家用熱水器冷水自動節水裝置設計及應用

(寶雞文理學院機電工程系，陜西 寶雞 721016)

家用熱水器冷水自動節水裝置設計及應用

馬志燕

(寶雞文理學院機電工程系，陜西 寶雞 721016)

結合家用熱水器循環系統的實際情況，研究設計了一套冷水自動節水裝置。采用在原系統基礎上加裝電子閥門的方法，實現了管道中冷水的循環利用。節水裝置不僅使管道中的冷水被重新利用，達到節能的目的，還使人們在使用過程中更加方便，具有良好的經濟價值、社會效益和推廣價值。

熱水器；循環系統；電子閥門；節能

0 引言

如今，家用熱水器已成為人們生活中不可缺少的設備，家用熱水器的種類多種多樣，包括燃氣熱水器、電熱水器和太陽能熱水器等。隨著科學技術的發展，它們本身的功能也越來越強大，具有即燒即熱、數字控制溫度、體積小、外形精致和安裝使用方便等特點。然而，一般家庭用熱水管道較長，每次使用熱水的時候，水龍頭開啟之后，管道中存留的冷水放完，才能有熱水流出，這需要等待好長一段時間，用起來很不方便，而且冷水無故被排掉造成很大的浪費[1]。針對這一現象，采用冷水循環的方法，將出水管道中的冷水送回到熱水器中，繼續進行加熱使用，這樣，用戶隨時打開開關，就可以立刻用到自己設定溫度的熱水，無需等待，同時還可以達到節約能源的目的。

1 冷水節水裝置的總體方案設計及工作原理

1.1 冷水節水裝置總體方案

裝置結構如圖1所示。各部分的作用為：

a.熱水器。一般家用的即熱式熱水器。

b.溫度檢測裝置。由單片機及其輔助電子線路組成，根據所接收到的溫度信號，單片機會發出指令，通過輔助電子線路控制兩位三通電磁閥處于得電還是失電狀態。

c.兩位三通電磁閥。相當于1個開關的作用，當電磁閥失電時，左位接通，當電磁鐵得電時，右位接通，從而控制水流流入不同的管道。

d.單向閥。只能允許未達到溫度的水流回到熱水器，禁止冷水回流。

e.冷水入水管道。直接接通自來水提供水源。

f.冷水回水管道。未達到溫度的水通過該管道重新回到熱水器繼續加熱。

g.熱水出水管道。熱水器根據設定溫度加熱后，待檢測水溫的管道。

圖1 熱水器冷水循環利用裝置組成

1.2 工作原理

水裝置主要是在原熱水器管路基礎之上加入電子閥門來實現冷水循環利用。電子閥門的工作原理[2]如圖2所示。

圖2 電子閥門工作原理

洗澡前，將熱水器的溫度設置合適，打開冷水入水管道閥門，使水注入熱水器。熱水器為即熱式熱水器，其出口水流經過熱水出水管道后經溫度檢測裝置時，測得水溫未達到設定溫度時，電磁換向閥處于右位，未達到溫度的冷水會通過冷水回水管道返回到熱水器中繼續加熱，當溫度達到要求時，電磁換向閥處于左位，將熱水放出來供人們使用。

2 耗水因素分析

熱水器與淋浴花灑間至少需要接入3m左右的管子，還有的用戶家中有多個淋浴點，而往往都是用1個熱水器，這樣從熱水器到花灑間就要有8～10m的管子。這里按照8 m來計算，出水口管道平均內徑為d=1.5 cm，因此，管道內截面積為A=3.14×d2/4=1.766×10-4m2，每戶8 m即可節水8×1.766×10-4=14.128×10-4m3。如果按照1周淋浴2次，一個月8次，那么每人一年12個月就可以節水14.128×8×12=1356.288×10-4m3。寶雞市常住人口371萬，每年就可以節水1356.288×10-4×3710000=503183m3。

從上面的數字可以看出，對于單個用戶來說，管子存留浪費掉的冷水不多，但用戶數量眾多，總耗水量也是一個巨大的數字，因此，該節水裝置在滿足人們更加方便的同時，具有很好的節水功效，其社會效益是十分可觀的。

3 節水裝置設計

3.1 控制系統的設計

3.1.1 工作原理

當設定溫度后，冷水經熱水器加熱完成時，水流從熱水出水管道流出，溫度傳感器會產生一個信號通知單片機，此時單片機發出指令，通過控制電路使電磁換向閥的電磁鐵處于得電或失電狀態，從而驅動電磁換向閥的不同閥口打開。若出現水管中的溫度達到了設定的溫度，水流直接經過電磁換向閥左位開口流出供給人們使用；若沒有達到設定的溫度的時，單片機會發出指令通過控制電路使電磁換向閥的電磁鐵處于通電狀態，從而改變水流通路完成水路換向，將水流重新引導到熱水器繼續進行加熱。

3.1.2 實現方法

首先接通電源，輸入所要的溫度值，系統開始工作。由熱電偶將接收到的溫度信號轉化為電壓值，并將信號放大處理，得到線性化的模擬量，通過A/D轉換器轉換為計算機處理時所需要的數字信號。在A/D轉換的過程中，需要鎖存器以及啟動信號，它才能正常的工作。鎖存器決定是哪一位的模擬量輸入通道有效，啟動信號有效后它才能正常的工作。然后將得到的數字量傳入到單片機8031中，讓其進行判斷[3]。整個熱水器工作的過程采用8031單片機作為控制中心，控制電路如圖3所示。

圖3 繼電器接口控制電路

當單片機P3.1引腳為高電平時，經反相驅動器7406后變為低電平，使發光二極管發光，從而使光敏三極管導通，進而使三極管T9031導通，繼電器線圈通電，觸點閉合，使220V電壓接通，即電磁換向閥得電。

否則當P3.1引腳為低電平時，經7406后變為高電平，發光二極管不動作，從而使繼電器線圈不通電，觸點也處于斷開狀態，電磁換向閥不得電。

3.2 電磁閥結構設計

電磁閥是用來控制流體的自動化基礎原件。電磁閥里面有密閉的腔，在不同位置開有通孔，每個孔都通向不同的管路，腔中間是閥，一面是電磁鐵，電磁鐵線圈通電，閥體就會被吸引到那邊，通過控制閥體的移動來擋住或露出不同的排水孔，而進水孔是常開的，水流就會進入不同的排水管道，然后通過水的壓力來推動活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞桿帶動機械裝置運動，這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機械運動[4]。

根據系統要求，首先選擇一種在油路中使用的電磁換向閥，根據實際要求設計一種在水路中適用的閥門。

通常情況下，家庭中供水壓力為0.4MPa[5]，經過這個壓力值才能將自來水壓入到熱水器中，假設居民用水距離熱水器出口有8 m左右距離，溫度約為40℃，那么此時進水壓力為p=ρgv。

則p=9.73×9.8×3.14×0.0152×8

=1.344MPa

而

F=pS

所以

F=133N

根據水的壓力F=133N，選擇合適的電磁鐵，要求在使用的過程中電磁吸合力最小為133N。故選擇SCHULTZ品牌下的GMP永磁保持鐵，線圈可采用NASS德國原裝，可直接使用。整個閥體的材料為銅，其許用應力為[τ]=80MPa[6]

銜鐵吸合以后帶動推桿移動，從而改變臺階的位置進而改變水的流通方式。

根據運動的場合受力分析后得到水壓力為133N，而電磁鐵產生的電磁力為120～500N，要想支撐彈簧能夠將其位置保持不變，最小的力應為133N，此時形變量為設為0mm，而最大的力為367 N，它的形變量35 mm。

在對整個系統的使用過程中，由于要改變水流方式，讓沒有達到溫度的涼水重新流入到加熱腔內，那么在管路設計方面就要考慮到水是否會倒流的問題。在冷水管的出口處加一個單向閥保證水只能向著一個方向流通，另一個方向不流通，同時單向閥在裝配過程中應該在冷水入口處的下端安裝，保證冷水不會按面積回流。對于此單向閥的設計，彈簧的設計也是尤為重要的。考慮到安裝的方便，故選用直通式單向閥，依靠閥內彈簧的作用開啟或者閉合閥口，那么水的壓力一定要大于彈簧的壓力，此處，對于此單向閥正向最小的開啟壓力為0.016 MPa，壓縮量為10mm。

綜上，在低中壓閥門中，根據流量、通徑選擇電磁換向閥23DF30-E-B，通徑為16 mm，額定壓力為16 MPa，單電磁鐵供電，電壓為220V交流;選擇單向閥AF3-Ea15閥門，開啟壓力為0.05 MPa，滿足使用要求。同時，由于油的密度和水的密度不同，故用在油路的電磁換向閥中的密封裝置不能直接用在水路中，在此系統中選用一種材料為EPDM的密封裝置。

4 結束語

家用熱水器冷水自動節水裝置通過單片機、溫度傳感器和電磁閥等的應用，實現了系統的智能控制；系統通過兩位三通電磁閥的開關作用，實現冷水熱水的分流，使留在熱水器和淋浴噴頭之間管道中冷水得到再利用，解決了管道中冷水重新被加熱利用的問題，因此，能夠大量的節約用水，同時使人們在使用過程中更加方便，所以進一步提高了熱水器的使用性能。該冷水自動節水裝置在熱水器的應用中可以得到更加廣泛的推廣。

[1] 第十二屆挑戰杯省賽作品.節約預熱冷水直接出熱水型熱水器[EB/OL].http://www.tiaozhanbei.net/project/13636,2013-09-05.

[2] 孫祥國，廖映華，張良棟.太陽能熱水器燃氣輔助加熱的液壓裝置及控制系統設計[J].液壓與氣動，2012(7)：66-68.

[3] 楊文強，劉 樹.基于HT46R23單片機控制的太陽能熱水器節能供水系統設計[J].安徽農業科學，2012,40(6):3776-3778.

[4] 張利平.液壓閥原理使用與維護[M].北京：化學工業出版社，2009.

[5] 熊詩波，黃長藝.機械工程測試技術基礎[M].北京：機械工業出版社，2006.

[6] 劉鴻文.材料力學[M].北京:高等教育出版社，2005.

Design and Application of Automatic Water-saving Device inHousehold Water Heater

MAZhiyan

(Department of Electromechanical Engineering,Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721016,China)

Combined with the actual situation of the circulatory system of household water heater, an automatic water-saving device for cold water was researched and designed. Electronic valve is adopted on the foundation of the original system to achieve the recycling of the cold water in pipelines. Water-saving devices not only makes the cold water in the pipe is reused, achieve the purpose of energy saving, but also makes it more convenient to use, it has good economic value, social and promotional value.

water heater; circulatory system;electronic valve; energy saving

2014-04-22

寶雞文理學院重點項目(ZK14068)

TH137

A

1001-2257(2014)09-0023-03

馬志燕(1980-)女，遼寧朝陽人，碩士研究生，講師，研究方向為機械設計、機械測試與控制。