液位傳感器在熱水器智能輔助出水裝置中的應用
日期:2019-02-23 來源: 作者:
摘 要:在熱水器正常出熱水前,滯留于熱水管內的余水和未達設定溫度的冷水會被大量浪費。目前,市場上的兩種關于熱水器輔助出水方法也存在著不少缺陷。針對熱水器正常出熱水前排出的冷水浪費問題,設計了一種熱水器智能輔助出水裝置,有效減少水資源浪費和能源消耗。通過溫度傳感器、液位傳感器檢測熱水管路和儲水箱內的水況,配合電磁空氣閥、空氣增壓泵的開合以及二位三通閥的轉換,在不同的場合采用兩種不同的用水模式,從而實現滯留冷水的有效利用。
近年來,隨著人們生活水平日益提高,熱水器市場發展迅速。然而在熱水器正常出熱水前,滯留于熱水管內的余水和未達設定溫度的冷水無法正常利用,由此導致用戶等待熱水時間長。而根據大量調查數據,91%的用戶會選擇將這些冷水浪費。此外,目前市場上關于熱水器節水式輔助出水方法也存在以下缺陷:管道排空式出水法無法排盡水平管路內的無效冷水,且只適合于太陽能熱水器,應用范圍比較局限;循環泵回水式出水法中循環泵持續工作,電能消耗多,管路改動大,不適合普通家庭用戶。針對以上問題,本項目組設計了一種熱水器智能輔助出水裝置。對社會而言,本裝置有利于減少水資源浪費和能源消耗,推動熱水器行業向節能環保的方向發展;對用戶而言,可節省大量水資源,保障居民用水安全舒適,并可引導性地提高節水意識。此外,本裝置結構簡單,成本低廉,普適性高,易于進行市場推廣應用。
1 設計方案
熱水器智能輔助出水裝置通過溫度傳感器、液位傳感器檢測熱水管路和儲水箱內的水況,配合電磁空氣閥、空氣增壓泵的開合以及二位三通閥的轉換,在不同場合分別采用單次大量用水模式或多次少量用水模式,從而實現滯留冷水的有效利用。
1.1 整體結構設計
本裝置主要由儲水箱以及其他控制單元組成,其結構如圖 1 所示。
位于儲水箱內部底面的溫度傳感器探頭,用來檢測水溫;位于儲水箱頂部的超聲波測距傳感器,用來實時測量水位,兩者均采用玻璃膠粘合,起到密封效果。電磁空氣閥同樣位于頂部,采用螺紋連接,處于常閉狀態,其通過開閉保證箱內氣壓穩定;控溫顯示屏固定于儲水箱正表面,用戶可按需設定出水溫度檔位;智能混水閥由步進電機和三通球閥通過萬向聯軸器連接,控制冷熱水進水比例;出水閥與儲水箱間連接著空氣增壓泵,用于預混增壓出水;儲水箱由塑料外殼和搪瓷內膽組成。

1.2 控制系統設計
1.2.1 控制方案設計
控制器主要由水溫檢測單元、水位測量單元、溫度設定單元、繼電器模塊、智能混水閥和主控單元 MCU 組成。其中水溫檢測單元采用 DS18B20 溫度傳感器,具有防水溫度探頭,滿足誤差要求同時保證足夠靈敏度,并將測得水溫數據傳送至主控單元;水位測量單元采用 HC-SR04 超聲波測距傳感器,實時將液面位置數據傳送至主控單元,判斷液面是否變化并與設定水位線數值進行比較,從而確定儲水箱當前工作狀態;溫度設定單元由獨立按鍵和液晶顯示屏組成,用戶可設定出水溫度,并通過顯示屏獲知實際水溫;繼電器模塊包括電磁空氣閥和空氣增壓泵,用來保證順利進出水。
1.2.2 工作狀態設計
本裝置完成整套工作流程需經過預混和出水兩種工作狀態。
1.2.2.1 預混狀態
用戶通過控溫顯示屏按需設定溫度檔位 T,主控單元MCU 控制繼電器開啟空氣閥,同時控制步進電機使三通閥熱水端全開,熱水管道內的滯留冷水與熱水器的熱水先后進入儲水箱進行預混,水溫 t 達到 T,控制三通閥關閉并提示用戶開啟出水閥,預混階段結束。其控制流程如圖 2 所示。
1.2.2.2 出水狀態
出水閥在浴室、廚房等不同場合有不同使用模式,主要分為單次大量用水模式和多次少量用水模式,其完整控制流程如圖 3 所示。

單次大量用水模式:混水結束并開始用水后,在液面到達水位線之前,水位不斷下降,控制增壓泵開啟,實現箱內溫水增壓出水,提高洗浴舒適度;液面到達水位線時,MCU控制繼電器關閉空氣閥和增壓泵,并通過溫度傳感器和智能混水閥配合,實現定溫出水。
多次少量用水模式:混水結束并開始增壓出水使用后,由于用水量少,在液面到達水位線之前,用水結束,水位停止變化,系統進入死循環,等待下次用水;多次少量用水時間跨度長,箱內水溫下降,當用水至液面到達水位線,提示重設溫度 T 恢復初始化。
2 理論設計計算
2.1 儲水箱外形尺寸設計
設計儲水箱外形尺寸時,需根據熱水器排出的冷水體積與預混所需的熱水體積求和所得。武漢市居民熱水器使用現狀調研結果表明,各種熱水器浪費的冷水量可按 1 L 的梯度分為 1 L、2 L、3 L、4 L、5 L 共 5 種類別。而相應的熱水體積由熱交換公式計算得到,由此得出不同系列的儲水箱體積,從而設計出箱體的外形尺寸。
2.2 出水原理分析
2.2.1 預混增壓出水
為避免浪費熱水器排出的冷水,需將該段冷水暫存于儲水箱內并與熱水混合至設定溫度,電磁空氣閥需由常閉轉為開啟狀態,使箱體排出或進入空氣,以便順利進出水。此外,預混所得溫水只依靠重力勢能,一般無法提供正常水壓,所以需要通過空氣增壓泵短暫性增壓。
2.2.2 定溫常壓出水
液面降至水位線時,電磁空氣閥關閉,保障儲水箱氣壓的穩定;基于壓強平衡原理,混水閥進水流量取決于出水流量,使液面處于水位線,達到動態平衡。此時,智能混水閥控制水溫基本恒定,出水壓力由冷熱水自身提供,減少電能損耗,實現定溫常壓出水。
2.3 溫度設定原理分析
用戶通過溫度設定單元預設出水溫度,采用溫度梯度設定的原理,組成溫控顯示屏的每個獨立按鍵對應溫度范圍為±2.5 ℃的檔位。此外,對于已有設定溫度的熱水器如燃氣式熱水器,本裝置設定檔位不應高于熱水溫度,該溫度設定與熱水器溫度設定相關聯,進一步保持溫度恒定,避免發生水溫突變等安全隱患。
3 結束語
本裝置體積小、操作簡便,利用儲水箱對滯留冷水的暫儲或冷熱水的預混功能,在不改變居民用水習慣的同時,實現熱水器水資源零浪費,能夠作為一種新型智能家居廣泛應用于普通家庭中,與同類熱水器輔助出水產品相比,占有較大優勢。
此外,該裝置結構獨立、不同規格的系列化設計、單次大量用水與多次少量用水的切換模式,使其能適用于各種不同類型的熱水器。有望作為新型熱水器出水模塊,為熱水器行業的發展提供節能環保的新思路。
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