一种循环式节水节电的速热电热水器
2023-06-19杨竣轶
本期点评专家
谭迪熬 中国发明协会院士专家咨询工作委员会首任专家,中国发明协会中小学创造教育分会会长,科技创新教育特级教师,教育部国培计划专家库专家。
一、提出问题
水是生命之源,水资源对人类非常重要。
沐浴用水在家庭生活用水中占比较大,我想,能不能充分利用沐浴废水,避免水资源的浪费?沐浴之后的水还有一定的温度,再次经过热水器时,只需要耗费少量的电就能达到沐浴所需的温度,可节约电能。
于是,我决定对热水器循环用水的节水、节电问题进行探究,研制一种循环式节水节电的速热电热水器。
二、基本思路
一种循环式节水节电的速热电热水器中的废水收集器被放置在浴室内,沐浴废水被收集到废水收集器中,通过自吸增压泵增压自吸,由前置过滤器经增压泵到主过滤器进行过滤变成净水。净水从电热水器的进水口进入电热水器,经恒温速热电热水器加熱,由花洒洒出沐浴后再次回收至废水收集器。
三、市场调查与分析
我了解了市面上的水过滤设备与技术,通过对石英砂过滤器、活性炭过滤器、软化罐、不锈钢滤网、陶瓷滤芯、超滤机和RO膜等进行对比分析,发现石英砂过滤器、活性炭过滤器、不锈钢滤网和陶瓷滤芯的过滤精度不高,适合做前置过滤器,超滤膜和RO膜适合做过滤器的主要部分。
在实际运用中,超滤膜和RO膜能否作为主要过滤部件用于热水器沐浴废水循环过滤,我需要通过实验来验证。
四、实验验证
(一)超滤膜对沐浴废水的过滤实验
实验步骤:
1.用3分PE管和快速接头将自吸过滤头(带不锈钢隔网和麦饭石颗粒)、增压泵、自来水过滤器(装有超滤膜)按顺序连接,组装成超滤膜过滤系统。
2.将自吸过滤头沉入装有沐浴废水的储水桶内,将自来水过滤器的出水口放入备用储水桶中。
3.打开增压泵电源,启动超滤膜过滤系统,让其过滤2分钟。记录观察结果。
4.重复实验三次,排除干扰项。
5.分析观察结果,得出结论。
实验结论:相比沐浴废水,备用储水桶中的水变清了,但有洗涤剂泡沫浮在水面。这说明,超滤膜能够过滤沐浴废水中的大颗粒杂物、悬浮物等,但不能过滤洗涤剂。因此,超滤膜不适合作为一种循环式节水节电的速热电热水器的主要过滤部件。
(二) RO膜对沐浴废水的过滤实验
实验步骤:
1.用2分PE管、3分PE管和转接头连接RO膜组件(由多支RO膜并联而成)、增压泵、不锈钢反冲洗前置过滤器和废水收集器(用水桶代替)等,组装出RO膜反渗透系统。
2.用管道将RO膜反渗透系统中的RO膜净水出水口与电热水器进水口连接。
3.往废水收集器(用水桶代替)中倒入5~8升自来水,往水中加入适量的洗发水、沐浴露,搅拌均匀,可以看到水中有泡沫出现。
4.打开增压泵电源,启动RO膜反渗透系统。再打开电热水器开关。
5.15分钟后,记录观察结果。
实验结论:洗发水和沐浴露的混合污水经RO膜过滤后非常清澈,没有泡沫。可见,RO膜过滤洗涤剂的效果非常好,适合循环过滤沐浴废水。
五、设计装置
(一)装置结构
一种循环式节水节电的速热电热水器由智能废水电磁阀、废水收集器、RO膜组件、自吸增压泵、前置过滤器、智能恒温电热水器和花洒等组成。
(二)装置原理
启动自吸增压泵,然后启动智能恒温电热水器,装置开始循环工作。
沐浴废水经废水收集器进入前置过滤器,经过自吸增压泵和RO膜进水口,被RO膜过滤后分流为净水和废水(不能过滤的洗发水、沐浴露)。净水进入智能恒温电热水器,被加热后可用来沐浴。沐浴后的水又被回收到废水收集器。而废水经过智能废水电磁阀进入废水收集器。
前置过滤器的废水出水口定时打开,分流出的废水会经过智能废水电磁阀进入废水收集器。前置过滤器可过滤沐浴废水中的泥沙等粗颗粒杂质。
(三)难点突破
在制作过程中,我遇到了以下问题:
1.一个RO膜组件过滤效率低,净水出水量过少,过滤时间过长;
2.前置过滤器中的废水不易排出;
3.如果废水的排出量很大,原有水量会越来越少。
在老师的指导下,我很好地解决了问题。解决方案如下:
1.根据智能恒温电热水器出水量的大小,适当增加RO膜组件数量,将RO膜组件多路并联,并分别将净水出水口、废水出水口并联,提高过滤效率。同时,根据RO膜组件的数量相应地调整RO膜组件的安装位置,以方便为宜。
2.在前置过滤器前端加一个单向阀,并定时对前置过滤器进行冲洗。在前置过滤器自吸头前端安装滤网,可进行一次过滤,将颗粒大的污物隔离在废水收集器内。
3.将前置过滤器和RO膜分流出的废水排到废水收集器内,实现水循环。
六、测量电功率
(一)对比实验
将装置中智能恒温电热水器的进水管和花洒分别置于不同的水桶内,放置进水口的水桶装满水,电源插头插入数显功率计量插座,启动智能恒温电热水器。智能恒温电热水器的设定温度为38 ℃。待显示的功率数值稳定,记录数值并拍照。计时10分钟,记录总功率数值。
装置正常使用,确保花洒出水、智能废水电磁阀出水可回收至废水收集器,水循环流动。电源插头插入数显功率计量插座,启动装置。智能恒温电热水器的设定温度为38 ℃。待显示的功率数值稳定,记录数值并拍照。计时10分钟,记录总功率数值。
(二)结论
当不使用装置时,启动智能恒温电热水器,电功率为2200 ~3000 W。当使用装置,循环用水时,启动智能恒温电热水器,电功率为220 ~300 W。通过数据对比,可以得出结论:与不使用装置时的电功率相比,使用装置时的电功率大大降低,验证了装置具有节约电能的功能。
七、创新点
装置收集沐浴废水,通过前置过滤器和RO膜多次过滤得到净水,净水经过智能恒温电热水器被加热使用,实现水循环利用,达到节水的目的。第一次沐浴后,在个人沐浴习惯和时间长短不变的情况下,经测试,使用装置沐浴的用水量是使用普通智能恒温电热水器沐浴的用水量的1/10至1/15 。
沐浴后产生的污水还具有一定的温度,被过滤后经过智能恒温电热水器时,只需要耗费极少的电能就能达到设定的沐浴用水温度,可节约电能。
RO膜清洗方便,能节约更换RO膜的成本。只需把RO膜进水口和废水出水口常开,把RO膜清洗剂按照一定的比例倒入废水收集器中,打开智能恒温电热水器,设定温度为40 ℃,水循环20至30分钟,便能完成RO膜的清洗。
应用广泛,装置可装在宿舍、房车、民宿、临建房等场所。(指导老师:张才友)
专家点评
杨竣轶同学的一种循环式节水节电的速热电热水器是一件改进型发明作品,即属于选题源于日常生活,能够为社会经济发展或社会生活带来便利的B类项目。这项发明的产生主要体现了:其一,杨竣轶同学具有节约水资源的环保理念与创新意识。普通电热水器的一些毛病,许多同学都感受到了,唯独杨竣轶能提出这个节水、节能的发明课题并将其物化。其二,杨竣轶同学具有较强的技术学习与运用能力。虽然学校科技老师的辅导能力强,但作为一名初中生,要把相关的科学原理、器件功能融入自己的设计中并完成好,达到项目要求,实属不易。其三,杨竣轶同学已具备良好的科研潜质。从选题到难点的突破,再到作品的完善与知识产权保护等,其研究过程步步递进、条理清晰,实验设计合理,数据真实可信。希望杨竣轶同学在进入高中阶段后,在创新成长的道路上迈出更坚定的步伐。