一款新型燃料熱水器節(jié)水裝置的設(shè)計(jì)探討

方彥奎　程清偉　潘東文　劉立宇

摘 要：新型家用燃?xì)鉄崴鞴?jié)水裝置是為了解決燃?xì)鉄崴髟陂_啟時(shí)先放冷水所造成的水資源浪費(fèi)問題而設(shè)計(jì)的。該節(jié)水裝置利用自來水的水壓作為動力，推動內(nèi)部循環(huán)管道系統(tǒng)回收燃?xì)鉄崴鲝拈_啟到達(dá)到所需水溫正常工作這段時(shí)間所流出的冷水，并將這部分水送入熱水器重新加熱再利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)約水資源和熱水器的“零冷水”功能。文章主要介紹節(jié)水裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理、單片機(jī)控制系統(tǒng)控制原理。

關(guān)鍵詞：內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；三種工況；控制原理

1 節(jié)水裝置循環(huán)管道系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及冷水回收基本原理

1.1 節(jié)水裝置循環(huán)管道系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

節(jié)水裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖1，循環(huán)管道系統(tǒng)由水管、液壓缸、儲藏缸、活塞及連桿、電磁閥、逆止閥組成。其中液壓動力缸是雙向液壓缸，兩個(gè)冷水儲藏缸為單向液壓缸。三個(gè)缸中裝有活塞，活塞間由連桿連接，不發(fā)生相互位移。圖中灰色部分為管道，裝置通過單片機(jī)對常開電磁閥、常閉電磁閥進(jìn)行控制，使各個(gè)管路的通閉隨裝置運(yùn)行工況的變化而改變，而水流方向也同時(shí)隨之改變，進(jìn)而利用水壓作為動力帶動活塞進(jìn)行回收與排水，實(shí)現(xiàn)對燃?xì)鉄崴鞯交㈤g管道內(nèi)余水以及燃?xì)鉄崴黝A(yù)熱階段產(chǎn)生的冷水的回收再利用。

1.2 冷水回收基本原理

根據(jù)國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，自來水管網(wǎng)末端服務(wù)壓強(qiáng)不低于0.14兆帕，壓強(qiáng)合格率不低于97%。如果將這部分壓力作用在面積0.001m2的表面上，可以產(chǎn)生140N的力。本裝置巧妙利用這部分力驅(qū)動節(jié)水裝置進(jìn)行抽水與排水。本裝置使用一個(gè)雙向液壓缸（液壓動力缸）和一個(gè)單向液壓缸（冷水儲藏缸），兩缸的活塞用連桿連接。

水從液壓動力缸右端進(jìn)入，水壓驅(qū)動液壓動力缸活塞向左移動，帶動由連桿連接的冷水儲藏缸活塞向左移動，冷水儲藏缸抽水。當(dāng)活塞移動至左端后，改變水流方向，水從液壓動力缸左端進(jìn)入，液壓動力缸活塞帶動冷水儲藏缸活塞向右移動，冷水儲藏缸排水。本裝置利用這一抽一排，便可實(shí)現(xiàn)對熱水器所排出的冷水進(jìn)行回收的功能。

2 循環(huán)管道系統(tǒng)的三工況設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)原理

新型家用燃?xì)鉄崴鞯墓艿拦r分為冷水回收工況、冷水再循環(huán)工況以及待機(jī)工況。整個(gè)裝置通過三種工況間的自動轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對燃?xì)鉄崴鞯交ⅲǔ鏊冢╅g管道內(nèi)余水以及燃?xì)鉄崴黝A(yù)熱階段冷水的回收再加熱。

2.1 冷水回收工況

打開自來水開關(guān)，此時(shí)電磁閥通電，水從管道進(jìn)入液壓動力缸，然后一部分水通過管道流入燃?xì)鉄崴鬟M(jìn)行加熱，但由于熱水器將水加熱到所需溫度需要一定預(yù)熱時(shí)間，所以這部分進(jìn)入熱水器加熱的水并未達(dá)到所需溫度，故通過管道流入預(yù)熱冷水儲藏缸。而連接液壓動力缸的管路與自來管相連，在給動力缸和預(yù)熱缸送水的同時(shí)也給兩個(gè)缸的活塞帶來了水壓。在水壓的推動下，兩個(gè)活塞將帶動管道冷水儲存缸的活塞向左移動，直到受到阻擋或管道工況發(fā)生變化。通過這個(gè)過程，滯留在管道中的冷水將沿淺管道抽入管道冷水儲藏缸，液壓動力缸活塞左邊的水也將沿著管道進(jìn)入管道冷水儲藏缸。

2.2 冷水排出工況

在冷水回收工況結(jié)束時(shí)，液壓動力缸的活塞已移動到缸內(nèi)左端。這時(shí)循環(huán)管道系統(tǒng)進(jìn)入排水工況。裝置出水口附近的溫度傳感器對熱水器管道中的水溫進(jìn)行檢測并將信號傳遞給控制單元，當(dāng)水溫達(dá)到用戶所設(shè)定溫度時(shí)，控制單元對電磁閥的斷電，使管道中的水的流向發(fā)生改變。此時(shí)自來水由動力缸左端流入，以推動動力缸活塞向右移動，進(jìn)而通過連桿帶動兩個(gè)儲藏缸中的活塞將儲藏缸儲藏的冷水推出，冷水通過管路進(jìn)入熱水器燃燒室進(jìn)行加熱再利用，這時(shí)，熱水器加熱的水已達(dá)到所需溫度可直接通過管道流向出水口使用。

2.3 待機(jī)工況

排水工況結(jié)束后，裝置進(jìn)入待機(jī)工況。此時(shí)，自來水通過管道經(jīng)液壓動力缸，進(jìn)入熱水器進(jìn)行加熱，由于此時(shí)的熱水達(dá)到用戶所預(yù)設(shè)的溫度，溫度傳感器將信號傳遞給單片機(jī)控制單元，控制單元保持對電磁閥的斷電的狀態(tài)，使水流直接從熱水器出口流向出水口。在待機(jī)工況，裝置和熱水器正常工作。出水口開關(guān)關(guān)閉，控制芯片進(jìn)入延時(shí)程序，5分鐘之內(nèi)再次開啟出水口出水開關(guān)，裝置不運(yùn)行，當(dāng)超過5分鐘后再重新使用，節(jié)水裝置才會重新工作，以減少裝置的不必要運(yùn)行。

2.4 控制系統(tǒng)的原理

控制系統(tǒng)是通過控制電磁閥的開閉來實(shí)現(xiàn)控制水流方向。為了控制的方便性和準(zhǔn)確性，本裝置在設(shè)計(jì)電磁閥的位置和類型時(shí)，統(tǒng)一了所有電磁閥的步調(diào)——所有電磁閥的通電狀態(tài)或斷電狀態(tài)是統(tǒng)一的。控制系統(tǒng)可以通過一條指令控制所有的電磁閥，這樣大大的降低了程序的復(fù)雜性和故障率。花灑閥打開，該裝置自動開機(jī)，單片機(jī)控制系統(tǒng)開始檢索溫度傳感器送入的信號，當(dāng)溫度未達(dá)到設(shè)定溫度，控制系統(tǒng)輸出指令控制所有電磁閥通電，進(jìn)入冷水回收工況；當(dāng)溫度設(shè)定溫度時(shí)，單片機(jī)輸出控制指令，讓所有電磁發(fā)斷電，系統(tǒng)進(jìn)入冷水排除工況，接著熱水器進(jìn)入正常工作狀態(tài)，而節(jié)水裝置進(jìn)入待機(jī)工況。

3 結(jié)束語

這款燃?xì)鉄崴鞴?jié)水裝置跟目前家庭裝配的燃?xì)鉄崴鞯钠ヅ涑潭雀撸筛鶕?jù)燃?xì)鉄崴惭b位置與沖涼房的管道距離調(diào)整設(shè)計(jì)管道冷水存儲缸截面積的大小及長度。可根據(jù)熱水器的加熱性能調(diào)整設(shè)計(jì)預(yù)熱水缸的截面積的大小。裝在出水口的溫度傳感器將溫度系統(tǒng)傳輸給電控單元，單片機(jī)電控單元根據(jù)用戶設(shè)置的溫度自動控制常開、常閉電磁閥工作，實(shí)現(xiàn)自動工作。該裝置設(shè)計(jì)經(jīng)過驗(yàn)證計(jì)算，證明裝置的可行性。該設(shè)計(jì)尚在研發(fā)階段，有一定試驗(yàn)基礎(chǔ)，在不斷改進(jìn)當(dāng)中。

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