解决热水器冷水段问题的人性化自动循环装置

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：

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