无低功耗节水式家庭整体浴室系统设计

无低功耗节水式家庭整体浴室系统设计

在应对世界气候变化的背景下，低碳经济向低能耗、低排放和低污染的转变已成为世界经济发展的趋势。当今社会水污染的主要来源是工业废水排放,而水资源浪费却集中在住宅用水的浪费。住宅用水浪费主要是洗澡水,洗衣服水,和马桶用水,家庭节水主要是在提高水的利用率同时,减少生活废水的排放,根据这一目标要求,设计了一款新型机械式的整体卫浴,它实现无功耗利用二次水,既提高了住宅水的利用率,又降低了生活废水的排放量。而且二次水冲洗马桶理念的潜在节水效益非常可观。在设计学领域,有一种设计思维追求设计产品的‘最’效应,表现为设计者个人主观意向,想使自己设计的产品在同类产品中成为有史以来某个方面或是多个方面最突出的,从而有了物理参数最大或是最小,功能参数最多等‘最’设计,把这种设计思维叫做按意设计。该设计思维优点是追求设计之最可以促使产品优胜劣汰,开拓设计思维,大胆创新。缺点是盲目追求设计之最,导致原材料浪费,产品大材小用,整体性能差,寿命过剩,甚至出现成设计之最而无用。这种设计方式已经不够‘低碳’了。针对按意设计的缺点,采用一种符合当今低碳时代要求的设计思维,无论是产品设计,还是产品使用,以及产品回收或废弃各个过程,均满足低碳要求,而且满足产品设计需求及产品用户需求。按需设计思维追求适可而止,刚好满足需求又不失实惠。按需设计具有以下特点:按用户需求确定功能;按功能设计结构;按可制造性、可装配性设计。就生活中的马桶冲水量而言,节水马桶的设计,并非是一次冲水越少越好,而是在冲净度和换水率达标的基础上实现节水。马桶的冲水量,并非最小为最节水,也并非最大而冲的最干净,冲水量的设计是节水马桶的关键部分,采用按需设计思维,指导冲水量的设计,确定最少需求水量后,以增大水压的方式提高冲净度,才符合产品的优化设计。目前,在农村人口大量向城市转移及乡镇城市化的严峻情况下,卫浴的使用量将猛增。随之而来的住宅水消耗也迅速增大。对于家庭节水装置的研究,目前还局限于节水马桶,对于整体节水卫浴的研究国内外比较少。因此,设计一款以节水为主要目标的整体卫浴,具有十分重要的意义。1通用涂层的设计和原理1.1整体卫生设施整体卫浴主要由以下几部分组成,如图1所示。12住宅入水管整体卫浴水系统的入口。21装饰家具放置洗浴用品,非系统必须结构,视空间尺寸摆放设计。3淋浴器代表下部集水箱的水源。42洗涤剂代表左侧集水箱的水源。52挖掘机衰减台提高洗衣机脏水水位,方便水箱集水,同时大幅度减少洗衣机震动噪音的传播。属于系统的创新设计。6收集空间洗浴水和洗衣服水的集水箱,同时为压缩水箱储水,有过滤沉淀作用,右侧盖门可打开,提供涮洗拖布和抹布的容器。7压缩水箱是系统的核心部分,提供暂时储备过滤后脏水的小水箱,主要功能通过压缩水箱提高水位以便冲洗马桶。8便于清洁设备连接压缩水箱活塞板,实现水箱操控半自动化。9手术盆代表洗脸水,洗手水,洗菜水等脏水的入口,流过过滤器后,进入储水箱。1.2储水区集水区集水箱负责收集和过滤淋浴后的水和洗衣机中排出的水,并通过连接管道进入压缩水箱的储水区。住宅中所有手盆及厨房的洗菜盆通过管道及过滤装置进入压缩水箱的储水区。这两个集水过程全部靠水的重力自由流动,无任何功耗装置。整个集水设计旨在追求回收每一滴住宅脏水,并二次利用。当用户方便时,坐上座便器,靠人体自重驱动压缩水箱,将水压入高处的储压水箱,当需要用水时,座便器在弹簧作用下向上运动,运动过程中打开冲水阀门,同时吸入储水区的水,最后完成冲水,整个过程靠人体自重和弹簧力作用完成,无需额外提供能源。2主断面的压缩水箱设计2.1压缩空气箱结构压缩水箱为系统主要工作部分,具体结构如图2所示。12水箱涂层储水区的上盖,防止杂物进入。2压力管道小、大压水箱的出水管。3便于清洁设备活塞板的驱动装置。4大压板和小压板大、小压缩水箱活塞盖板。5储水区二级储水区,连通集水装置。61压水口单向连通压力水箱和储水区,保证水只能由储水区箱流入压力水箱。左右各一个。72小而大的压力水池大水箱内部有下水管道,下水管道作为弹簧导杆,弹簧支撑大压板。8传动杆连接压板和储压水箱活塞板的杆。杆随大压板上下移动,带动活塞板开启和关闭冲水管道接口,实现同步。9水处理入口连接所有手盆管道。10激活板直角形,侧板上有冲水管道接口,同时可以调节储水箱压力。11储压室接收来自大小压水箱的压力水流,底板为活塞,容积可调,压力与压缩水箱自动适应。2.2储、水泵冲水及插装洗手水、洗脸水、洗菜水,通过过滤装置由回收水入口13)进储水箱7),在连通器原理及上次压板向上运动产生的抽力,储水箱7)里的水由单向入口8)进入加压水箱11),使水箱内充满水。当用户大便时,踏上主水箱,坐在座便器上,实现加负载,在体重作用下,将加压水箱里的水通过管道3)压到储压水箱15)。当用户方便完后起立,座便器在弹簧的作用下弹起,上升同时,传动杆12)打开冲水阀门,实现冲水,同时压板上升吸水,完成一次工作循环。小压板6)专为男性设计。2.3主要参数设计1压水高度及强度要想把集水箱的水压入高处的压力水箱需要满足下面的计算式ρgh=FSρgh=FS式中:ρ为水的密度,ρ=1000kg/m3;g为重力加速度,g=10m/s2;h为压水高度;F为负载,F=1150N;S为压水面积,S=82150×10-6m2。代入数值1000×h×10×82150×10-6=1150h=1.39m=1390mm此设计的压水高度最高可超过1m。20-3压水量为压缩水箱的容积VV=SH=82150×10-6×100×10-3=8.125式中:H为压缩水箱的高。理论压水量为8.125L,考虑到管路体积和压力损失,以及负载过小的情况,8.125L的理论压水量,满足实际要求。3类弹簧的安装设计体重范围40kg～90kg,估计马桶重量为25kg。可得负载最大F2=1150N,λ2=100mm最小F1=650N,λ1=100mm根据负载大小初定内装导杆直径为100mm,Hmax=200mm。根据实际情况预计每户5人,每人7次每日,则35次每天,10年×365×35=127750次≈1.3×105次,属Ⅱ类弹簧。每次载荷为人的体重,属于变载荷,弹簧装在水箱中,须防锈处理。所以选择类别为不锈钢丝,代号为1Cr18Ni9,Ⅱ类弹簧。许用扭应力[τ]T=440MPa;许用弯曲应力[σ]b=550MPa;切变模量G=73000MPa;弹性模量E=197000MPa;温度范围为-250℃～300℃;极限强度为539MPa。4弹簧刚度的确定根据设计手册初定d=7mm～16mm,则C=4～8,取C=8,C越大刚度越小易变形。则计算曲度系数K1=4C−14C−4+0.615C=32−132−4+0.6158=1.184Κ1=4C-14C-4+0.615C=32-132-4+0.6158=1.184计算弹簧丝直径d≥1.61.184×1150×8440−−−−−−−−−√≈7.96mmd≥1.61.184×1150×8440≈7.96mm按表取圆整值d=10mm,所以计算出中径D2=C×d=8×10=80mm弹簧的中径和钢丝直径确定后,根据以下公式计算弹簧圈数nn=Gd48FD3λ=73000×1048×1150×803×100=15.497n=Gd48FD3λ=73000×1048×1150×803×100=15.497取n=16圈。设计为压缩弹簧,所以弹簧总圈数n0=n+(2～2.5)=16+2=18圈。以上参数确定后需要计算极限载荷F3作用下的变形量λ3。Ⅱ类弹簧的极限载荷为F3=1.25F2=1.25×1150=1437.5Nλ3=8F3C4nGD2=8×1437.5×84×1673000×80=129.05mmF3=1.25F2=1.25×1150=1437.5Νλ3=8F3C4nGD2=8×1437.5×84×1673000×80=129.05mmλ2=λ3/1.25=103.24mmλ1=λ2F1/F2=103.246501150=58.35mmλ1=λ2F1/F2=103.246501150=58.35mm符合设计要求。弹簧的大体尺寸满足设计要求后,需确定其具体的几何参数。压缩弹簧在最大工作负载压紧时的余隙δ≥0.1d。δ=0.1×10=1mm弹簧的节距t=d+λmaxn+δ=10+129.0516+1=19.06mmt=d+λmaxn+δ=10+129.0516+1=19.06mm弹簧的自由高度H0(mm)压缩弹簧两端圆磨平,当n0=n+2时,H0=tn+1.5d=19.07×16+1.5×10=385.26mm;弹簧的外径D=D2+d=80+10=90mm;弹簧的内径D1=D2-d=80-10=70mm。弹簧的螺旋升角α=arctantπD2=arctan19.063.14×80=4.34°α=arctantπD2=arctan19.063.14×80=4.34°弹簧在压缩水箱工作过程中属于核心部件,他的性能直接影响到整个水箱的工作状态,它的可靠性也决定了水箱的寿命,下面简单对其进行稳定性校核。b=H0D2=385.2680=4.185<5.3b=Η0D2=385.2680=4.185<5.3当弹簧两端固定时,b小于5.3稳定。对其进行疲劳强度计算τmax=8K1D2πd3Fmax=8×1.184×803.14×1000×1437.5=346.9MPaτmax=8Κ1D2πd3Fmax=8×1.184×803.14×1000×1437.5=346.9ΜΡa最大剪切应力在许用值范围之内,疲劳强度合格。3按需设计思维:省水效果更优由于用过的水大多位于低处,所以二次利用这些水必须通过装置把它压至高处以冲马桶。可采用的方式很多,但是以耗电耗油的方式去节水都是不可取的,所以本设计采用以人体重力为动力,压缩水箱来实现把水由低水位压到高水位。这样的设计,人直接参与,操作简单,自动化强。在某种程度上体现了按需设计要求,既节水又无功耗。按需设计主要体现在产品压水量设计中,经过调研市场上的普通马桶的冲水量一般为3L到10L,而想要节水,最好是把大便冲水和小便冲水分开考虑,经过试验数据分析,本设计采用小便冲水量为3L大便冲水量为6L,这些水可以刚好冲干净马桶,再加上水箱有加压效果,冲水效果会更好。采用按需设计,就是采用临界值的冲水量,依靠水箱附加压力,达到更好的效果,才是按需设计的优点。压水量采取了按需设计,省水最终的受益人是产品的用户,而产品生产商最注重的是产品原材料的节省,那么按需设计,是最适合节省生产成本的设计思维方式。在整体卫浴的设计过程中,所有设计参数和尺寸,都是以按需设计思维为指导的。设计一个好的机械产品,第一就是结构简单,第二是受力平衡。结构简单,无冗余机构,自然就省原材料,加工工艺也会简单,这样就省加工成本。受力平衡对产品的寿命有直接的作用,产品零部件受力平衡的工作,不容易疲劳。这样就节省了维修成本和零附件的费用。整体卫浴结构非常简单,大可分为储水箱和压缩水箱,管路和阀门四部分,压缩水箱的按需设计取决于压水量和水压,储水箱的按需设计主要取决去洗衣脏水排放量和洗澡脏水排放量,就是按照用户生活用水的脏水排放量与用户上厕脏水消耗量相匹配设计的储水箱尺寸。不同用户洗澡习惯和洗衣习惯不同,脏水排放量是个随机变化量,用户上厕所的脏水消耗量又是每日不同的随机变化量。而按需设计,是在协调这两个变化量的基础上,在动态的平衡值中选取合理的临界值,来设计储水箱的尺寸。而且按需设计,通过用户需求和实际情况可以设计出不同尺寸的储水箱,供用户选择,实现产品系列化设计。4设计集水压缩器设计采用Fluent仿真软件来模拟产品内部流体通过压缩水箱及管路到储压水箱这个过程中的水流情况和压力情况。1)确定压缩水箱提供的压力,能否把水压到储压水箱的设计高度。2)验证水流压力是否对管壁和水箱壁强度造成损坏。4.1设置合适的网格单元首先,采用Pro/E软件对压缩水箱的流域进行三维建模,将模型保存成适合Gambit读取的.sat格式。在Gambit中导入流域模型,进行网格划分和边界设定。由于是三维的流域模型且结构复杂,所以使适应性强的Tet/Hybrid网格单元类型,该类型主要由四面体网格构成,适当位置可以包含六面体、锥形和楔形网格单元,并采用专用的TGrid划分方式,其次是设置好合适的压力入口和压力出口。划分后的网格模型如图3所示。4.2fluen模型将Gambit生成的网格模型,导入到Fluent中。由于水箱工作前是充满水的,在压力储水箱和部分管道中是存在空气的,所以仿真计算采用VOF多相流模型和k-epsilon[2eqn]紊流模型。并采用Fluent分离稳态求解器来计算紊流模型。为了在较大的时间步长下仍能有稳定的收敛效果,采用PISO算法。压力采用PRESTO!算法,动量和湍流能量、离散率均采用一阶迎风格式,体积分数采用Geo-Reconstruct。并初始化流场,设定中等松弛因子和收敛精度的残差监视器,选择合适的时间步长和迭代次数,进行迭代运算。迭代前的流域水气分布如图4所示,流域(b所示)内水的体积