一款新型燃料熱水器節(jié)水裝置的設計探討

方彥奎　程清偉　潘東文　劉立宇

摘 要：新型家用燃氣熱水器節(jié)水裝置是為了解決燃氣熱水器在開啟時先放冷水所造成的水資源浪費問題而設計的。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)回收燃氣熱水器從開啟到達到所需水溫正常工作這段時間所流出的冷水，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)設計、工作原理、單片機控制系統(tǒng)控制原理。

關(guān)鍵詞：內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計；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)設計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)設計

節(jié)水裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計示意圖如圖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，兩個冷水儲藏缸為單向液壓缸。三個缸中裝有活塞，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，裝置通過單片機對常開電磁閥、常閉電磁閥進行控制，使各個管路的通閉隨裝置運行工況的變化而改變，而水流方向也同時隨之改變，進而利用水壓作為動力帶動活塞進行回收與排水，實現(xiàn)對燃氣熱水器到花灑間管道內(nèi)余水以及燃氣熱水器預熱階段產(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)定標準，自來水管網(wǎng)末端服務壓強不低于0.14兆帕，壓強合格率不低于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)水裝置進行抽水與排水。本裝置使用一個雙向液壓缸（液壓動力缸）和一個單向液壓缸（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。當活塞移動至左端后，改變水流方向，水從液壓動力缸左端進入，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，便可實現(xiàn)對熱水器所排出的冷水進行回收的功能。

2 循環(huán)管道系統(tǒng)的三工況設計及控制系統(tǒng)原理

新型家用燃氣熱水器的管道工況分為冷水回收工況、冷水再循環(huán)工況以及待機工況。整個裝置通過三種工況間的自動轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對燃氣熱水器到花灑（出水口）間管道內(nèi)余水以及燃氣熱水器預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)，此時電磁閥通電，水從管道進入液壓動力缸，然后一部分水通過管道流入燃氣熱水器進行加熱，但由于熱水器將水加熱到所需溫度需要一定預熱時間，所以這部分進入熱水器加熱的水并未達到所需溫度，故通過管道流入預熱冷水儲藏缸。而連接液壓動力缸的管路與自來管相連，在給動力缸和預熱缸送水的同時也給兩個缸的活塞帶來了水壓。在水壓的推動下，兩個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，液壓動力缸的活塞已移動到缸內(nèi)左端。這時循環(huán)管道系統(tǒng)進入排水工況。裝置出水口附近的溫度傳感器對熱水器管道中的水溫進行檢測并將信號傳遞給控制單元，當水溫達到用戶所設定溫度時，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。此時自來水由動力缸左端流入，以推動動力缸活塞向右移動，進而通過連桿帶動兩個儲藏缸中的活塞將儲藏缸儲藏的冷水推出，冷水通過管路進入熱水器燃燒室進行加熱再利用，這時，熱水器加熱的水已達到所需溫度可直接通過管道流向出水口使用。

2.3 待機工況

排水工況結(jié)束后，裝置進入待機工況。此時，自來水通過管道經(jīng)液壓動力缸，進入熱水器進行加熱，由于此時的熱水達到用戶所預設的溫度，溫度傳感器將信號傳遞給單片機控制單元，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，控制芯片進入延時程序，5分鐘之內(nèi)再次開啟出水口出水開關(guān)，裝置不運行，當超過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現(xiàn)控制水流方向。為了控制的方便性和準確性，本裝置在設計電磁閥的位置和類型時，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?？刂葡到y(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雜性和故障率?；㈤y打開，該裝置自動開機，單片機控制系統(tǒng)開始檢索溫度傳感器送入的信號，當溫度未達到設定溫度，控制系統(tǒng)輸出指令控制所有電磁閥通電，進入冷水回收工況；當溫度設定溫度時，單片機輸出控制指令，讓所有電磁發(fā)斷電，系統(tǒng)進入冷水排除工況，接著熱水器進入正常工作狀態(tài)，而節(jié)水裝置進入待機工況。

3 結(jié)束語

這款燃氣熱水器節(jié)水裝置跟目前家庭裝配的燃氣熱水器的匹配程度高，可根據(jù)燃氣熱水安裝位置與沖涼房的管道距離調(diào)整設計管道冷水存儲缸截面積的大小及長度?？筛鶕?jù)熱水器的加熱性能調(diào)整設計預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，單片機電控單元根據(jù)用戶設置的溫度自動控制常開、常閉電磁閥工作，實現(xiàn)自動工作。該裝置設計經(jīng)過驗證計算，證明裝置的可行性。該設計尚在研發(fā)階段，有一定試驗基礎(chǔ)，在不斷改進當中。

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