解決熱水器冷水段問題的人性化自動循環裝置

劉欣 趙甜甜 張志超 丁殿磊

摘 要：介紹了一種解決熱水器浴前出冷水問題的人性化機械裝置。主要闡述了本裝置的工作原理、可行性分析以及裝置的組成。

關鍵詞：冷水段；機械裝置；人性化

引言

隨著人們生活水平的提高，熱水器洗浴在普通家庭中也越來越常見。人們在使用熱水器之前通常會放掉連接管路中的冷水，然而冷水流失的過程影響了使用者的體驗，洗浴前這段時間的等待也影響了使用者的心情；另外，在水資源日趨緊張的今天，這一現象也不符合“低碳生活”的要求。

本文中的方案是在原有熱水器的基礎上，在出水管路上增加了一個人性化裝置，該裝置通過對“間歇式循環”——洗澡結束后對管路中的冷水進行收集存儲，下次開始洗浴時將所儲藏的水慢慢融入熱水——很好的解決了洗浴時等待排放冷水的問題，同時也能達到節水節能的目的。

1.設計方案概述

本設計方案旨在解決熱水器浴前放冷水的問題。經過近半個月的調查研究以及積極討論，提出如下的方案：

圖 1解決冷水段問題自動循環裝置

1.1設計原理

該裝置的原理如圖4所示，它為上下兩層，底層是儲水空間（6為所存水）通過回水管5與通水管路3連接；上層包含通水管路3，管路四周包裹氣囊2，氣囊內裝有一定量的異戊烷（沸點28℃）。通氣孔7位于上下兩層間的隔板上。熱水器加熱，熱水通過通水管路3，氣囊內的異戊烷受熱氣化，氣囊膨脹，底層儲水空間的水受到壓力，沿著回水管與通水管路中的熱水慢慢相融合，然后一同排出。停止使用熱水器后，通水管路溫度下降，異戊烷遇冷液化，氣囊內壓強減小，然后收縮，通水管路中存留的水被吸回儲水裝置中。這樣，就確保了每次使用熱水器時，流出的水都是熱水，解決了洗浴前冷水等待的問題。

1.2 流程框圖

該裝置的工作流程框圖如下：

圖2 工作流程框圖

1.3 理論可行性分析

1.3.1參數選擇

（1）熱水器所用噴頭水管長度1.5 m，管徑為4分，經計算，所含水量大概在0.6L左右，所以設定裝置儲水部分容積1L，裝置上部分體積為1.2L。

（2）假定熱水器工作時，通水管路的溫度定為37℃，這樣可以設定氣囊內異戊烷溫度為37℃，可以算出此溫度下異戊烷的飽和蒸汽壓。

（3）回水管與通水管路之間的垂直長度定為82mm，回水管內徑為6mm，如圖6所示：

圖3 系統條件分析

1.3.2公式推導

忽略氣囊膨脹時張力的影響，異戊烷的飽和蒸汽壓就為裝置內氣囊膨脹壓縮空氣產生的氣壓。只要室內壓力能克服外部氣壓和流體壓力，并且使儲水能夠上升82mm，則此裝置在理論上是可行的。

（1）飽和蒸氣壓：在一個密閉空間內，某種物質在給定的溫度下，該物質的液相、氣相共存時的氣體壓力（分壓）。此時，蒸發/凝結過程達到動態平衡。

公式：

式中：P為飽和蒸氣壓，單位為1mm汞柱（133.3Pa），t為溫度，單位是攝氏度；A，B，C是常數參數，查表可知：A：6.78967，B：1020.012，C：233.097。經計算可得：P1 = 137299Pa。

（2）流體壓力定為P2 = 0.03MPa。（查文獻得此壓力通常在0.02 MPa-0.035MPa之間）外部大氣壓力P3取標準大氣壓，P3 = 101325Pa。

（3）由公式

可以計算得到 h值： h ≈ 597mm

1.3.3結論

溫度、壓強、以及回水管可選高度關系如下圖所示

圖4 溫度、壓強和高度關系圖

37℃時，h的值遠大于82mm，此時系統方案可行。

由上圖可知，該裝置工的作溫度范圍應大于25.8℃。

2.方案的詳細設計

秉承著具有開發性，創新性、結構相對簡單，便于生產制造、安全可靠，對人體無傷害、可以大批量生產等原則，我們小組的設計方案三維圖如圖8所示：

圖5 方案三維圖

各部分具體結構如下：

2.1 裝置外殼

2.1.1材質

外殼采用的材質為玻璃鋼，玻璃鋼具有輕質高強、耐腐蝕、電性能好、熱性能良好、可設計性好等優點，十分符合外殼部分所需要的性能。

2.1.2結構

外殼的結構如圖9所示，分上下兩部分，在裝上鋁管、氣囊后將接縫密封（圖中兩顏色交界處），鋁管進出口兩處用膠套密封。

2.1.3質量

M=ρ1v=ρ1*（πR12-πr12）*h1≈ 500g

其中ρ1表示玻璃鋼的密度約為2t/m3；R1表示外圈的半徑并且R1=63mm； r1表示內圈的半徑并且r1=60mm；h1表示圓柱體的高度并且h1=220mm。

2.2 通水管路

2.2.1材質

通水管路采用的材質是鋁合金，鋁合金具有成本低，易加工，導熱性好等優點，符合所需性能。

2.2.2結構

通水管路的結構如圖10所示，壁厚為1mm，中間橢球形被氣囊包裹，在其中間存放異戊烷，如圖4中所示，支口與回水管相接，外徑為6mm。

2.2.3質量

為了方便計算，將計算簡化為一根直管，根據公式：

M=ρ2v=ρ2*（πR22-πr22）*h2≈ 20g

其中ρ2表示鋁合金的密度為2.75x103kg/m3；R2表示外圈的半徑并且

2.3 回水管

2.3.1材質

回水管路考慮到與通水管路連接以及起到輸水的作用，采用PPR管，PPR管具有外形美觀、重量輕，耐腐蝕性能好，使用壽命長，安裝方便、可靠，造價適中等優點。

2.3.2結構

在實際連接時，可以做成兩部分，每部分都采用直角結構，便于連接安裝。

2.3.3質量

根據公式可得：

M=ρ3v=ρ3*（πR32-πr32）*h3≈ 4.5g

其中ρ3表示PPR的密度為0.9g/cm3；R3表示外圈的半徑并且R3=4mm； r3表示內圈的半徑并且r3=3mm；h1表示管子的總高度并且h3=（155+75）mm。

2.4 氣囊

氣囊選用收縮性大，收縮張力特別小的材料。氣囊中放入一定量的異戊烷，其化學式是C5H12，摩爾質量為72g/mol ， 所有氣體在標準狀況下的氣體摩爾體積均為22.4L/mol，我們暫定裝置上層空間為1.2L，考慮到氣液轉化以及余量，我們暫定1/4摩爾的異戊烷，所以為異戊烷重量為18g。

由上述可知，冷水段中水大約為0.6升，本裝置設計為可以存入一升水。按存入最大水量計算，所以本裝置裝滿水的總質量為：

4.5+20+500+1000+18≈1543g，即1.55公斤。

當本裝置未存水時的總重量為：

4.5+20+500+18≈543g，約為0.55公斤；

3.總結語

本方案的優點如下：

（1）解決了冷水等待問題，相對于循環泵價格低廉，不需要額外操作。

（2）本裝置可作為附加產品，用戶根據自身情況進行選擇，有很大的靈活性。

（3）本裝置重量輕，體積小，外形能夠隨意改變，做出漂亮的外形可以當作飾品掛在熱水器處，即解決問題，又美觀大方。

此方案存在的風險及解決方案

南方有些地區室內溫度在28℃以上，導致異戊烷不能液化，影響氣壓差的產生，從而管路中的水不能順利“回收”。

解決方案：可將氣囊中的液體換成沸點較高的液體。

本裝置僅僅利用機械結構就能解決熱水器冷水段的問題，并且實現了用戶可接受的維度，可以進一步研發并且推向市場。

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