节水坐便器的设计与效果研究

2018-10-31王立胜陈伟杰朱书文赵旭光

韶关学院学报 2018年9期

王立胜，陈伟杰，朱书文，赵旭光

（韶关学院土木工程学院，广东韶关512005）

水资源是一种不可替代的战略性自然资源，我国是世界上水资源较为短缺的国家，加大节水技术与设备研究开发［1-2］，对提高水资源利用率，改善人类生存环境，实现经济社会可持续发展具有重要的现实意义.

坐便器是普通的卫生洁具，由于使用时耗水量较大，国家于2011年7月1日起正式实施《坐便器用水效率限定值及用水效率等级》（GB25502-2010）强制性水效标准，禁止生产一次冲水量9 L以上的坐便器，将坐便器节水标准由6 L确定为5 L.欲使坐便器节水，只能购买新型的节水型坐便器，这对一般家庭而言，是一笔不小的开支，换装施工也比较麻烦.

针对上述问题，作者以坐便器的节水为目的，对目前家庭卫生间的给排水系统进行了创新设计.新型给排水系统结构简单，节水效果好，并可明显降低家庭开支.

1 坐便器节水装置的工作原理

本设计所采用的技术原理：在家中卫生间降板上设置一个污水箱，通过污水管和地漏用以收集洗手盆和洗澡的废水.在污水箱的侧壁高位设有溢流管，可使箱中多余的水可直排下水管.同时，在污水箱中安装一个称之为“双水轮泵”的核心部件，双水轮泵实质是水轮机和水泵的结合体，其工作原理是利用水轮机来获取自来水的流体机械能，并通过水泵来泵送污水.因此，双水轮泵共设有4个水口，分别是自来水的进水口和出水口（简称主动进水口和主动出水口），以及污水的进水口和出水口（简称被动进水口和被动出水口）.

在安装时，将双水轮泵的主动进水口一端联接自来水管，主动出水口通过水管进入坐便器水箱中.被动进水口直接沉没在污水箱的污水中，被动出水口通过水管进入坐便器的水箱中.

图1 坐便器节水装置原理图

使用时，当坐便器水箱中的自来水阀门打开时，自来水将经过双水轮泵的水轮机组件，进入到水箱中，同时带动双水轮泵中的水泵组件工作，使污水箱中的污水同步泵送至坐便器的水箱中，从而实现节水的目的.

2 新型双水轮泵的设计与制备

从前述工作原理可知，如何充分利用自来水的机械能，提高双水轮泵工作效率，亦即自来水与污水的流量比值，是提高本装置节水率的关键，也是本设计的工作重点.

根据双水轮泵的作用原理，在双水轮泵内部设置了水轮机和水泵二个独立腔室，分别安装主动水轮和被动水轮，二个水轮安装在一根转轴上，并采用滑动轴承支承，以提高传动效率.

水轮机和水泵的类型也是影响双水轮泵工作效率的重要因素.目前，根据工作条件的差异，水轮机的结构有很多形式，包括反击式和冲击式.反击式又可分为混流式、斜流式、轴流式和贯流式等；冲击式可分为水斗式、斜击式和双击式.水泵的结构亦有很多形式，包括离心泵、混流泵、轴流泵、旋水泵等.在本设计中，考虑到自来水的供水压力较高且比较稳定（0.1～0.6 MPa），因此，主动水轮泵选用管道式，而被动水轮泵则选用离心式，这是因为该类泵结构简单，压头小，输液量大．还能输送悬浮液，比较适合输送家庭污水.双水轮泵具体结构详见图2.

在双水轮泵的制造方面，由于主动和被动水轮造型比较复杂，手工制造难度较大，因此，双水轮泵的壳体和主动水轮选用高分子材料制作的市场销售产品并加以改装；传动轴设计直径4 mm，选用304不锈钢材料；被动水轮（离心轮）设计为三叶式，直型叶片，尺寸38 mm×14.5 mm，选用304不锈钢材料通过机加工、焊接制成；传动轴支承采用黄铜质滑动轴承，提高了传动效率.制作的双水轮泵实物见图3.

图2 双水轮泵的结构

图3 双水轮泵实物图

3 双水轮泵体的效能验证实验

为了检验双水轮泵体的效能，在供水水压（静压）为0.46 MPa、被动水轮在不同的进口直径下，测量主动水轮的水流量和被动水轮的水流量，并以被动水轮的水流量与主动水轮的水流量之比反映双水轮泵体的工作效能.亦即：

效能验证实验具体结果见表1.

根据本节水装置的设计原理，其节水率可表达为：

表1 双水轮泵体的效能实验结果

节水率试验结果同列于表1.

从上述验证实验结果可见，受制于离心泵的工作原理，被动水轮进水口直径对双水轮泵体的工作效能具有较大影响，适当增大被动水轮进水口直径，有利于提高双水轮泵体的工作效能.在本研究中，由于双水轮泵体总体采用现有市售材料手工制作，加工安装精度有限，特别是被动离心水轮与机壳之间的间隙较大（2 mm），水头损失严重.此外，被动离心水轮质量较大，两个水轮均为悬臂支撑，整个转动部件的平衡性差，从而导致双水轮泵体的工作效能最高只有43%.如果在规模生产时，主动水轮和被动水轮（离心轮）均选用高分子材料整体注塑成型，根据流体力学原理，优化叶片的形状、尺寸和数量，提高整个双水轮泵各部件的加工精度，预计双水轮泵体的工作效能应能达到50%以上.如果将此双水轮泵体应用于坐便器节水装置，该装置的节水率可达到35%左右.