节水装置（精选6篇）
节水装置 篇1
延迟焦化工艺原料适应性强, 技术成熟, 柴汽比高, 利于增产中间馏分。因而, 延迟焦化逐步成为石油化工热加工的主要方法之一。近年来国内新建的延迟焦化装置呈增加趋势。随着成品油需求的增加, 油品质量标准的提高, 原料油品的特性越来越复杂, 节能减排指标的提升, 炼油成本不断增加。延迟焦化炼化装置面临原油单位耗水量超标的新问题。
1 装置概述
延迟焦化属于重质油热炼化工艺, 在加热炉的高热强度炉管中, 油品达到结焦温度;同时, 通过提高流速使油品无法结焦, 而延迟到在焦炭塔中裂化、结焦。延迟焦化的原料多为重油、渣油、沥青及各种污油, 产品主要为焦炭、汽油、柴油、蜡油、液态烃及副气等。延迟焦化装置通常为间歇操作, 最常用的为“一炉两塔”工艺。在延迟焦化装置“一炉两塔”流程中, 始终有一个塔处于生产状态, 另一个处于准备冷焦、除焦或油气预热状态。来自加热炉的物料进入焦炭塔, 待充装一定容积后, 先用四通阀将物料切换至另一个焦炭塔。在焦炭塔内的油气经充分裂解、缩合后, 轻组分分别进入分馏塔, 焦炭留在塔内。再通过四通阀通入蒸汽, 将遗留的油气进一步提升至放空冷却塔, 同时降低塔内温度。然后用水将塔内焦层冷却至80～90℃后, 水从塔内排出, 该过程所用水称为冷焦水。延迟焦化装置通常采用水力除焦, 即水力切焦器利用高压水产生的高速水流将焦炭切割成块, 焦炭及水从焦炭塔内流出, 进入储焦池, 该过程所用水称为切焦水。
2 工艺特点分析
延迟焦化装置所用水主要用于冷焦水、切焦水和循环冷却水。三种水均为循环使用, 但它们在延迟焦化装置内起着不同的作用, 采用不同的处理工艺。
2.1 冷焦水处理工艺
冷焦水主要用于冷却焦炭, 出焦炭塔时水温为80～90℃ (称为冷焦热水) , 含油量为2000～10000mg/L, 焦粉含量约为2000mg/L。根据焦化工艺及加工流程的不同, 水中油及焦粉的含量相差较大。
目前焦化装置中所采用的新型冷焦水工艺一般为密闭流程, 冷焦水在整个循环处理过程中均在密闭管道及容器内, 具体流程如图1。水出焦炭塔后自流进入冷焦热水罐, 进行焦粉沉降和重力除油, 经泵提升至旋流焦粉分离器, 利用离心分离原理, 进一步除去焦粉, 水中焦粉含量≤150mg/L, 随后, 热水经过旋流油水分离器, 含油量降至100mg/L以下。分离出来的污油进污油脱水罐进行脱水;热水进空冷器热冷却后至冷焦冷水罐储存 (称为冷焦冷水) , 以备下次冷焦用。
早期的延迟焦化装置冷焦水处理多为开放式工艺流程, 主要采用池类构筑物。
同早期的开放式流程相比, 新型工艺中采用密闭罐体代替敞开池体, 节省占地, 减少了水的渗漏和蒸发损失;增加了除油和除焦粉设备, 改善水质, 提高水的循环使用率;用空冷器取代了冷却塔, 消除了冷焦热水的蒸发及风吹损失, 有效节约新鲜水用量, 减少冷焦水污染, 提高冷焦水循环利用率。
结合装置运行实践, 得出冷焦水的损失主要为:
(1) 工艺过程要求的先蒸汽吹扫焦炭塔内油气、后小流量冷焦过程的蒸发及排污损失。以规模为100万t/a的延迟焦化装置为例, 该过程每冷焦一次, 通常将约40～50m3冷焦水作为含油污水外排, 造成冷焦水损失。
(2) 旋流油水分离器和旋流焦粉分离器的反冲洗排水。根据冷焦水的工艺特点, 运行一段时间后, 旋流油水分离器需要反冲洗。根据实际工程运行调研, 约10～20天反冲洗一次, 水量约为单小时处理水量的20%。
(3) 除油过程中污油带走和污油脱水排污损失。经过冷焦热水罐的沉降, 所得污油含水率为40%～60%。该污油再经过污油脱水罐脱水后, 含水率降至10%左右, 其中所脱出的水均排至含油污水系统;其余水量与污油至全厂污油罐。
2.2 切焦水处理工艺
切焦水主要用于切割焦炭塔内结焦焦炭。切焦水与焦炭混合, 自流进入储焦池, 焦炭留在储焦池与水分离后运走, 切焦水流经各沉淀池, 焦粉逐级沉淀。后经泵加压通过旋流焦粉分离器, 焦粉再次分离, 切焦水进入高位水罐储存, 以备循环使用。具体流程示意见图2。
结合工程实践得出, 切焦水的水量损失主要为:
(1) 储焦池、粉焦池及沉淀池中水的蒸发, 是切焦水损失的首要原因。由于储焦池面积较大, 通常达1000m2以上;要定期用天车运送池内焦炭, 池体无法设置盖板, 切焦水的蒸发损失不可避免。
(2) 外运焦炭时, 所含水分被一并带走, 造成水量损失, 该部分水通常约为焦炭重量的3%。
(3) 储焦池、粉焦池及沉淀池等的渗漏及排污损失。
2.3 循环冷却水
循环冷却水主要用于延迟焦化装置内的空冷器、风机、冷换设备和水泵等设备及物料的冷却。以大港100万t/a延迟焦化装置为例, 2005年循环水平均用量6.81m3/t渣油。循环冷水来自循环水场, 进装置后供至各用水点;循环热水一部分采用余压回到循环水场, 另一部分则需要水泵加压, 尚有一部分因冷却水泵无法回收而直接排入含油污水系统。因此, 循环冷却水的损失主要由直接排水量造成。
3 节水措施
通过上述工艺分析, 从装置设计及正常操作运行角度考虑, 针对冷焦水、切焦水和循环冷却水的不同损失特征, 应采取相应的节水措施。
3.1 冷焦水节水措施
(1) 合理设计冷焦热水罐的容积, 保证焦炭塔出来的冷焦热水在罐中有充分的停留时间, 使得水体中所含油分及焦粉有充分的分离、沉降时间, 提高重力沉降去除率, 减轻后续设备的负荷, 增长其反冲洗周期, 从而降低排污量。根据调研, 停留时间2h, 冷焦热水罐除油率可达80%以上。
(2) 改进工艺流程, 将焦炭塔前期蒸汽及小流量冷焦水阶段污水经过除油预处理后, 重新送回冷焦热水罐, 以减少冷焦水损失, 提高循环使用率。根据运行经验发现, 该部分污水除含油量较高外, 其他特征均与后期冷焦水相近。经过除油后再回到冷焦热水罐, 对冷焦水无明显影响。
(3) 将高位水罐的切焦水作为补充水接入冷焦水冷水罐, 可以节省新鲜水。由于切焦水经过沉淀及旋流焦粉分离器处理后, 水质较好, 焦粉颗粒含量在150mg/L以下。同时, 储焦池中焦炭对油分有较强的吸附作用, 切焦水中油含量少, 水温低, 可以达到冷焦水水质要求。
(4) 从切焦水提升泵上接备用管线到冷焦热水罐, 将切焦水采用冷焦水的流程处理合格后, 作冷焦水用。
3.2 切焦水节水措施
(1) 除储焦池的蒸发水量难以克服外, 设计中将冷焦水系统及整个装置区的排污水全部自流汇至储焦池, 作为切焦水的补充水, 减小新鲜水的耗量。根据运行检测, 工艺系统的切焦水质要求不高, 采用旋流焦粉分离器处理后的切焦水, 水质完全能够满足工艺要求, 实际运行良好, 节水效果明显。
(2) 收集外运焦炭时所分离的水分, 即在焦炭外运场周围设置集水沟, 将焦炭中溅溢的水分再汇流到储焦池, 既可以节省切焦水, 又可以保护储焦池周围的环境, 收效良好。
(3) 在降水量较大的华东和华南地区, 通过储焦池的调节容积, 将降水收集后使用, 可同时作为切焦水和冷焦水的补充水。
(4) 做好储焦池、粉焦池及沉淀池等的防渗处理, 尽可能的减少渗漏损失。
3.3 循环水节水措施
(1) 减少循环水直接排污, 提高循环利用率。压力循环热水通过管网进循环水场;自流循环热水也尽可能汇集于循环热水池, 统一加压后进入管网。
(2) 减少自流循环热水, 并保证其在密闭的管道和容器内运行, 以减少水量损失。
(3) 优化工艺流程, 改变循环介质, 如部分水冷可以用需要升温的油冷来替代, 既节省了油品升温的能量, 又降低了循环水的用量。
4 经济效益
以大港100万t/a延迟焦化装置为例, 原来新鲜水平均用量为18.5m3/h, 采用以上节水措施后, 平均用水量约为7.6m3/h, 按每年运行8400h计算, 年节约新鲜水量约9.16×104t;按水价3.5元/t计算, 每年节约32.05万元。同时, 正常情况下装置内生产污水无需外排, 仅在装置检修时外排, 排污量明显减少。
5 结语
延迟焦化是众多石油炼化工艺中的一种。通过对延迟焦化装置中冷焦水、切焦水和循环冷却水系统的工艺特征和漏失因素的分析, 得出了目前延迟焦化装置节能减排的方向和节水的具体措施。对相似类型石化炼化装置的节水也有重要的借鉴意义。
参考文献
[1]李淑培.石油加工工艺学 (中册) [M].北京:中国石化出版社, 2006:8-15
[2]翁兴勇, 段金庭, 肖津.延迟焦化节能降耗探讨[C].中国延迟焦化协作组会议, 青岛, 2006
一种新型的马桶节水装置 篇2
(1) 马桶的设计不适合利用二次水;
(2) 二次水冲洗马桶操作复杂, 有诸多不便;
(3) 马桶不能被彻底冲洗干净, 残留的二次水影响洁净程度, 于卫生不利。
针对此种情况, 笔者设计开发了一种安装于普通马桶水箱, 自动运行, 能很好解决以上问题的节水装置, 使普通马桶成为可方便使用二次水的自洁式马桶。
1方案设计
1.1普通马桶结构和工作原理
当今普遍使用的马桶结构如图1所示, 主要功能部件位于马桶水箱中。1为控制冲水的装置 (这里称之为芯子) , 2为控制进水的进水阀。使用时按下冲水键, 芯子的活塞5提升, 打开流水孔, 水箱内的水冲入马桶。水位下降到一定程度, 活塞在芯子的自动控制下落下, 堵住流水孔, 同时由于水位下降, 进水阀打开, 由自来水管向箱内补充清水直至水位上升到初始位置。
1.2自洁式双重水节水马桶结构和工作原理
如图2所示, 马桶水箱内的清水用二次水代替, 在芯子与流水孔之间加装一套节水装置。该装置在冲完二次水后自动补冲少量清水, 将马桶彻底冲洗干净。为解决二次水预处理和储存问题, 增设一个多功能储水箱, 与进水阀相连, 向水箱供二次水。
1.3节水装置结构工作原理
如图3所示, 冲水时, 二次水经过节水装置冲入马桶, 产生的冲力作用于滑筒。滑筒在水冲力的作用下下滑, 至最底端时将滑筒外套上的两个清水孔堵住, 并被锁定爪锁住。
与滑筒轴相连的杠杆随着滑筒下落而绕清水阀的轴转动, 清水阀打开, 向清水腔注入清水, 清水储存在清水腔中。
腔内清水水位升高, 浮块上浮。当水位达到一定高度时, 连杆对锁定爪产生一个向内的压力, 使其绕转轴转动, 解除对滑筒的锁定, 滑筒在弹簧的拉力作用下上升, 同时关闭清水阀。滑筒上升的同时, 滑筒外套的清水孔打开, 清水冲入马桶。最终, 滑筒回到初始位置。
节水装置还可调节冲清水的量和时间。调节板实现对量的控制, 其固定在分段围壁上, 位置可以上下移动, 与浮块共同作用调节清水量的大小。调节板越高, 浮块上升的最大高度也越高, 清水量也越多, 反之越少。冲清水的时间可通过调节清水阀进清水的速度来调节, 进水速度快, 分段内水位上升快, 补充清水就快, 反之则慢。
1.4多功能储水箱工作原理
如图2所示, 二次水在右侧箱体经多重过滤净化后流入并储存在左侧箱体中。储水箱与马桶水箱相连, 向其供水。溢流管可排出多余二次水, 排渣阀可将带渣污水排出。储水箱中装有一个接自来水的进水控制阀, 开闭由浮块控制。当箱中水位过低时, 自动向箱内补充清水, 水量刚好够冲洗一次马桶, 从而最大限度的节约清水, 又不会影响马桶的正常使用。
2运动学及力学模型的建立
2.1冲入节水装置的水对滑筒冲力的计算
2.1.1冲入节水装置的水流速计算
如图4所示, 流水孔面积比水箱中液面的面积小很多, 因此液面高度m m近似认为不变, 这样可以用伯努利方程求解冲入节水装置的水流速。以水箱最高水位面为Ⅰ截面, 节水装置上表面为Ⅱ截面, 则:
截面Ⅰz1=h, p1=p0, v1=v
截面Ⅱz2=0, p2=p0, v2=v
列立与截面Ⅰ、Ⅱ相应的伯氏方程
由于粘性阻力和活塞等对水流的阻力影响, 实际水流速度达不到此值, 可用一个流速系数来修正, 经过试验确定=0.8, 则
2.1.2水流对滑筒的冲力计算
冲水瞬间, 冲入节水装置的水流对滑筒的作用如图5所示, 流水冲在滑筒环形部分 (面积m2) 时, 流速锐减, 在冲水瞬间, 滑筒不动, 可假定流速锐减到0, 根据流体动量定理, 有
式中:P为滑筒对流水的反作用力, F为流水对滑筒的冲力。
2.2清水阀开闭机构运动分析和计算
2.2.1弹簧弹性系数的确定
如图6-b滑筒位于底部位置, 要使滑筒在弹簧拉力作用下回复到初始位置, 需满足
由实际测量, 式中m1=2 3 g, m2=2 3 g, M=0.0 4 5 N/m
带入数据解得F2>2.5 2 2 1 N
如图6-a滑筒位于初始位置, 要保证弹簧能将滑筒拉到此位置, 需满足
带入数据解得F1>1.6 7 7 9 N
由胡克定律
带入数据, 解得弹簧弹性系数k=3 5.1 7 5 N/m
由此可得弹簧原长ι0=0.073-F1/k
考虑到摩擦等因素, 实取F1=1.8N, k=45N/m
带入上式解得ι0=0.0 3 3 m
由k=4 5 N/m N/m及弹簧伸长量得
F1实际= (0.097-ι0) k=2.88N>F2, 满足。所以取弹簧原长ι0=0.0 3 3 m, 弹性系数k=4 5 N/m。
2.2.2冲力校核
如图6-a, 要使水流能将滑筒冲下, 需0.097m1g+0.046m2g+0.097F>0.042F1实际+M带入数据得1.1 2 1 6 N m>>0.1 2 0 6 1 N m, 满足。如图6-b, 要使水流能将滑筒冲至最底部, 需0.097m1g+0.048m2g+0.097F>0.042F1实际+M带入数据得1.1 2 1 6 N m>>0.1 2 5 6 1 N m, 满足。综上所述, 流水冲力能将滑筒冲至最底部。
2.3锁定机构运动分析与计算
流水将滑筒冲至最底部时需由锁定爪锁住滑筒, 其机构如图7所示。
滑筒被冲至最底部时, 其上缘已越过锁定爪一小段距离, 此时只需即可保证锁定爪转动到如图7-a位置。待流水冲力消失, 滑筒被弹簧向上拉动, 与锁定爪接触。由于锁定爪与滑筒接触面是以转动轴为轴线的圆柱面, 所以滑筒对锁定爪的压力通过转动轴, 此力不产生转矩, 对锁定无影响。
清水腔水位上升, 连杆运动到如图7-b位置时对锁定爪产生力, 此力将使锁定爪转动而解除对滑筒的锁定, 需满足
解除锁定瞬间连杆对锁定爪作用力, 由于连杆位移很小, 可认为, 需满足
对于锁定爪弹簧, 只需产生一个很小的力推动锁定爪在无其他外力矩的情况下转动即可, 而且为放入直径5 m m的孔槽内, 可选较细软的弹簧, 实取弹簧直径d=4.8 m m, 弹性系数k=2 N/m, 初始长度ι0=2 0 m m, 则
带入式 (1) (2) 中得F1>0.1 N。
2.4浮块连杆机构运动分析与计算
如图8所示为一侧浮块连杆, 清水对浮块产生浮力克服锁定爪对连杆产生的力, 使连杆逆时针转动一个很小角度 (可认为此过程中连杆始终处于水平) , 从而推动锁定爪, 打开对滑筒的锁定。需满足
浮块全部没入水中将产生浮力
所以清水浮力足以推动锁定爪解除锁定。
2.5冲清水量的调节范围计算
由图8, 连杆处于水平, 解除锁定时清水水位即是浮块上表面距清水腔底板的距离, 通过改变调节板固定在清水腔围壁上的高度, 即可改变h的大小, 设计中F浮的上下极限为h1=8 2 m m, h2=4 2 m m, 则清水量的调节范围
所以清水量可在0.745～1.522L范围内调节。
3结束语
整套装置全机械、全自动运行, 结合计算和试验确定了运动学和力学参数, 为装置的制造提供了详细的设计资料。由其改装的新型马桶使用上与一般马桶无异, 并且普通马桶可方便改装, 只需加装该装置, 外接一个储水箱即可, 可推广性好。该节水装置已经制造出样品并装配于马桶, 试验效果良好, 冲水用水量8 0%为二次水, 清水只占2 0%。
参考文献
[1]雅萍.马桶节水为环保[J].生活与健康, 200 (48) :56
[2]王亚龙, 刘秀平, 李娜.家庭洗手间节水工艺设计[J].河北职工医学院学报, 2004 (2) :27
[3]李湘洲.美国节水便器与卫生洁具发展的若干动向[J].陶瓷, 2006 (2)
[4]马亮, 刘沛清, 聂建军.马桶冲洗过程的流体力学模型[J].水动力学研究与进展A辑, 2004 (4)
[5]刘任先.从流体力学的观点看节水冲便器[J].中国陶瓷工业, 2005 (5)
一种新型马桶节水装置的研究 篇3
马桶用水量占居民生活用水的1/3,马桶节水成为节能减排的重要方向。国内外在这方面有许多研究,如已推广使用的大小水双键马桶及曾大力提倡的二次水冲洗马桶的节水理念等[1,2,3]。其中二次水冲洗马桶理念的潜在节水效益非常明显,但推广情况并不乐观,其原因为:(1)市面上各种马桶的设计并不适合利用二次水;(2)二次水冲洗马桶操作复杂,有诸多不便;(3)马桶不能被彻底冲洗干净,残留的二次水影响洁净程度。针对此种情况,设计一种安装于普通马桶水箱、能自动运行、并很好解决以上问题的节水装置,使普通马桶成为可方便使用二次水的自洁式马桶。本文介绍该装置的结构工作原理和实际运行情况。
1 方案设计
1.1 普通马桶结构和工作原理
当今普遍使用的马桶结构如图1所示,主要功能部件位于马桶水箱中。芯子为控制冲水的装置,使用时按下冲水键,芯子的活塞提升,打开流水孔,水箱内的水冲入马桶。水位下降到一定程度,活塞在芯子的自动控制下落下,堵住流水孔,同时由于水位下降,进水阀打开,由自来水管向箱内补充清水直至水位上升到初始位置。
1.2 节水马桶结构和工作原理
二次水冲洗马桶结构如图2所示。马桶水箱内的清水用二次水代替,在芯子与流水孔之间加装一套节水装置。该装置在冲完二次水后自动补充少量清水,将马桶彻底冲洗干净。为解决二次水预处理和储存问题,增设一个多功能储水箱,与进水阀相连,向水箱供二次水。
1.3 节水装置结构(见图3)
冲水时,二次水经过节水装置冲入马桶水箱,产生的冲力作用于滑筒,使滑筒下滑,滑筒至最底端时将滑筒外套上的两个清水孔堵住,并被锁定爪锁住。
与滑筒轴相连的杠杆随着滑筒下落而绕清水阀的轴转动,清水阀打开,向清水腔注入清水,清水储存在清水腔中。
腔内清水水位升高,浮块上浮。当水位达到一定高度时,连杆对锁定爪产生一个向内的压力,使其绕转轴转动,解除对滑筒的锁定,滑筒在弹簧的拉力作用下上升,同时关闭清水阀。滑筒上升的同时,滑筒外套的清水孔打开,清水冲入马桶。最终,滑筒回到初始位置。
节水装置还可调节冲清水的量和时间。调节板实现对量的控制,其固定在分段围壁上,位置可以上下移动,与浮块共同作用调节清水量的大小。调节板越高,浮块上升的最大高度也越高,清水量也越多,反之越少。冲清水的时间可通过调节清水阀进清水的速度来调节,进水速度快,分段内水位上升快,补充清水就快,反之则慢。
1.4 多功能储水箱工作原理(见图2)
二次水在右侧箱体经多重过滤净化后流入并储存在左侧箱体中。储水箱与马桶水箱相连,向其供水。溢流管可排出多余二次水,排渣阀可将带渣污水排出。储水箱中装有一个接自来水的进水控制阀,开闭由浮块控制。当箱中水位过低时,自动向箱内补充清水,水量刚好够冲洗一次马桶,从而最大限度地节约清水,又不会影响马桶的正常使用。
2 运动学及力学模型的建立
2.1 冲入节水装置的水对滑筒冲力的计算
(1)冲入节水装置的水流速计算[4,5,6]
如图4所示,流水孔面积比水箱中液面的面积小很多,因此液面高度h=200mm近似认为不变,这样可以用伯努利方程求解冲入节水装置的水流速。以水箱最高水位面为Ⅰ截面,节水装置上表面为Ⅱ截面,则:
列立与截面Ⅰ、Ⅱ相应的伯氏方程,为:
由于粘性阻力和活塞等对水流的阻力影响,实际水流速度达不到此值,可用一个流速系数来修正,经过试验确定φ=0.8,则:
(2)水流对滑筒的冲力计算。
冲水瞬间,认为冲入节水装置的水流对滑筒的作用垂直于环形平面(面积A=4.396×10-3m2),水流流速锐减,在冲水瞬间,可假定滑筒不动,流速锐减到0,根据流体动量定理,有:
式中:P—滑筒对流水的反作用力;F—流水对滑筒的冲力。
2.2 清水阀开闭机构运动分析和计算
(1)弹簧弹性系数的确定。
如图5(b)滑筒位于底部位置,要使滑筒在弹簧拉力作用下回复到初始位置,需满足:
由实际测量,式中m1=23g,m2=8g,M=0.045N/m。带入数据,解得F2>2.5221N。
如图5(a)滑筒位于初始位置,要保证弹簧能将滑筒拉到此位置,需满足:
L1m1g+L2m2g+M
带入数据解得F1>1.6779N。
由胡克定律得:
(0.073-0.097)k=F1-F2
解得弹簧弹性系数R=35.175N/m。
由此可得弹簧原长l0=0.073-F1/k,考虑到摩擦等因素,实取F1实际=1.8N,k=45N/m,解得l0=0.033m。
由k=45N/m及弹簧伸长量得,F2实际=(0.097-l0)k=2.88N>F2,满足要求。所以取弹簧原长l0=0.033m,弹性系数k=45N/m。
(2)冲力F校核。
如图6(a),要使水流能将滑筒冲下,需满足:
L1m1g+L2m2g+L1F>L3F1实际+M
带入数据得1.1216Nm≫0.12061Nm,满足要求。
如图6(b),要使水流能将滑筒冲至最底部,需满足:L′1m1g+L′2m2g+L′1F>L′3F2实际+M
带入数据得1.1216Nm≫0.12561Nm,满足要求。
综上所述,流水冲力F能将滑筒轻松冲至最底部。
2.3 锁定机构运动分析与计算
流水将滑筒冲至最底部时需由锁定爪锁住滑筒,锁定机构如图6所示。
滑筒被冲至最底部时,其上缘已越过锁定爪一小段距离,此时只需T1>0即可保证锁定爪转动到如图6(a)位置。待流水冲力消失,滑筒被弹簧向上拉动,与锁定爪接触。由于锁定爪与滑筒接触面是以转动轴为轴线的圆柱面,所以滑筒对锁定爪的压力N通过转动轴,此力不产生转矩,对锁定无影响。
清水腔水位上升,连杆要运动到如图6(b)位置使锁定爪转动而解除对滑筒的锁定,需满足:
解除锁定瞬间连杆对锁定爪作用力,由于连杆位移很小,可认为Fa=Fb,需满足:
对于锁定爪弹簧,只需产生一个很小的力推动锁定爪在无其他外力矩的情况下转动即可,而且为置入直径为5mm的孔槽内,可选较细软的弹簧,实取弹簧直径d=4.8mm,弹性系数k=2N/m,初始长度l0=20mm,则:
带入式(1)、(2)中得:Fa>0.1N。
2.4 浮块连杆机构运动分析与计算
图7所示为一侧浮块连杆结构示意图。清水对浮块产生浮力F浮克服锁定爪对连杆产生的力Fa,使连杆逆时针转动一个很小角度(可认为此过程中连杆始终处于水平),从而推动锁定爪,打开对滑筒的锁定。F浮需满足:
0.168F浮>0.071Fa (3)
浮块全部没入水中将产生浮力F浮=0.1372N,得:
0.02305Nm>0.0071Nm
所以清水浮力足以推动锁定爪解除锁定。
2.5 冲清水量的调节范围计算
连杆处于水平,解除锁定时清水水位即是浮块上表面距清水腔底板的距离h,通过改变调节板固定在清水腔围壁上的高度,即可改变h的大小,设计中h的上下极限为hmax=82mm,hmin=42mm,则清水量的调节范围:Vmax=1.522L,Vmin=0.745L。
所以冲清水的量可在0.745～1.522L的范围内调节。
3 结语
整套装置全机械、全自动运行,由于改装后的新型马桶使用上与一般马桶无异,普通马桶可方便改装,只需加装该装置,外接一个储水箱即可,推广性好。该节水装置已经制造出样品并装配于马桶试验,效果良好,冲水时使用的水量中80%为二次水,清水只占20%,达到了预期的设计目的。
摘要：在普通马桶水箱中增设一套节水装置,该装置在利用二次水冲洗马桶后,能自动补充少量清水,彻底清洁马桶,避免了单纯使用二次水的洁净和卫生问题;同时装置自动运行,经其改装的节水马桶使用上与一般马桶无异。冲洗过程中,大量使用的是二次水,补冲的清水只是少量,从而实现节水的目的。
关键词：二次水,马桶,节水装置
参考文献
[1]雅萍.马桶节水为环保[J].生活与健康,2004,(8):56.
[2]王亚龙,刘秀平,李娜.家庭洗手间节水工艺设计[J].河北职工医学院学报,2004,(2):27.
[3]李湘洲.美国节水便器与卫生洁具发展的若干动向[J].陶瓷,2006,(2):4-5.
[4]马亮,刘沛清,聂建军.马桶冲洗过程的流体力学模型[J].水动力学研究与进展A辑,2004,(6):90-94.
[5]刘任先.从流体力学的观点看节水冲便器[J].中国陶瓷工业,2005,(5):28-30.
节水装置 篇4
在我国，水资源总量为2.8万亿m3，其中有16个省(区、市)人均水资源量低于严重缺水线，即1000m3(不包括过境水);宁夏、河北、山东、河南、山西、江苏6个省、区的人均水资源量低于500m3。水的缺乏，严重制约了我国社会经济的发展，同样也制约了钢铁工业生产基地的生存和发展，因此，“水”成为钢铁工业可持续发展的环境影响评价的重要指标。泰兴同济工程机械厂研制出开的“液压站高效节能装置”可使钢铁工业生产实现节水100%!减排100%!
据预计，2011年华东电网迎峰度夏期间的最高用电需求约为1.9亿kWh，而电力缺口达1166万kWh，电力供应紧缺已成为不争的事实。要解决电力供应紧缺，既要扩大发电潜能，更应节约用电。泰兴同济工程机械厂生产的“液压站高效节能装置”则体现了75%的节电效果!
“液压站高效节能装置”的优势表现在以下几个方面：
(1)利用液压站的原贮能压力油，驱动油泵启动，使液压站电机在小负载低电流状态下安全启动，变“频繁大电流启动油泵”为“无电流启动油泵”，有效控制了液压油温度，彻底取消了水降温系统，实现节水100%，减排100%的效果。
(2)实现液压站工作的一键自动化控制，减少液压站的工作时间，变“液压站连续工作”为“液压站间歇工作”，实现节电70%～75%的效果;
“液压站高效节能装置”不仅充分体现了零污染排放，保护了环境，而且延长了液压油、电机、油泵以及电气元件的使用寿命，比传统液压站使用寿命提高了20倍。
节水装置 篇5
关键词：家用热水器,自动节水装置,温度传感器,电磁换向阀
引言
热水器是把冷水加热成热水的设备, 已有二十多年的发展, 早已应用于每家每户, 深受消费者喜爱。另外, 随着当今社会对能源的需求量日益增加, 环境也在日益恶化, 基于此背景下, 居民在选用热水器时, 自然会考虑节能和环保等因素。
一般家庭安装的热水管道较长, 每次使用热水时, 水龙头开启之后, 管道中存留的冷水放完, 才能有热水流出, 居民需要等待较长时间, 用起来极为不便, 而且冷水无故被排掉造成很大的浪费[1]。文章设计的节水装置可极大地提高冷水的回收循环利用, 避免大量水资源的浪费, 既经济又节能, 因此此类热水器具有非常宽广的市场前景和实用价值。
1 家用热水器工作原理概述
一般家庭热水器工作系统与原理如图1 所示:当淋浴阀开启时, 水从冷水进口进入热水器, 经过水气联动装置。在流动水的压力差作用下, 水气联动装置的阀门开启, 燃气电磁阀打开, 燃气进入, 与此同时脉冲点火器启动点火。进入正常工作状态后, 燃气燃烧产生的高温烟气对换热器进行加热, 冷水流经换热器后, 水温逐渐升高至预设温度, 并由淋浴喷头排出供人们使用[2]。
2 家用热水器冷水自动节水装置设计
目前市场上的家用热水器大多价格较贵, 且浪费大量水资源, 在开启热水器时, 仍旧会排放一段时间冷水, 让人心痛又焦急。而作者所提出的家用自动节水装置可将冷水回收循环利用, 能够良好地起到节约用水的作用, 即用即热, 既能节约了用户的时间, 又极大地提高了使用效率, 其设计方案如下:
2.1 整体方案
2.2 过程分析
图1 为普通燃气热水器的基本工作原理, 结合实际使用经验可知:用户从开启淋浴阀至水温达到预设温度需要3 至12s, 由于不同品牌的燃气热水器点火效率存在差异, 因此这段时间有可能会更长。在热水器点火成功到进入正常工作状态的一段时间内, 其加热效率并没有达到额定值, 加上管道内部本身余留水, 所以存在一部分水未经过充分加热就被排出。以自来水管DN20 为例, 通过试验测得水龙头正常开启状态下的水流量并进行记录, 其结果如表1 所示[3]。
根据表1 中数据可知, 水龙头的平均水流量为125ml/s, 如果热水器出热水需要12S, 则每次使用时浪费的水量为1.5L[3]。
2.3 工作原理
冷水自动节水装置的本质是对没有达到预设温度的水进行回收循环利用在加热并排出以供人们使用, 其设计思路是在不改变原生系统的前提下, 通过在热水器与淋浴喷头间增加温度检测装置和电磁换向阀等装置, 检测从换热器中流出的水的温度, 看是否已达到预设温度, 若达到了, 则电磁阀让其流出供用户使用, 否则流回去再加热, 然后再检测, 再流出, 如此循环的过程。
在具体工作过程中, 自动节水装置在不改变原生系统的基础上增加温度传感器、电磁换向阀和单向阀而组成的节水装置, 先将热水器设置为适宜温度, 开启冷水进口阀门, 使冷水流经热水器, 温度检测装置检测从热水出水管道流出的热水。若温度没有达到预设温度, 则电磁换向阀与右位接通, 使没有达到预设温度的水回到热水器中继续加热;若温度达到预设温度, 则电磁换向阀与左位接通, 热水放出供消费者使用[4]。
3 节水装置设计与应用效果评价
该装置系统实施原理为:当设备运行后, 温度传感器检测水温后给单片机发送一个信号, 然后单片机发出指令, 控制电磁换向阀的电磁铁得电或失电, 使其不同的阀口打开。若水温达到预设温度, 水从阀的左位流出方便用户使用;若水温没有达到预设温度, 则单片机发出指令控制换向阀, 使之处于得电状态, 接通阀的右位, 使没有达到预设温度的水重新回到热水器中加热。
在此装置中, 采用8031 单片机控制热水器的控制电路, 首先接通电源, 输入所要的温度值, 系统开始工作。由热电偶将接收到的温度信号转化为电压值, 并将信号放大处理, 得到线性化的模拟量, 通过A/D转换器转换为计算机处理时所需要的数字信号。在A/D转换的过程中, 需要锁存器以及启动信号, 它才能正常的工作。锁存器决定是哪一位的模拟量输入通道有效, 启动信号有效后它才能正常的工作。然后将得到的数字量传入到单片机8031 中, 让其进行判断[5]。
现代社会中, 几乎家家户户都已经安装了热水器, 由此带来的水资源浪费现象也骤然增加。当今随着科学技术的发展, 电子产品也越来越先进, 那么在热水器中设计并安装节水装置是必要和容易的, 这样便能避免过分的浪费水资源。文章所设计的自动节水装置极具使用价值, 首先是具有成本低, 效益高的优点, 因此深受消费者喜爱;其次是安装简单, 操作方便, 更重要的是能够节约更多水资源, 因此该装置具有推广的价值。
4 结束语
世界人口急剧增加, 对能源的消耗随之增多, 地球能源急剧下降, 家用热水器节水装置应运而生。这种家用热水器冷水自动节水装置由单片机、温度传感器和电磁换向阀等组成, 系统更加智能, 消费者在使用过程中更加方便快捷, 使用电磁换向阀将没有达到预设温度的水和达到预设温度的水分离, 让热水器与淋浴喷头间的冷水能回收循环利用, 避免了水资源大量浪费的问题。总之, 此装置操作简便, 使用价值高, 容易控制, 提高了家用热水器的实用性能。
参考文献
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节水装置 篇6
关键词：红外光电计数,电磁水阀,节水,自动控制
1设计背景
目前我国公共卫生间大都采用浮球式水箱, 这种方式工作时不论便池是否有必要冲洗, 也不论是白天或夜间, 只要水箱放满水, 浮球装置就开阀放水, 造成水源的巨大浪费。特别是在学校、火车站等场合, 会发现这里的公共自动冲水装置不分白天黑夜, 不管有人无人都一直在哗哗的流个不停, 造成了水资源极大的浪费。
我们知道, 水资源是基础性、战略性的自然资源、经济资源。自然界能提供的水总量是确定的、有限的, 而水的需求量却在急剧上升。我国水资源时空分布上的不均、开发程度低、再加上污染与低效利用, 供需矛盾尤为突出。水是生命的源泉, 面对严重的水荒, 根本出路在于节水。要把节约用水、推广各种节水措施、建立节水型社会作为缓解水资源紧缺的头等大事来抓, 以满足经济和社会可持续发展的需要。建立节水型社会, 其核心工作是推广高效节水产品, 减少水资源浪费, 提高水资源的使用效率。全方位节约利用水资源, 发挥有限水资源的最大效益和潜力, 将是缓解水资源供需矛盾的主要途径。水是人类生存发展因素之一, 面对日益严重的水资源危机, 要引起全社会的重视。我们要提高全民意识, 合理利用水资源, 建立节水型社会, 而这离不开每个人的参与, 每一个用水者都有一份应尽的责任和义务。
基于此分析, 我们提出了对公共卫生间长流水系统的改进要求:在人流量较大时, 应安排较大流量供水和较小供水时间间隔;而人流量小时, 应安排较长供水间隔, 这样不仅能够保持公共卫生间的清洁, 而且合理利用了水资源, 达到了节水目的。
2方案论述
解决该问题的关键在于对公共卫生间供水的灵活控制, 故考虑把水龙头的手动控制开关修改为由电路控制的自动开关, 再设计相关电路对其进行分时控制, 以按人数来供水, 即人多时多供水, 人少时少供水。
准备采用红外光电式计数控制方式, 该装置的基本工作原理是:在公共卫生间入口处对人数进行统计, 使用红外光电计数装置计数, 当计数值等于设定数值时, 控制器自动打开电磁水阀放水。
设计思路计如下:
(1) 红外计数模块:为增强系统的抗干扰能力, 采用红外光电计数方式。在公共卫生间门口安装红外计数装置, 使用红外发光管和与之相配套的红外光电二极管, 构成直射式红外光通道。当有人从门口经过时, 红外光通道被遮挡阻断, 从而引起光电二极管电流的变化。把该电流变化放大再转换成脉冲信号输出, 该脉冲信号即可作为计数电路的计数脉冲输入, 且每一脉冲信号对应一人次的通过。
(2) 数值比较模块:该模块使用电子计数器来实现。在本模块中, 计数器先预设一固定数值, 作为公共卫生间冲水装置工作的最低人数标准, 然后对红外计数模块的输出脉冲进行计数。当计数脉冲达到预设数值时, 计数器给出信号驱动定时装置和冲水装置的启动, 并清零计数器开始新一轮的计数。
(3) 定时与输出驱动模块:在本电路中用555定时器构成一单稳态触发器, 通过调节其暂稳态输出脉冲的宽度来实现不同的定时时长。并利用该输出脉冲信号加到一电子开关的控制端来控制电磁水阀的断开与闭合, 从而利用555定时器实现了定时和输出驱动的双重控制。
本方案使用灵活方便, 仅需一次设定好预置人数和供水时间的比例系统就可以长期工作, 不需再时常调节;易于操作维护, 只用调节几个简单的开关即可方便的设置其各种参数;适用性强, 适用于多种场合。
3方案设计与应用
3.1 图纸设计电路原理图见图1
3.2 红外发射模块器件选择
公共卫生间的门宽度一般为1～2米。为了达到在公共卫生间门口安装红外发光管的红外探测距离的要求, 在本方案中采用HG505型中功率红外线发光二极管, 其工作电流200mA, 光辐射功率达50～70mW, 峰值波长为940nm, 最大控制距离可达10m, 完全可以满足要求。若是控制距离要求更大, 可选用大功率红外线发光二极管HG520系列, 其控制距离可达几十米。上图中R1为限流电阻, 改变R1的阻值大小, 使驱动红外发光二极管的电流为最佳电流, 从而使输出红外功率尽可能大。限流电阻R1的阻值大小可由下式计算:R1= (Ec-Uf) /If
式中, Ec为供电电源的电压;Uf为红外发光二极管的正向压降;If为红外发光二极管的工作电流。本方案中Ec=12V, Uf=1.6V, If=200mA可得, 限流电阻R1=52欧, 故R1值至少要为52欧, 实际中可根据发光距离的要求选择R1的阻值, 只要使其大于52欧即可。
3.3 红外接收器件
红外光电接收器件可选用光电二极管或光电三极管。本方案采用2CU2B型红外接收二极管, 其主要参数如下:暗电流≤0.1uA, 光电流≥30uA, 光电灵敏度≥0.5, 峰值波长880nm。
把红外发光管D1与光电二极管Q0正对安装构成一直射式光通道, 平时Q0受光照产生光电流处于导通状态, 该信号通过一1K电阻加至晶体三极管Q1的输入端使其导通, 此时大部分电压加至分压电阻R3上, 故Q1集电极输出电压为低电平;当有人经过将光通道阻挡时, Q0呈截止状态, 暗电流小于0.1uA, Q1截止, 输出为高电平;当人离开时, 又重复上述过程, 从而可在Q1输出端输出脉冲信号。晶体三极管Q1选用小型功率管9013, 该晶体管为NPN型管, 耐压达50伏, 电流达0.5A, 放大倍数Hfe=78～260。在Q1的发射极再串接一发光二极管D0, 作为D1与Q0对齐的指示器件。当D1与Q0刚好相对在一条直线时, Q0光电流最大, 故Q1发射极电流最大, D1最亮。安装时可通过观测D1的亮度来判断D1与Q0是否在同一直线上。Q1输出高低电平信号分别为10.95V和2.25V, 满足CD4017的脉冲电平要求。
3.4 微分电路参数
微分电路参数R4取阻值100K, C1取值0.01uF。刚上电时电压电路电压突变到12伏, 开始对电容C1充电, 瞬间电容相当于短路, 故此时加到两片4017的清零端R上电压为高电平12V, 使计数器清零。C1阻值较小, 充电很快结束, 故加至R端电压降为零, 计数器能够正常计数。
3.5 定时与输出驱动模块
计数比较模块与定时模块的连接采用Q1相似的方式, 用一多档开关将计数模块输出信号连至晶体三极管Q2的基极。Q2采用与Q1相同的晶体管9013。则当计数值到设定值时, 输出高电平信号将两片计数器同时清零, 同时高电平信号使Q2导通, 故Q2集电极输出电压为低电平;当计数器清零后计数模块输出信号又恢复为低电平, 使Q2截止, Q2集电极输出电压为高电平。上述过程在Q2输出端输出一低电平脉冲信号, 该信号用于启动555定时器工作。
定时部分取C3=100uF, R9取一10M欧可调电阻, 则定时最大时长取值为:
Tw=1.1×R9×C3≈18min
即定时时长在0～18分钟内任意可调。
定时器对电磁水阀的输出驱动也采用与Q1相似的方式, 参数取R7=10K, Q3采用NPN晶体三极管9013。在定时器的输出端通过限流电阻R10接一发光二极管D2, 可用于指示电磁水阀的工作状态。则当定时器输出为高电平时D2亮, Q3导通, 电磁水阀由电源直接供电驱动, 驱动电流为170mA, 可以达到开启目的。当定时器输出为低电平时, D2变暗, Q3截止, 电磁水阀无法导通开启, 停止供水。
按键开关S1接至Q2输入端, 可作为手动冲水开关, 方便公共卫生间清洁的需要。
4方案验证
照图连好电路, 为方便调试进行, 调节S2先连接至定时器输出端Y1, 即设定计数初值为9×1=9人次。调节R9=100K, 即定时时长为11秒。接通电源, 则555定时器在刚通电时定时启动, D2亮, 电磁水阀吸合。约11秒后, D2熄灭, 电磁水阀跳开, 定时结束。用万用表测Q1输出电压, 在光通道未被阻挡时, N1输出为低电平2.25伏, D0很亮。当有障碍物遮挡光通道时, Q1输出为高电平10.95伏, D0很暗。可知红外计数模块工作正常。
当有多个计数脉依次顺序冲加至计数器的CP输入端时, 分别测量两片CD4017的输出信号, 每计数到9时, 第二片4017Q1端输出高电平, 该信号用于驱动定时器工作, 并使两片计数器立即清零, 再重新开始下一轮计数, 从而构成九进制计数器。
测量定时器输出时间, 当R9=100K时, 555定时器构成的单稳态输出脉冲宽度即定时时间为11秒。
改变S2的档值和R9的阻值, 即改变预置人数和定时时间的设置, 重复上述过程, 可以测得系统工作正常, 符合设计要求。
5结论
本方案通过对进入卫生间的人数的计量来控制电磁水阀的通断时间, 有效的达到了节约用水的目的。系统操作灵活方便, 仅需一个波段开关和一个可调电阻即可方便的调节预置人数和冲水时间的长短;使用性强, 可广泛用于学校、车站、医院等人流量大的场合;结构简单, 成本低;节水效率高, 推广性较强。
需要注意的是因本方案是对遮光次数的计量, 而遮光次数约为进入人数的二倍, 故设计时也要设置计数器预置数为进入人数的二倍。并且要通过一段时间的试用总结出人流量与定时时间的规律, 合理设置预置人数与冲水时间, 以期使节水效果最佳。另外本装置安装时应安装在距地面约1.5米处, 即人肩部以上位置, 这样可以避免一人多次遮光和地面对红外光的反射影响造成的继电器误动作。
参考文献
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