無低功耗節(jié)水式家庭整體浴室系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無低功耗節(jié)水式家庭整體浴室系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在應(yīng)對(duì)世界氣候變化的背景下，低碳經(jīng)濟(jì)向低能耗、低排放和低污染的轉(zhuǎn)變已成為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢(shì)。當(dāng)今社會(huì)水污染的主要來源是工業(yè)廢水排放,而水資源浪費(fèi)卻集中在住宅用水的浪費(fèi)。住宅用水浪費(fèi)主要是洗澡水,洗衣服水,和馬桶用水,家庭節(jié)水主要是在提高水的利用率同時(shí),減少生活廢水的排放,根據(jù)這一目標(biāo)要求,設(shè)計(jì)了一款新型機(jī)械式的整體衛(wèi)浴,它實(shí)現(xiàn)無功耗利用二次水,既提高了住宅水的利用率,又降低了生活廢水的排放量。而且二次水沖洗馬桶理念的潛在節(jié)水效益非?？捎^。在設(shè)計(jì)學(xué)領(lǐng)域,有一種設(shè)計(jì)思維追求設(shè)計(jì)產(chǎn)品的‘最’效應(yīng),表現(xiàn)為設(shè)計(jì)者個(gè)人主觀意向,想使自己設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在同類產(chǎn)品中成為有史以來某個(gè)方面或是多個(gè)方面最突出的,從而有了物理參數(shù)最大或是最小,功能參數(shù)最多等‘最’設(shè)計(jì),把這種設(shè)計(jì)思維叫做按意設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)思維優(yōu)點(diǎn)是追求設(shè)計(jì)之最可以促使產(chǎn)品優(yōu)勝劣汰,開拓設(shè)計(jì)思維,大膽創(chuàng)新。缺點(diǎn)是盲目追求設(shè)計(jì)之最,導(dǎo)致原材料浪費(fèi),產(chǎn)品大材小用,整體性能差,壽命過剩,甚至出現(xiàn)成設(shè)計(jì)之最而無用。這種設(shè)計(jì)方式已經(jīng)不夠‘低碳’了。針對(duì)按意設(shè)計(jì)的缺點(diǎn),采用一種符合當(dāng)今低碳時(shí)代要求的設(shè)計(jì)思維,無論是產(chǎn)品設(shè)計(jì),還是產(chǎn)品使用,以及產(chǎn)品回收或廢棄各個(gè)過程,均滿足低碳要求,而且滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求及產(chǎn)品用戶需求。按需設(shè)計(jì)思維追求適可而止,剛好滿足需求又不失實(shí)惠。按需設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn):按用戶需求確定功能;按功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu);按可制造性、可裝配性設(shè)計(jì)。就生活中的馬桶沖水量而言,節(jié)水馬桶的設(shè)計(jì),并非是一次沖水越少越好,而是在沖凈度和換水率達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)節(jié)水。馬桶的沖水量,并非最小為最節(jié)水,也并非最大而沖的最干凈,沖水量的設(shè)計(jì)是節(jié)水馬桶的關(guān)鍵部分,采用按需設(shè)計(jì)思維,指導(dǎo)沖水量的設(shè)計(jì),確定最少需求水量后,以增大水壓的方式提高沖凈度,才符合產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前,在農(nóng)村人口大量向城市轉(zhuǎn)移及鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市化的嚴(yán)峻情況下,衛(wèi)浴的使用量將猛增。隨之而來的住宅水消耗也迅速增大。對(duì)于家庭節(jié)水裝置的研究,目前還局限于節(jié)水馬桶,對(duì)于整體節(jié)水衛(wèi)浴的研究國內(nèi)外比較少。因此,設(shè)計(jì)一款以節(jié)水為主要目標(biāo)的整體衛(wèi)浴,具有十分重要的意義。1通用涂層的設(shè)計(jì)和原理1.1整體衛(wèi)生設(shè)施整體衛(wèi)浴主要由以下幾部分組成,如圖1所示。12住宅入水管整體衛(wèi)浴水系統(tǒng)的入口。21裝飾家具放置洗浴用品,非系統(tǒng)必須結(jié)構(gòu),視空間尺寸擺放設(shè)計(jì)。3淋浴器代表下部集水箱的水源。42洗滌劑代表左側(cè)集水箱的水源。52挖掘機(jī)衰減臺(tái)提高洗衣機(jī)臟水水位,方便水箱集水,同時(shí)大幅度減少洗衣機(jī)震動(dòng)噪音的傳播。屬于系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。6收集空間洗浴水和洗衣服水的集水箱,同時(shí)為壓縮水箱儲(chǔ)水,有過濾沉淀作用,右側(cè)蓋門可打開,提供涮洗拖布和抹布的容器。7壓縮水箱是系統(tǒng)的核心部分,提供暫時(shí)儲(chǔ)備過濾后臟水的小水箱,主要功能通過壓縮水箱提高水位以便沖洗馬桶。8便于清潔設(shè)備連接壓縮水箱活塞板,實(shí)現(xiàn)水箱操控半自動(dòng)化。9手術(shù)盆代表洗臉?biāo)?洗手水,洗菜水等臟水的入口,流過過濾器后,進(jìn)入儲(chǔ)水箱。1.2儲(chǔ)水區(qū)集水區(qū)集水箱負(fù)責(zé)收集和過濾淋浴后的水和洗衣機(jī)中排出的水,并通過連接管道進(jìn)入壓縮水箱的儲(chǔ)水區(qū)。住宅中所有手盆及廚房的洗菜盆通過管道及過濾裝置進(jìn)入壓縮水箱的儲(chǔ)水區(qū)。這兩個(gè)集水過程全部靠水的重力自由流動(dòng),無任何功耗裝置。整個(gè)集水設(shè)計(jì)旨在追求回收每一滴住宅臟水,并二次利用。當(dāng)用戶方便時(shí),坐上座便器,靠人體自重驅(qū)動(dòng)壓縮水箱,將水壓入高處的儲(chǔ)壓水箱,當(dāng)需要用水時(shí),座便器在彈簧作用下向上運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)過程中打開沖水閥門,同時(shí)吸入儲(chǔ)水區(qū)的水,最后完成沖水,整個(gè)過程靠人體自重和彈簧力作用完成,無需額外提供能源。2主斷面的壓縮水箱設(shè)計(jì)2.1壓縮空氣箱結(jié)構(gòu)壓縮水箱為系統(tǒng)主要工作部分,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。12水箱涂層儲(chǔ)水區(qū)的上蓋,防止雜物進(jìn)入。2壓力管道小、大壓水箱的出水管。3便于清潔設(shè)備活塞板的驅(qū)動(dòng)裝置。4大壓板和小壓板大、小壓縮水箱活塞蓋板。5儲(chǔ)水區(qū)二級(jí)儲(chǔ)水區(qū),連通集水裝置。61壓水口單向連通壓力水箱和儲(chǔ)水區(qū),保證水只能由儲(chǔ)水區(qū)箱流入壓力水箱。左右各一個(gè)。72小而大的壓力水池大水箱內(nèi)部有下水管道,下水管道作為彈簧導(dǎo)桿,彈簧支撐大壓板。8傳動(dòng)桿連接壓板和儲(chǔ)壓水箱活塞板的桿。桿隨大壓板上下移動(dòng),帶動(dòng)活塞板開啟和關(guān)閉沖水管道接口,實(shí)現(xiàn)同步。9水處理入口連接所有手盆管道。10激活板直角形,側(cè)板上有沖水管道接口,同時(shí)可以調(diào)節(jié)儲(chǔ)水箱壓力。11儲(chǔ)壓室接收來自大小壓水箱的壓力水流,底板為活塞,容積可調(diào),壓力與壓縮水箱自動(dòng)適應(yīng)。2.2儲(chǔ)、水泵沖水及插裝洗手水、洗臉?biāo)?、洗菜?通過過濾裝置由回收水入口13)進(jìn)儲(chǔ)水箱7),在連通器原理及上次壓板向上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的抽力,儲(chǔ)水箱7)里的水由單向入口8)進(jìn)入加壓水箱11),使水箱內(nèi)充滿水。當(dāng)用戶大便時(shí),踏上主水箱,坐在座便器上,實(shí)現(xiàn)加負(fù)載,在體重作用下,將加壓水箱里的水通過管道3)壓到儲(chǔ)壓水箱15)。當(dāng)用戶方便完后起立,座便器在彈簧的作用下彈起,上升同時(shí),傳動(dòng)桿12)打開沖水閥門,實(shí)現(xiàn)沖水,同時(shí)壓板上升吸水,完成一次工作循環(huán)。小壓板6)專為男性設(shè)計(jì)。2.3主要參數(shù)設(shè)計(jì)1壓水高度及強(qiáng)度要想把集水箱的水壓入高處的壓力水箱需要滿足下面的計(jì)算式ρgh=FSρgh=FS式中:ρ為水的密度,ρ=1000kg/m3;g為重力加速度,g=10m/s2;h為壓水高度;F為負(fù)載,F=1150N;S為壓水面積,S=82150×10-6m2。代入數(shù)值1000×h×10×82150×10-6=1150h=1.39m=1390mm此設(shè)計(jì)的壓水高度最高可超過1m。20-3壓水量為壓縮水箱的容積VV=SH=82150×10-6×100×10-3=8.125式中:H為壓縮水箱的高。理論壓水量為8.125L,考慮到管路體積和壓力損失,以及負(fù)載過小的情況,8.125L的理論壓水量,滿足實(shí)際要求。3類彈簧的安裝設(shè)計(jì)體重范圍40kg～90kg,估計(jì)馬桶重量為25kg?？傻秘?fù)載最大F2=1150N,λ2=100mm最小F1=650N,λ1=100mm根據(jù)負(fù)載大小初定內(nèi)裝導(dǎo)桿直徑為100mm,Hmax=200mm。根據(jù)實(shí)際情況預(yù)計(jì)每戶5人,每人7次每日,則35次每天,10年×365×35=127750次≈1.3×105次,屬Ⅱ類彈簧。每次載荷為人的體重,屬于變載荷,彈簧裝在水箱中,須防銹處理。所以選擇類別為不銹鋼絲,代號(hào)為1Cr18Ni9,Ⅱ類彈簧。許用扭應(yīng)力[τ]T=440MPa;許用彎曲應(yīng)力[σ]b=550MPa;切變模量G=73000MPa;彈性模量E=197000MPa;溫度范圍為-250℃～300℃;極限強(qiáng)度為539MPa。4彈簧剛度的確定根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)初定d=7mm～16mm,則C=4～8,取C=8,C越大剛度越小易變形。則計(jì)算曲度系數(shù)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計(jì)算彈簧絲直徑d≥1.61.184×1150×8440?????????√≈7.96mmd≥1.61.184×1150×8440≈7.96mm按表取圓整值d=10mm,所以計(jì)算出中徑D2=C×d=8×10=80mm彈簧的中徑和鋼絲直徑確定后,根據(jù)以下公式計(jì)算彈簧圈數(shù)nn=Gd48FD3λ=73000×1048×1150×803×100=15.497n=Gd48FD3λ=73000×1048×1150×803×100=15.497取n=16圈。設(shè)計(jì)為壓縮彈簧,所以彈簧總?cè)?shù)n0=n+(2～2.5)=16+2=18圈。以上參數(shù)確定后需要計(jì)算極限載荷F3作用下的變形量λ3。Ⅱ類彈簧的極限載荷為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符合設(shè)計(jì)要求。彈簧的大體尺寸滿足設(shè)計(jì)要求后,需確定其具體的幾何參數(shù)。壓縮彈簧在最大工作負(fù)載壓緊時(shí)的余隙δ≥0.1d。δ=0.1×10=1mm彈簧的節(jié)距t=d+λmaxn+δ=10+129.0516+1=19.06mmt=d+λmaxn+δ=10+129.0516+1=19.06mm彈簧的自由高度H0(mm)壓縮彈簧兩端圓磨平,當(dāng)n0=n+2時(shí),H0=tn+1.5d=19.07×16+1.5×10=385.26mm;彈簧的外徑D=D2+d=80+10=90mm;彈簧的內(nèi)徑D1=D2-d=80-10=70mm。彈簧的螺旋升角α=arctantπD2=arctan19.063.14×80=4.34°α=arctantπD2=arctan19.063.14×80=4.34°彈簧在壓縮水箱工作過程中屬于核心部件,他的性能直接影響到整個(gè)水箱的工作狀態(tài),它的可靠性也決定了水箱的壽命,下面簡單對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性校核。b=H0D2=385.2680=4.185<5.3b=Η0D2=385.2680=4.185<5.3當(dāng)彈簧兩端固定時(shí),b小于5.3穩(wěn)定。對(duì)其進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算τmax=8K1D2πd3Fmax=8×1.184×803.14×1000×1437.5=346.9MPaτmax=8Κ1D2πd3Fmax=8×1.184×803.14×1000×1437.5=346.9ΜΡa最大剪切應(yīng)力在許用值范圍之內(nèi),疲勞強(qiáng)度合格。3按需設(shè)計(jì)思維:省水效果更優(yōu)由于用過的水大多位于低處,所以二次利用這些水必須通過裝置把它壓至高處以沖馬桶?？刹捎玫姆绞胶芏?但是以耗電耗油的方式去節(jié)水都是不可取的,所以本設(shè)計(jì)采用以人體重力為動(dòng)力,壓縮水箱來實(shí)現(xiàn)把水由低水位壓到高水位。這樣的設(shè)計(jì),人直接參與,操作簡單,自動(dòng)化強(qiáng)。在某種程度上體現(xiàn)了按需設(shè)計(jì)要求,既節(jié)水又無功耗。按需設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在產(chǎn)品壓水量設(shè)計(jì)中,經(jīng)過調(diào)研市場上的普通馬桶的沖水量一般為3L到10L,而想要節(jié)水,最好是把大便沖水和小便沖水分開考慮,經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,本設(shè)計(jì)采用小便沖水量為3L大便沖水量為6L,這些水可以剛好沖干凈馬桶,再加上水箱有加壓效果,沖水效果會(huì)更好。采用按需設(shè)計(jì),就是采用臨界值的沖水量,依靠水箱附加壓力,達(dá)到更好的效果,才是按需設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。壓水量采取了按需設(shè)計(jì),省水最終的受益人是產(chǎn)品的用戶,而產(chǎn)品生產(chǎn)商最注重的是產(chǎn)品原材料的節(jié)省,那么按需設(shè)計(jì),是最適合節(jié)省生產(chǎn)成本的設(shè)計(jì)思維方式。在整體衛(wèi)浴的設(shè)計(jì)過程中,所有設(shè)計(jì)參數(shù)和尺寸,都是以按需設(shè)計(jì)思維為指導(dǎo)的。設(shè)計(jì)一個(gè)好的機(jī)械產(chǎn)品,第一就是結(jié)構(gòu)簡單,第二是受力平衡。結(jié)構(gòu)簡單,無冗余機(jī)構(gòu),自然就省原材料,加工工藝也會(huì)簡單,這樣就省加工成本。受力平衡對(duì)產(chǎn)品的壽命有直接的作用,產(chǎn)品零部件受力平衡的工作,不容易疲勞。這樣就節(jié)省了維修成本和零附件的費(fèi)用。整體衛(wèi)浴結(jié)構(gòu)非常簡單,大可分為儲(chǔ)水箱和壓縮水箱,管路和閥門四部分,壓縮水箱的按需設(shè)計(jì)取決于壓水量和水壓,儲(chǔ)水箱的按需設(shè)計(jì)主要取決去洗衣臟水排放量和洗澡臟水排放量,就是按照用戶生活用水的臟水排放量與用戶上廁臟水消耗量相匹配設(shè)計(jì)的儲(chǔ)水箱尺寸。不同用戶洗澡習(xí)慣和洗衣習(xí)慣不同,臟水排放量是個(gè)隨機(jī)變化量,用戶上廁所的臟水消耗量又是每日不同的隨機(jī)變化量。而按需設(shè)計(jì),是在協(xié)調(diào)這兩個(gè)變化量的基礎(chǔ)上,在動(dòng)態(tài)的平衡值中選取合理的臨界值,來設(shè)計(jì)儲(chǔ)水箱的尺寸。而且按需設(shè)計(jì),通過用戶需求和實(shí)際情況可以設(shè)計(jì)出不同尺寸的儲(chǔ)水箱,供用戶選擇,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)。4設(shè)計(jì)集水壓縮器設(shè)計(jì)采用Fluent仿真軟件來模擬產(chǎn)品內(nèi)部流體通過壓縮水箱及管路到儲(chǔ)壓水箱這個(gè)過程中的水流情況和壓力情況。1)確定壓縮水箱提供的壓力,能否把水壓到儲(chǔ)壓水箱的設(shè)計(jì)高度。2)驗(yàn)證水流壓力是否對(duì)管壁和水箱壁強(qiáng)度造成損壞。4.1設(shè)置合適的網(wǎng)格單元首先,采用Pro/E軟件對(duì)壓縮水箱的流域進(jìn)行三維建模,將模型保存成適合Gambit讀取的.sat格式。在Gambit中導(dǎo)入流域模型,進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界設(shè)定。由于是三維的流域模型且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,所以使適應(yīng)性強(qiáng)的Tet/Hybrid網(wǎng)格單元類型,該類型主要由四面體網(wǎng)格構(gòu)成,適當(dāng)位置可以包含六面體、錐形和楔形網(wǎng)格單元,并采用專用的TGrid劃分方式,其次是設(shè)置好合適的壓力入口和壓力出口。劃分后的網(wǎng)格模型如圖3所示。4.2fluen模型將Gambit生成的網(wǎng)格模型,導(dǎo)入到Fluent中。由于水箱工作前是充滿水的,在壓力儲(chǔ)水箱和部分管道中是存在空氣的,所以仿真計(jì)算采用VOF多相流模型和k-epsilon[2eqn]紊流模型。并采用Fluent分離穩(wěn)態(tài)求解器來計(jì)算紊流模型。為了在較大的時(shí)間步長下仍能有穩(wěn)定的收斂效果,采用PISO算法。壓力采用PRESTO!算法,動(dòng)量和湍流能量、離散率均采用一階迎風(fēng)格式,體積分?jǐn)?shù)采用Geo-Reconstruct。并初始化流場,設(shè)定中等松弛因子和收斂精度的殘差監(jiān)視器,選擇合適的時(shí)間步長和迭代次數(shù),進(jìn)行迭代運(yùn)算。迭代前的流域水氣分布如圖4所示,流域(b所示)內(nèi)水的體積