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(jī)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(guān)鍵詞：冷水段；機(jī)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(yàn)，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(xiàn)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(chǔ)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(huán)”——洗澡結(jié)束后對管路中的冷水進(jìn)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(dá)到節(jié)水節(jié)能的目的。

1.設(shè)計(jì)方案概述

本設(shè)計(jì)方案旨在解決熱水器浴前放冷水的問題。經(jīng)過近半個月的調(diào)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(huán)裝置

1.1設(shè)計(jì)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(nèi)裝有一定量的異戊烷（沸點(diǎn)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(nèi)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(nèi)壓強(qiáng)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(shù)選擇

（1）熱水器所用噴頭水管長度1.5 m，管徑為4分，經(jīng)計(jì)算，所含水量大概在0.6L左右，所以設(shè)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(shè)定氣囊內(nèi)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(nèi)徑為6mm，如圖6所示：

圖3 系統(tǒng)條件分析

1.3.2公式推導(dǎo)

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(nèi)氣囊膨脹壓縮空氣產(chǎn)生的氣壓。只要室內(nèi)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(nèi)，某種物質(zhì)在給定的溫度下，該物質(zhì)的液相、氣相共存時的氣體壓力（分壓）。此時，蒸發(fā)/凝結(jié)過程達(dá)到動態(tài)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(shù)參數(shù)，查表可知：A：6.78967，B：1020.012，C：233.097。經(jīng)計(jì)算可得：P1 = 137299Pa。

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

（3）由公式

可以計(jì)算得到 h值： h ≈ 597mm

1.3.3結(jié)論

溫度、壓強(qiáng)、以及回水管可選高度關(guān)系如下圖所示

圖4 溫度、壓強(qiáng)和高度關(guān)系圖

37℃時，h的值遠(yuǎn)大于82mm，此時系統(tǒng)方案可行。

由上圖可知，該裝置工的作溫度范圍應(yīng)大于25.8℃。

2.方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)

秉承著具有開發(fā)性，創(chuàng)新性、結(jié)構(gòu)相對簡單，便于生產(chǎn)制造、安全可靠，對人體無傷害、可以大批量生產(chǎn)等原則，我們小組的設(shè)計(jì)方案三維圖如圖8所示：

圖5 方案三維圖

各部分具體結(jié)構(gòu)如下：

2.1 裝置外殼

2.1.1材質(zhì)

外殼采用的材質(zhì)為玻璃鋼，玻璃鋼具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、電性能好、熱性能良好、可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，十分符合外殼部分所需要的性能。

2.1.2結(jié)構(gòu)

外殼的結(jié)構(gòu)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(jìn)出口兩處用膠套密封。

2.1.3質(zhì)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(nèi)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(zhì)

通水管路采用的材質(zhì)是鋁合金，鋁合金具有成本低，易加工，導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，符合所需性能。

2.2.2結(jié)構(gòu)

通水管路的結(jié)構(gòu)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(zhì)量

為了方便計(jì)算，將計(jì)算簡化為一根直管，根據(jù)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(zhì)

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(jià)適中等優(yōu)點(diǎn)。

2.3.2結(jié)構(gòu)

在實(shí)際連接時，可以做成兩部分，每部分都采用直角結(jié)構(gòu)，便于連接安裝。

2.3.3質(zhì)量

根據(jù)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(nèi)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(xué)式是C5H12，摩爾質(zhì)量為72g/mol ， 所有氣體在標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)為可以存入一升水。按存入最大水量計(jì)算，所以本裝置裝滿水的總質(zhì)量為：

4.5+20+500+1000+18≈1543g，即1.55公斤。

當(dāng)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(jié)語

本方案的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）解決了冷水等待問題，相對于循環(huán)泵價(jià)格低廉，不需要額外操作。

（2）本裝置可作為附加產(chǎn)品，用戶根據(jù)自身情況進(jìn)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(dāng)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(fēng)險(xiǎn)及解決方案

南方有些地區(qū)室內(nèi)溫度在28℃以上，導(dǎo)致異戊烷不能液化，影響氣壓差的產(chǎn)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(diǎn)較高的液體。

本裝置僅僅利用機(jī)械結(jié)構(gòu)就能解決熱水器冷水段的問題，并且實(shí)現(xiàn)了用戶可接受的維度，可以進(jìn)一步研發(fā)并且推向市場。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊喜林.儲水式電熱水器的節(jié)能設(shè)計(jì)[J].家用電器科技，1997，01：27-28.

[2]李滿.解決家用太陽能熱水器“熱等待”問題的幾種方法[J].能源技術(shù)，2007，06：359-360.

[3]蔡瑩，秦朝葵.燃?xì)鉄崴骷夹g(shù)進(jìn)展[J].煤氣與熱力，2006，11：34-37.

[4]寇廣孝，王漢青，周湘江，胡亞杰，羅建華.熱泵式電熱水器的設(shè)計(jì)構(gòu)思[J].南華大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2001，03：7-9+25.

[5]周子成，蔡湛文.國內(nèi)外熱泵熱水器的發(fā)展[J].家電科技，2006，12：42-45.