健康节能型云智能饮水机设计*

2018-02-05丁涛

新技术新工艺 2018年1期

丁涛

(延安大学化工学院，陕西延安 716000)

由于传统饮水机本身存在水质保鲜、杀菌、节能及智能等方面的不足以及桶装水极易造成二次污染，在长时期使用过程中，饮水机内部核心部件会产生一些细菌、杂质及污垢[1]。为满足人们对生活品质的更高要求，本文设计开发了一种新型健康节能型云智能饮水机(以下简称新型饮水机)。

1 新型饮水机的功能特点

新型饮水机的功能包括如下3个方面。

1)健康方面。首先，增加了杯子超声波清洗功能，随时可以清洗杯子内部滋生的污垢和细菌，避免需要用户洗杯子，并进一步减少使用一次性杯子；其次，给饮水机设置臭氧杀菌的功能，让管道时刻处于无菌状态；最后，加热方面相对于传统热胆饮水机，采用石英加热管，达到快速加热的效果，无需等待，保证水质新鲜，以避免重复加热和生成阴阳水给人们带来不利于健康的影响。

2)节能方面。此饮水机把制冷部分散发的这部分能量进行回收利用，同时加热部分也进行高温蒸汽热量的冷凝和通过换热进行降温成为温开水并将这部分热量给进加热管之前的冷水加热，从而使水很快加热到沸点，达到节能效果。

3)云智能方面。通过给饮水机加入智能硬件，并进行编程开发，制作出一台能记录用户喝水量和身体状况，并能根据用户情况给出相应建议的智能健康管家。

2 控制系统总体方案设计

2.1 控制系统结构

控制系统结构图如图1所示。

图1 控制系统结构图

2.2 超声波清洗装置控制

通过控制超声波发生器的通断实现对超声波清洗器的控制。超声波发生器是由高频振荡电路和IGBT管组成的，将其产生的20～40 kHz的频率，加在超声波换能器上，即能将电能转换成超声波。通过控制超声波发生器的通电时间可以控制其清洗时间。在清洗中，使用上级饮水机加热到高温的水蒸气对杯子进行高温杀毒；清洗完毕后，打开冲洗阀门，对水杯进行冲洗，如要立即使用，可不进行烘干，否则应对杯子进行烘干处理。

2.3 加热装置控制

通过对入水口的温度和出水口的温度进行连续测量实现加热管对水温的控制。根据入口的温度，计算出合适的加热功率，从而选择加热管的数量(最多3根)；通过用户设置的出水口温度来控制加热管，达到智能调温的目的。

2.4 制冷装置控制

通过测量制冷管内水的温度实现制冷端温度的控制，其温度应控制在0～4 ℃。由于冷藏室需要通过制冷管来吸热，所以应在冷藏室内加1个温度测量传感器，当冷藏室内温度<10 ℃，制冷管的温度<4 ℃时，制冷器将停止工作。

2.5 控制系统界面

采用7 in触摸屏作为控制系统的显示界面(见图2)，在显示界面上进行所有的操作。

图2 控制系统界面

3 健康及节能系统设计

3.1 自动杀菌设计

自动杀菌的原理是通过一个三通阀门，将臭氧发生器与新型饮水机进水管道进行连接，在杀菌装置起动后，关闭所有出水阀、进水阀，用户将不能正常使用饮水机。在起动臭氧发生器后，打开臭氧发生器与新型饮水机管路连接的阀门，将生成的臭氧气体通入到蓄热箱、加热管、制冷箱以及所连接的管道，通入一段时间后，关闭臭氧发生器，等待臭氧转变成氧气，即杀菌完成，这时将废水流入废水箱内(在进入废水箱进行一次过滤)供超声波清洗器使用，排完废水后打开进水阀，管道注入新鲜水，便可正常使用。杀菌流程如图3所示，新型饮水机结构如图4所示。臭氧杀菌后，只产生氧气、水和二氧化碳，不存在其他残留物，解决了一般饮水机二次污染和长期使用而滋生细菌等问题，同时省去消毒之后的再次清洗。新型饮水机利用臭氧的强氧化性对其管路、水箱中滋生或残留细菌进行杀灭，有效保证了饮用水健康[2]。

图3 杀菌流程

图4 新型饮水机结构

3.2 超声波自动清洗设计

3.2.1 工作原理

当超声波通入到液体中，由于液体振动而产生数以万计的微小气泡(即空化泡)，这些气泡在超声波中纵向传播形成的负压区生长，而在正压区迅速闭合，从而在交替正负压强下受到压缩和拉伸。在形成的气泡突然破裂的一瞬间能产生几百到上千个大气压力，这种不断生成并破裂的空化泡产生强烈的微爆炸和冲击波代替了人的双手去搓洗杯子[3-4]，使杯子表面的污物遭到破坏以至于迅速脱落，从而达到清洗杯子的目的。清洗流程如图5所示。

图5 超声波清洗流程

3.2.2 外型设计

为了方便用户使用和节约成本，把超声波自动清洗装置放在新型饮水机接水口的下方位置(即传统饮水机的接水盒位置)。其顶盖是平展、透明的方盖，平展合适放杯子接水，透明是方便观察清洗机内部的清洗情况。顶盖尺寸长度为30 cm，宽度为10 cm，厚度为1 cm，其外型材质和新型饮水机的机身材质是一致的。该清洗装置是新型饮水机内部的一部分，其尺寸长度为30 cm，宽度为20 cm，高度为20 cm。在新型饮水机机身上的触摸屏中有按钮装置，分别设置为ON、OFF和SET，其中，SET按钮是调定时时间；ON是开机按钮；OFF是关机按钮。按钮上方有1个数码管显示屏，显示其定时可调时间段(5段：90、180、280、380和480 s)。该超声波清洗装置采用智能芯片控制，自动停机，操作简单，更加人性化。

3.2.3 内胆设计

内胆材质采用304不锈钢材料。304不锈钢表面美观，耐腐蚀性能好，耐高温氧化及强度高，不需表面处理，维护简单，清洁，光洁度高，是直接与食物接触的食具器皿不锈钢材料，不容易析出有害重金属元素。内胆有凹槽，使内胆与换能器粘接牢固。内胆尺寸长度为25 cm，宽度为15 cm，深度为15 cm。内胆可从旁边装入该装置内部，在顶盖上固定。在内胆中装3个倒锥台，下锥面圆的直径为6 cm，上锥面圆的直径为3 cm，高度为8 cm，在内胆中先钻好6个相应的螺钉孔，以便需要锥台时安装并使用。锥台的作用是占用水的布局空间，节约清洗用水。再配置1个清洗篮，避免玻璃杯与不锈钢内胆直接接触，便于玻璃杯的清洗。

3.3 加热与制冷设计

3.3.1 加热装置设计

本文采用石英玻璃电热膜加热管。相对于传统的加热管，其不但具有传统加热管所具有的优点特性，同时其本身不消耗热量，热惯性小，具有更快的热响应速度(通电升温快，断电降温快)。

加热装置采用3根内径d为10 mm、外径D为14 mm、长度h为150 mm的加热管。加热管的额定功率P为800 W，热效率η为96%；水的密度ρ为1 000 kg/m3，比热容C为4.2×103J/(kg·℃)。在工作过程中，关于水吸收的热量、消耗的电能和热效率计算式如下。

1)水吸收的热量。计算公式如下：

Q吸=CmΔt=Cm(t2-t1)

(1)

式中，m是加热的水的质量；t1是初始温度；t2是终态温度。

2)消耗的电能。计算公式如下：

W=Pt

(2)

式中，t是加热所需时间。

3)热效率。计算公式如下：

(3)

将已知参数带入式1～式3，可计算得出如下参数。

1 000×3=3.53×10-2(kg)

Q吸=cmΔt=4.2×103×3.53×10-2×75=

11 119.5 (J)

加热时水的流速为：

采用该加热装置加热时间短，能真正做到边加热边出水，出水稳定，电热转换效率高。

3.3.2 制冷装置设计

本装置制冷采用半导体制冷技术[5-7]，其利用特种半导体材料构成的P-N结，形成热电偶对，产生帕尔帖效应，是一种通过直流电制冷的新型制冷方法。

半导体制冷器是建立在帕尔帖基础之上的制冷器件，采用半导体材料，当1块N型和1块P型半导体制冷原件构成温差电偶，通直流稳流电源时，在温差电偶臂就会发生能量转移，达到制冷效果，当温差电偶达到热平衡时，能够吸热(即制冷量)。所以，经过半导体制冷片的作用，一方面满足用户冰水的需求，另一方面将能量给需加热的水，提高了进入到换热器的温度，从而提高了加热的初始温度，需要的电能也随之减少，实现了节能的目的。