燃?xì)鉄崴鞯墓?jié)水設(shè)計(jì)與研究

張國義,劉宸碩

（后勤工程學(xué)院，重慶 401311）

0 引言

燃?xì)鉄崴魇浅鞘芯用衿毡槭褂玫囊环N對冷水進(jìn)行加熱利用的現(xiàn)代化家用設(shè)備，在我國經(jīng)歷了二十余年的發(fā)展，得到了城鎮(zhèn)居民廣泛應(yīng)用并深受使用者喜愛。近年來隨著西氣東輸工程的發(fā)展以及城鎮(zhèn)管道燃?xì)庠O(shè)施的普及和完善，燃?xì)鉄崴鞯氖袌稣加蟹蓊~也一直處于穩(wěn)步增長的趨勢，市場潛力不容小覷。由于燃?xì)鉄崴髟跓崴y開啟后至水溫達(dá)到恒定狀態(tài)的過程中會(huì)不可避免地流失大量水，造成水資源的浪費(fèi)，隨著使用人群的日益增加，帶來的浪費(fèi)也與日俱增[1]。相關(guān)研究表明，全國的燃?xì)鉄崴饔脩裘磕暌虼死速M(fèi)的自來水高達(dá)數(shù)百萬噸，因此有必要對燃?xì)鉄崴鞯墓?jié)水設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究并改善其節(jié)水性能。節(jié)水型燃?xì)鉄崴鞯难邪l(fā)近年來已得到重視，但仍缺少足夠合理的設(shè)計(jì)方案，目前開發(fā)的熱水器熱力循環(huán)泵雖然可以達(dá)到節(jié)水目的，但存在造價(jià)高、能耗大等缺點(diǎn)，沒有得到普及應(yīng)用。因此家用燃?xì)鉄釟馄髟诠?jié)水設(shè)計(jì)方面還有很大的改進(jìn)空間。本文提供了一個(gè)新穎獨(dú)創(chuàng)的設(shè)計(jì)思路，彌補(bǔ)傳統(tǒng)節(jié)水設(shè)計(jì)的不足，順應(yīng)了燃?xì)鉄崴鞴?jié)能減排的發(fā)展趨勢，在燃?xì)鉄崴鞴?jié)水創(chuàng)新領(lǐng)域具有一定的研究與參考價(jià)值。

1 燃?xì)鉄崴鞴ぷ骰驹砑胺治?/h2>

1.1 工作原理

燃?xì)鉄崴髟陂L期的發(fā)展過程中，其型號和性能也在發(fā)生著變化，目前市場上的主流產(chǎn)品中性能較好的主要是強(qiáng)排式燃?xì)鉄崴骱屠淠饺細(xì)鉄崴鳌＿@兩種燃?xì)鉄崴鲀?nèi)部的工作原理是基本相同的[2-4]。

現(xiàn)在以某一品牌的熱水器在淋浴時(shí)的工作過程為例說明其工作原理。

如圖1所示，當(dāng)打開淋浴閥時(shí)，水從冷水進(jìn)口進(jìn)入熱水器，流經(jīng)水氣聯(lián)動(dòng)裝置。在流動(dòng)水的壓力差作用下，水氣聯(lián)動(dòng)閥門啟動(dòng)，燃?xì)怆姶砰y打開，燃?xì)膺M(jìn)入，與此同時(shí)脈沖點(diǎn)火器啟動(dòng)點(diǎn)火。進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，燃?xì)馊紵a(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱Q熱器進(jìn)行加熱，冷水流經(jīng)換熱器水溫逐漸升高至預(yù)設(shè)溫度，并由淋浴噴頭或熱水龍頭排出供人們使用。

1.2 過程分析

上述所示即為普通燃?xì)鉄崴鞯幕竟ぷ髟恚Y(jié)合實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)可知：自開啟淋浴閥至水溫達(dá)到預(yù)設(shè)溫度需要3～12S，由于不同品牌的燃?xì)鉄崴鼽c(diǎn)火效率差異，此時(shí)間甚至?xí)L。在熱水器點(diǎn)火成功到進(jìn)入正常工作狀態(tài)的一段時(shí)間內(nèi)，其加熱效率并沒有達(dá)到額定值，加上管道內(nèi)部本身余留水，所以存在一部分水未經(jīng)過充分加熱就被排出。以自來水管DN20為例，通過試驗(yàn)測得水龍頭正常開啟狀態(tài)下的水流量并進(jìn)行記錄，其結(jié)果如表1所示。

水管中水流量與時(shí)間的試驗(yàn)數(shù)據(jù) 表1

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可知，水龍頭的平均水流量為125ml/s，如果熱水器出熱水需要12S，則每次使用時(shí)浪費(fèi)的水量為1.5L。

2 節(jié)水設(shè)計(jì)后燃?xì)鉄崴鞴ぷ髟?/h2>

2.1 節(jié)水設(shè)計(jì)的工作原理

節(jié)水設(shè)計(jì)在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)溫控裝置和換熱水箱，通過裝置內(nèi)的電磁閥對水流線路進(jìn)行合理的控制，使冷水達(dá)到預(yù)設(shè)溫度才會(huì)排出供人們使用，并對管道余留水實(shí)現(xiàn)回收，從而避免了浪費(fèi)[5-6]。具體原理如圖2所示。

當(dāng)淋浴閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，閥1、2、3、4均處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)打開淋浴閥時(shí)，電磁繼電器通電（此處為低電壓≤12V），溫控裝置啟動(dòng)，閥1打開，冷水進(jìn)入，水氣聯(lián)動(dòng)裝置啟動(dòng)，熱水器正常點(diǎn)火工作。當(dāng)水流經(jīng)溫控裝置時(shí)，閥1是打開狀態(tài)，閥2、3、4是關(guān)閉狀態(tài)，因此，未到額定溫度的水通過閥1進(jìn)入換熱水箱。此時(shí)，燃燒器產(chǎn)生的高溫?zé)煔庖矊Q熱水箱進(jìn)行加熱；當(dāng)水溫到額定溫度時(shí)，閥 1關(guān)閉，同時(shí)閥 2、3、4打開(閥 2為雙向控制，當(dāng)打開閥門后，與其相連的另一端會(huì)閉合)，經(jīng)過換熱器的水直接通過閥2進(jìn)入淋浴管道排出熱水。由于閥3、4處于打開狀態(tài)，換熱水箱與噴頭形成連通器（換熱水箱與熱水器的排水管道是兩條獨(dú)立的管道），從而將水箱里的水排出供人使用；當(dāng)淋浴完畢，關(guān)閉淋浴閥，溫控裝置停止工作，閥1、2、3、4均關(guān)閉，此時(shí)換熱水箱變?yōu)槊荛]空間，其內(nèi)部的水蒸汽和空氣冷卻后，內(nèi)壓變小，通過單向進(jìn)氣閥門可使管道里的部分水壓入水箱，進(jìn)一步減少了水資源的浪費(fèi)。

2.2 節(jié)水工作分析與說明

由于換熱水箱的容積固定，在實(shí)際使用過程中可能出現(xiàn)水箱容量滿后水的溫度仍未到達(dá)預(yù)設(shè)溫度的情況，此時(shí)水將通過噴頭排出，故燃?xì)鉄崴鞯募訜嵝屎蛽Q熱水箱容積決定了節(jié)水性能。

當(dāng)熱水器使用完畢出現(xiàn)換熱水箱仍存有較多的水，為避免下次換熱水箱的容積不足而造成浪費(fèi)，可通過手動(dòng)閥將水排出并作其他用途。

3 溫控裝置設(shè)計(jì)

溫控裝置在上述節(jié)水改進(jìn)的設(shè)計(jì)中起著關(guān)鍵作用，它是整個(gè)工作系統(tǒng)運(yùn)行的中樞。溫控裝置的主要組成部分為電磁閥和溫度傳感器，通過合理的電路將其進(jìn)行組合，達(dá)到控制內(nèi)部水流線路的目的。

溫控裝置的內(nèi)部組成如圖3所示，在不同管道上安裝不同類型的電磁閥，并用電路將其連接起來。入口處用一段三通管連接，在三通管的上面一端安裝溫度傳感器。溫度傳感器本質(zhì)上為熱敏電阻，隨著溫度的升高熱敏電阻的阻值會(huì)降低，相應(yīng)電路的電流也發(fā)生變化，通過對電流的控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)電路的控制。電路的具體組成如圖4所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案的工作原理可知，閥2、3、4總處于相同狀態(tài)（關(guān)閉或打開），閥1總處于相反的工作狀態(tài)中，因此將這兩組閥的線路分別用一個(gè)獨(dú)立的電路來控制。所以，當(dāng)打開淋浴閥時(shí)，電路接通，閥1也通電打開；當(dāng)熱水溫度升高到額定值時(shí)，熱敏電阻阻值降低，通過電磁繼電器中線圈的電流加大，使其磁性增強(qiáng)并將桿吸下，此時(shí)閥1斷電關(guān)閉，同時(shí)閥2、3、4打開；當(dāng)關(guān)閉淋浴閥時(shí)，整個(gè)溫控裝置發(fā)生斷電，所有的閥都處于關(guān)閉狀態(tài)，停止供水。

4 換熱水箱設(shè)計(jì)

4.1 換熱水箱的容積

通過實(shí)驗(yàn)得出單位時(shí)間內(nèi)淋浴噴頭的平均水流量為125ml/s，從打開熱水器到有熱水持續(xù)流出平均需要12s的時(shí)間，此時(shí)的出水量為V=12s×125m l/s=1.5L。考慮到管道內(nèi)本身滯留水對節(jié)水性能的影響及加熱效率的差異，可將換熱水箱的容積定為3L。

4.2 換熱水箱的材料

燃?xì)鉄崴髟邳c(diǎn)火成功后會(huì)對換熱水箱進(jìn)行持續(xù)加熱，所以當(dāng)水箱里的水在使用中排出時(shí)，為避免干燒造成損壞，換熱水箱應(yīng)使用抗干燒的材料[7]。

4.3 換熱水箱的形狀與位置

考慮到換熱水箱在使用時(shí)存在干燒的問題，可將換熱水箱的排水管道底部設(shè)計(jì)為弧形，在排水過程結(jié)束后，仍會(huì)有一定高度的水滯留在水箱底部，進(jìn)一步減少干燒的損害；水箱下底面高度要適當(dāng)高于淋浴噴頭的高度，保證水箱與噴頭形成連通器將水排出；水箱形體采用“板式”，一方面有利于整個(gè)熱水器的外觀簡約，另一方面也可以使流入水箱內(nèi)部的水更容易受熱。

5 結(jié) 語

綜上所述，脈沖點(diǎn)火器的點(diǎn)火效率、換熱器的換熱效率以及整體管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是影響燃?xì)鉄崴鞴?jié)能性能的重要因素。節(jié)水設(shè)計(jì)的本質(zhì)是對流經(jīng)換熱器但未達(dá)到預(yù)設(shè)溫度的水進(jìn)行再加熱并排出供人使用的過程。其設(shè)計(jì)思路是通過增加換熱水箱并改造溫控裝置來改變水流路徑，提高水的利用率。本設(shè)計(jì)保留了燃?xì)鉄崴骷扔械墓ぷ飨到y(tǒng)，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)充與完善，在提高燃?xì)鉄崴髡w工作效率方面，有待進(jìn)一步的深入研究。

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