劉磊

摘要：隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平得到了顯著的提高。隨之而來的是越來越嚴(yán)峻的環(huán)境問題。水是生命之源，與我們的生活息息相關(guān)，越來越多的人開始關(guān)注飲用水的安全問題。

關(guān)鍵詞：凈水器；增壓泵；控制方式；水路

通過設(shè)計(jì)新型增壓泵以及水路原理圖實(shí)現(xiàn)流量可調(diào)的功能。同時(shí)在水路中布置一個(gè)流量傳感器，對(duì)增壓泵的性能衰減補(bǔ)償，防止消費(fèi)者在使用過程中，凈水器制水流量偏低。從而使整個(gè)凈水器在制水過程中性能穩(wěn)定，噪音低，壽命長。

一、概述

我國隨著人們對(duì)飲用安全的日益關(guān)注，家用凈水器作為一種新興的電器產(chǎn)品正逐步進(jìn)入廣大消費(fèi)者的家中。作為凈水器的核心零部件，增壓泵具有自吸和增壓功能，為凈水器通過反滲透膜凈化水這一過程提供恰當(dāng)?shù)乃畨汉退髁?，最終使凈水器實(shí)現(xiàn)過濾出純凈水的目的。反滲透膜孔徑為1×10-10m，而水分子的直徑是4×10-10m，所以一般來說反滲透凈水器都需要有一個(gè)增壓泵，來把水分子擠到膜的另一面。目前，市面上現(xiàn)在凈水器里增壓泵，一般都是用的直流有刷電機(jī)增壓泵，其主要結(jié)構(gòu)由有刷電機(jī)與泵體兩部分組成，其電機(jī)里碳刷與換向器接觸易產(chǎn)生火花，同時(shí)碳刷容易磨損，噪音大，影響整機(jī)的噪音，導(dǎo)致EMC問題，并隨著使用頻率增加，碳粉沉積，對(duì)凈水器處于易爆氣體的空間，則不適用；直流有刷電機(jī)增壓泵，輸出功率與外形尺寸之比沒有無刷電機(jī)高，同時(shí)體積大，限制了凈水器往小型化發(fā)展，對(duì)其用在母嬰房，以及易爆粉塵環(huán)境里的凈水器，有刷電機(jī)增壓泵就體現(xiàn)出不足。同時(shí)，直流電機(jī)增壓泵隨著使用時(shí)間的增加，流量會(huì)有衰減，不能根據(jù)凈水器出水自動(dòng)調(diào)控轉(zhuǎn)速。所以解決增壓泵噪音，體積以及性能衰減問題將會(huì)大大滿足用戶對(duì)凈水器的需求。

二、帶一體化鐵殼的無刷電機(jī)增壓泵設(shè)計(jì)

1.電機(jī)其泵體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此技術(shù)有別于市場上的直流有刷電機(jī)增壓泵，通過把電機(jī)鐵殼做成一體式，可以去掉普通直流電機(jī)的后蓋，減少工藝工序，降低成本，同時(shí)，又能保證軸承與鐵殼的同心度，降低機(jī)械噪音；其次，由于無刷電機(jī)輸出功率與外形尺寸之比高，效率高，同時(shí)振動(dòng)又比普通的直流有刷電機(jī)小，所以支座采用單孔固定在整機(jī)上，并焊接其支座在電機(jī)的中間面位置，大大方便增壓泵在整機(jī)里的安裝，適合整機(jī)不同的設(shè)計(jì)要求，利于超薄小型化凈水器的發(fā)展。經(jīng)過試驗(yàn)，例如水泵的尺寸OD36mm*L 110mm*H 57mm，當(dāng)輸入電壓為12-24V時(shí)，工況即額定工作點(diǎn)（0.2Mpa進(jìn)水壓，0.5Mpa出水壓）時(shí)，轉(zhuǎn)速范圍1200-1400rpm，電流≤1.5A，最大輸入功率范圍18-36W，流量≥550ml/min&噪音≤40dB（A）；6根原子線：紅線接“+”，綠線是速度信號(hào)控制輸出，黃線是CW/CCW轉(zhuǎn)向控制，黑線接“-”，藍(lán)線是PWM速度控制，白線是制動(dòng)。同時(shí)，泵體的偏心輪，采用3.5度的設(shè)計(jì)，底面到中心高度18MM，增加膜片的擺動(dòng)幅度，即增加自吸能力和流量。

2.增壓泵工作原理。RO凈水器在制水時(shí)，增壓泵開始工作，其通過電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)泵體中偏心輪的擺動(dòng)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為偏心輪的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)偏心輪又與隔膜片相連，也帶動(dòng)膜片往復(fù)運(yùn)動(dòng)，致使隔膜腔體容積在不斷變化，從而實(shí)現(xiàn)增壓排水的效果。

三、凈水器制水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)打開機(jī)器時(shí)，自來水進(jìn)入凈水器，經(jīng)過前置PP棉過濾，進(jìn)水電磁閥，然后自來水經(jīng)過增壓泵加壓進(jìn)入活性碳濾芯，及RO膜濾芯，純水通過逆止閥，進(jìn)入除異味，改善口感的后置活性碳濾芯，最后從水龍頭流出消費(fèi)者感知的純凈水。其中在水龍頭中安置一個(gè)流量傳感器，當(dāng)凈水器的制水通量變少時(shí)，可以感應(yīng)純水的流量，以致反饋給控制器，由控制器再把信號(hào)反饋給直流無刷增壓泵，從而調(diào)控電機(jī)轉(zhuǎn)速，使出水流量到達(dá)平衡并提高制水流量，補(bǔ)償機(jī)器在長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)中的損耗。同時(shí)，從RO膜濾芯出來的廢水，通過沖洗閥的控制，調(diào)控RO膜前壓力，保證適當(dāng)?shù)臐B透壓力，使制水系統(tǒng)維持平衡。

四、凈水器的設(shè)計(jì)原理

1. 渦流反應(yīng)原理。加藥后水流先沿切線進(jìn)入本設(shè)備底部的渦流反應(yīng)器內(nèi)，在渦流反應(yīng)器中呈螺旋線上升。在渦流反應(yīng)器中，粗細(xì)顆粒相互接觸碰撞，不斷旋轉(zhuǎn)翻滾上升，由快到慢，類似反應(yīng)池中的先快后慢的規(guī)律，有利于絮體的成長壯大。從渦流反應(yīng)器出來，水流面積迅速擴(kuò)大，流速大幅度降低，個(gè)別大的顆粒開始下沉，由于水流的慣性作用，不可能在渦流反應(yīng)器內(nèi)沉淀，即使在渦流反應(yīng)器內(nèi)沉淀，也會(huì)和下面上來的細(xì)顆粒再次接觸吸附絮集在一起，形成更大的絮體而上升，只要進(jìn)水不斷，則這個(gè)過程就不斷被重復(fù)。

2.豎板沉降原理。這個(gè)原理的設(shè)計(jì)來源于國外氧化鋁行業(yè)高效沉降槽的啟發(fā)。國外那些高效沉降槽都是瘦而高的形狀，高度與直徑比很大，沉淀效果確實(shí)好。在高效凈水器中安裝了細(xì)而密的豎向隔板，豎向隔板把圓柱體部分隔分成許多細(xì)而長的豎向通道，水流通過豎向隔板上升時(shí)，相當(dāng)于通過許多“高度與直徑比很大”的“微型高效沉降槽”，同時(shí)，在隔板內(nèi)，限制了水流的運(yùn)動(dòng)軌跡，穩(wěn)定了水流，Re 處于層流狀態(tài)，稍大一點(diǎn)的顆粒在重力作用下開始逆水流方向而下降，稍小稍輕的顆粒繼續(xù)隨水流上升，還有一部分不上不下懸浮在水中。在此過程中，有的顆粒相互碰撞接觸吸附形成大一點(diǎn)的顆粒。另外根據(jù)混凝動(dòng)力學(xué)的解釋：凝聚后絮體的成長速度與水中的顆粒濃度的平方成正比，安裝豎向隔板相當(dāng)于間接地在水中增加了顆粒的濃度，增加了接觸碰撞吸附的機(jī)率。生產(chǎn)實(shí)踐證明，在豎板區(qū)域內(nèi)，沉淀效率很高。

3.高濃度污泥懸浮層。這個(gè)高濃度污泥懸浮層的設(shè)計(jì)來源于機(jī)械加速澄清池，不過，在機(jī)械加速澄清池內(nèi)的高濃度污泥懸浮層是靠污泥回流來實(shí)現(xiàn)的，本裝置的高濃度污泥懸浮層是靠纖維過濾層控制豎板沉降區(qū)的污泥濃度而形成的。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，纖維層的下面沉積了厚約10 mm 污泥，說明在過濾過程中，有大量的污泥被截留到纖維過濾層以下，正是這種攔截、阻擋，使相當(dāng)細(xì)的污泥顆粒、絮體滯留在豎板區(qū)內(nèi)，不斷積累變濃，就在豎板區(qū)內(nèi)形成了高濃度污泥層。并非真正的污泥層的高度，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，也許污泥層上限在豎板內(nèi)，也許不在。污泥層的高度、濃度取決于具體的水處理對(duì)象的性質(zhì)，取決于運(yùn)行過程中的控制參數(shù)，如上升流速、過濾周期等。一般來講，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，過濾周期加長，懸浮層高度上升，濃度增大；反之，則懸浮層低、稀、薄。懸浮層的出現(xiàn)對(duì)固液分離是很理想的手段。懸浮層像一層厚厚的海綿一樣，廣泛的、全面的吸附、攔截陸續(xù)上來的水中細(xì)小絮體顆粒，顆粒變大后，自動(dòng)在重力作用下下降，下降至污泥壓縮層。整個(gè)污泥層濃度自動(dòng)平衡，高度自動(dòng)移動(dòng)。不存在反洗，不存在堵塞，效率很高，效果很好。在這種高效凈水器中形成污泥懸浮層是相對(duì)容易的，因?yàn)樗械募?xì)小顆粒在進(jìn)入纖維過濾層前被攔截，在纖維層的外表面會(huì)形成一層細(xì)密污泥層，這個(gè)污泥層隨著時(shí)間的延長會(huì)向下延伸，這時(shí)高濃度污泥懸浮層就算形成了。只有纖維層被污泥堵塞，水流在纖維層的過濾水頭不斷上升而超過設(shè)計(jì)水頭時(shí)，纖維層需要反洗，才會(huì)停止運(yùn)行，開始反洗。反洗時(shí)也是在纖維層下面設(shè)排水口，盡量不影響高濃度污泥懸浮層。這個(gè)特點(diǎn)是其它水處理單元中所沒有的。

4.可調(diào)密度纖維過濾層。纖維過濾的優(yōu)勢(shì)是孔隙率大、納污能力強(qiáng)、過濾速度快，遇到的最大問題就是反洗不徹底、反洗時(shí)間長。本裝置設(shè)計(jì)纖維過濾層密度可調(diào)，纖維層夾在兩個(gè)網(wǎng)板之間，其中一個(gè)網(wǎng)板是固定的，另一個(gè)網(wǎng)板是活動(dòng)的。過濾時(shí)，通過壓縮活動(dòng)板壓緊纖維，使纖維密度增大過濾精度提高；反洗時(shí)，放松活動(dòng)板，使纖維處于膨脹狀態(tài)，密度下降，孔隙率變大，容易反洗徹底。這個(gè)特點(diǎn)目前在市場上的纖維過濾器中還沒有見到過。

增壓泵以及水系統(tǒng)的測試，該新型的增壓泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水系統(tǒng)控制，可以有效的提升凈水器的出水流量，提高凈水器的可靠性，滿足用戶用水需求。

參考文獻(xiàn)：

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