),t为温度,单位是摄氏度;A,B,C是常数参数,查表可知:A:6.78967,B:1020.012,C:233.097。经计算可得:P1 = 137299Pa。

(2)流体压力定为P2 = 0.03MPa。(查文献得此压力通常在0.02 MPa-0.035MPa之间)外部大气压力P3取标准大气压,P3 = 101325Pa。

(3)由公式

可以计算得到 h值: h ≈ 597mm

1.3.3结论

温度、压强、以及回水管可选高度关系如下图所示

图4 温度、压强和高度关系图

37℃时,h的值远大于82mm,此时系统方案可行。

由上图可知,该装置工的作温度范围应大于25.8℃。

2.方案的详细设计

秉承着具有开发性,创新性、结构相对简单,便于生产制造、安全可靠,对人体无伤害、可以大批量生产等原则,我们小组的设计方案三维图如图8所示:

图5 方案三维图

各部分具体结构如下:

2.1 装置外壳

2.1.1材质

外壳采用的材质为玻璃钢,玻璃钢具有轻质高强、耐腐蚀、电性能好、热性能良好、可设计性好等优点,十分符合外壳部分所需要的性能。

2.1.2结构

外壳的结构如图9所示,分上下两部分,在装上铝管、气囊后将接缝密封(图中两颜色交界处),铝管进出口两处用胶套密封。

2.1.3质量

M=ρ1v=ρ1*(πR12-πr12)*h1≈ 500g

其中ρ1表示玻璃钢的密度约为2t/m3;R1表示外圈的半径并且R1=63mm; r1表示内圈的半径并且r1=60mm;h1表示圆柱体的高度并且h1=220mm。

2.2 通水管路

2.2.1材质

通水管路采用的材质是铝合金,铝合金具有成本低,易加工,导热性好等优点,符合所需性能。

2.2.2结构

通水管路的结构如图10所示,壁厚为1mm,中间椭球形被气囊包裹,在其中间存放异戊烷,如图4中所示,支口与回水管相接,外径为6mm。

2.2.3质量

为了方便计算,将计算简化为一根直管,根据公式:

M=ρ2v=ρ2*(πR22-πr22)*h2≈ 20g

其中ρ2表示铝合金的密度为2.75x103kg/m3;R2表示外圈的半径并且

2.3 回水管

2.3.1材质

回水管路考虑到与通水管路连接以及起到输水的作用,采用PPR管,PPR管具有外形美观、重量轻,耐腐蚀性能好,使用寿命长,安装方便、可靠,造价适中等优点。

2.3.2结构

在实际连接时,可以做成两部分,每部分都采用直角结构,便于连接安装。

2.3.3质量

根据公式可得:

M=ρ3v=ρ3*(πR32-πr32)*h3≈ 4.5g

其中ρ3表示PPR的密度为0.9g/cm3;R3表示外圈的半径并且R3=4mm; r3表示内圈的半径并且r3=3mm;h1表示管子的总高度并且h3=(155+75)mm。

2.4 气囊

气囊选用收缩性大,收缩张力特别小的材料。气囊中放入一定量的异戊烷,其化学式是C5H12,摩尔质量为72g/mol , 所有气体在标准状况下的气体摩尔体积均为22.4L/mol,我们暂定装置上层空间为1.2L,考虑到气液转化以及余量,我们暂定1/4摩尔的异戊烷,所以为异戊烷重量为18g。

由上述可知,冷水段中水大约为0.6升,本装置设计为可以存入一升水。按存入最大水量计算,所以本装置装满水的总质量为:

4.5+20+500+1000+18≈1543g,即1.55公斤。

当本装置未存水时的总重量为:

4.5+20+500+18≈543g,约为0.55公斤;

3.总结语

本方案的优点如下:

(1)解决了冷水等待问题,相对于循环泵价格低廉,不需要额外操作。

(2)本装置可作为附加产品,用户根据自身情况进行选择,有很大的灵活性。

(3)本装置重量轻,体积小,外形能够随意改变,做出漂亮的外形可以当作饰品挂在热水器处,即解决问题,又美观大方。

此方案存在的风险及解决方案

南方有些地区室内温度在28℃以上,导致异戊烷不能液化,影响气压差的产生,从而管路中的水不能顺利“回收”。

解决方案:可将气囊中的液体换成沸点较高的液体。

本装置仅仅利用机械结构就能解决热水器冷水段的问题,并且实现了用户可接受的维度,可以进一步研发并且推向市场。

参考文献:

[1]杨喜林.储水式电热水器的节能设计[J].家用电器科技,1997,01:27-28.

[2]李满.解决家用太阳能热水器“热等待”问题的几种方法[J].能源技术,2007,06:359-360.

[3]蔡莹,秦朝葵.燃气热水器技术进展[J].煤气与热力,2006,11:34-37.

[4]寇广孝,王汉青,周湘江,胡亚杰,罗建华.热泵式电热水器的设计构思[J].南华大学学报(理工版),2001,03:7-9+25.

[5]周子成,蔡湛文.国内外热泵热水器的发展[J].家电科技,2006,12:42-45.

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