（流体机械及工程专业论文）压力反冲式饮水机清洗器的研制.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 压力反冲式饮水机清洗器的研制 摘要 随着社会的进步与发展人们使用饮水机饮用矿泉水和纯净水的日益增多，饮用水不 够清洁对本想寻求健康的人们反而对身体造成了一定的危害。因此，针对饮水机无法彻 底清洗的状况出现的一种新型机器即：饮水机清洗器。近几年来，各式各样的饮水机清 洗器随之出现，但其中也存在着清洗不够彻底、二次污染等问题，所以，一种新型环保、 高效的饮水机清洗器研制势在必行。 本论文对当前饮水机清洗业作了分析，列举了市场上存在的各种清洗器，讲解了它 们的工作原理，指出存在的弊端，并针对此现象提出了研制新型压力反冲式饮水机清洗 器的必要性与可行性。然后，对压力反冲式饮水机清洗器的研究与制造过程进行了详细 地说明，其中包括总体方案构思与最终的确定、结构的设计安排、各种元件的选取、加 工制作过程及使用方法。理论部分是对清洗机理的研究，主要从臭氧消毒灭菌机理和压 力反冲机理两方面进行的。臭氧消毒灭菌机理的研究是从臭氧的理化性质和相关的实验 论证的。实验包括臭氧水与其它水体清洁度比较、臭氧水浓度控制及消毒效果和臭氧消 毒影响因素。通过实验，论证了臭氧消毒灭菌的有效性并且提出了在使用清洗器清洗饮 水机时应注意的问题。压力反冲机理一方面是通过数学计算模拟出水胆中流体流动状态 论证的。使用的软件是f l u e n t 6 1 ，说明了该软件的优势。在使用软件的过程中对模型的 建立、边界条件的选取进行了详细地说明，计算结果得出了清洗状态时流体的压强、速 度、流线、压力等参数。另一方面是对水胆中气液流动时气泡爆破冲刷机理做了理论说 明，进而肯定了压力反冲式饮水机清洗器的清洗效果，证明了本机研制机理的可行性。 新型压力反冲式饮水机清洗器样机经过测试，完全达到了预期的设计目标。新产品 也于2 0 0 4 年2 月1 8 日通过了辽宁省疾病预防控制中心的检测。 新型压力反冲式饮水机清洗器的研制成功提高了国内饮水机清洗器的技术水平，也 为其它清洗器的研发作了次成功的尝试。 关键词：饮水机清洗器；结构；臭氧消毒；压力反冲：鼓泡冲刷 i i 查! ! 垄堂塑主兰堡垒查竺! ! ：! 竺 d e v e l o p m e n to fp r e s s u r eb o u n c e - b a c kc l e a r i n gm a c h i n e f o r d r i n k i n gm a c h i n e a b s tr a c t a l o n gw i t ht h ea d v a n c e m e n ta n dd e v e l o p m e n to fs o c i e t y , m o r ea n dm o r ep e o p l ed r i l l l 【 m i n e r a lw a t e ra n dp u r i t yw a t e rb yd r i n k i n gm a c h i n e i n a d e q u a t ec l e a nm i n e r a lw a t e rb r i n g s m u c hd i s a d v a n t a g et op e r s o n sw h ow a n tt ol o o kf o rh e a l t ha tf i r s t t h e r e b yan e wt y p eo f m a c h i n ea p p e a r si na l l u s i o nt ot h es t a t u eo fd r i n k i n gm a c h i n ec a n tb ec l e a n e dt h o r o u g h ： c l e a r i n gm a c h i n eo fd r i n k i n gm a c h i n e i nt h en e a r l yy e a r s ，v a r i e so fc l e a r i n gm a c h i i l eo f d r i n k i n gm a c h i n ea p p e a r e d ，b u tt h e yh a v es o m em a t t e r ss u c h a si n a d e q u a t ec l e a r , t h e s e c o n d l yp o l l u t e ，s oi ti si m p e r a t i v eu n d e r t h es i t u a t i o nt od e v e l o pak i n do fw i t h o u tp o l l u t e a n de f f e c t i v ec l e a r i n gm a c h i n eo f d r i n k i n gm a c h i n e t h et h e s i sa n a l y z e st h ec l e a r i n gd o m a i no fd r i n k i n gm a c h i n ei nc u r r e n t , e n u m e r a t e s k i n d so fc l e a r i n gm a c i l i ei nt h em a r k e t , e x p l a i n st h e i rw o r kp r i n c i p l e ，p o i n t so u t s h o r t c o m i n ga n di na l l u s i o nt o t h ep h e n o m e n ab r i n g sf o r w a r dt h en e e da n df e a s i b i l i t yt o d e v e l o pt h en e wp r e s sb o u n c e b a c ka n do z o n ea n t i s e p s i sc l e a r i n g m a c h i n eo fd r i n k i n g m a c h i l l e a f t e r w a r d sc i r c u m s t a n t i a t e st h es t u d ya n dm u n u f a c t u r eo fp r e s sb o u n c e - b a c ka n d o z o n ea n t i s e p s i sc l e a r i n gm a c h i n eo fd r i n k i n gm a c h i n e ，i n c l u d i n gc o l l e c t i v i t yb l u ep r i n t d e s i g na n df i n a lc o n f i r m ，s t r u c t u r a ld e s i g na n da r r a n g e ，h o wt oc h o o s ec o m p o n e n t s ，t h e p r o c e s so ff a c t u r ea n dh o wt on s ei t t h et h e o r yp a r ti st h es t u d yo fc l e a n o u tm e c h a n i s m ， m o s t l yi n c l u d et w oa s p e c t s ，t h ef i r s ti so z o n ea n t i s e p s i sm e c h a n i s m a n dt h es e c o n di sp r e s s u r e b o u n c e - b a c km e c h a n i s m o z o n ea n t i s e p s i sm e c h a n i s mi sd e m o n s t r a t e db yo z o n ep h y s i c s c h e m i s t r yq u a l i t ya n dc o r r e l a t i v ee x p e r i m e n t a t i o n e x p e r i m e n t si n c l u d et h ec l e a n l yc o m p a r e o fo z o n ew a t e ra n do t h e rw a t e r , h o wt oc o n t r o lo z o n ew a t e rt h i c k n e s sa n dt h ee f f e c to fo z o n e a n t i s e p s i s ，t h ee f f e c t i v ef a c t o ro fz o n ea n t i s e p s i s b yt h ee x p e r i m e n t st op r o v e t h ev a l i d i t yo f z o n ea n t i s e p s i sa n db r i n gf o r w a r ds h o u l da t t e n d a n ti s s u ew h e nu s ec l e a r i n gm a c h i n e st o e l e a n o u td r i n k i n gm a c h i n e t h ep r e s s u r eb o u n c e b a c km e e h a n i s r ni sa r g u e do n eh a n db y m a t h e m a t i c ss i m u l a t el i q u i df l o ws t a t eo fc o u r a g e u s es o f t w a r ef l u e n t 6 1a n di n t r o d u c e e x c e l l e n c e so f t h es 0 1 r a r e i nt h ec o u r s eo f u s et h es o f t w a r ee x p l a i nh o wt os e tu pm o d e la n d t oc h o o s eb o u n d a r yc o n d i t i o nd e t a i l e d t h er e s u l te l i c i t st h el i q u i d si n t e n s i t yo fp r e s s u r e ， v e l o c i t y , f l o w nl i n e ，p r e s s u r ea n ds oo nw h e nc l e a n o u tc o u r a g e t h eo t h e rh a n de x p l a i n s w h e ng a s l i q u i df l o wa i rb u b b l eb l o wu pw a s ho u tm e c h a n i s mi nc o u r a g e ，p r o v e dt h e c l e a n o u te f f e c to fp r e s s u r eb o u n c e - b a c kc l e a r i n gm a c h i n eo fd r i n k i n gm a c h i n ea n df e a s i b i l i t y o f t h ed e v e l o pm e c h a n i s mo f t h em a c h i n e i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t e s tn e wt y p e p r e s s u r eb o u n c e - b a c kc l e a r i n gm a c h i n eo fd r i n k i n gm a c h i n es a m p l e m a c h i n e ，a c h i e v ea n t i c i p a t i v ed e s i g no b j e c te n t i r e t y n e wp r o d u c tg e ta c r o s st h ee x a m i n a t i o n o fl i a o n i n gp r o v i n c es i c k n e s sp r e v e n tc o n t r o lc e n t e ri n2 8 ，2 ，2 0 0 4 t h ed e v e l o p m e n ts u c c e e do fn e wt y p e p r e s s u r eb o u n c e b a c kc l e a r i n gm a c h i n eo f d r i n k i n gm a c h i n ea d v a n c et h et e c h n i q u el e v e lo fc l e a r i n gm a c h i n ef o rd r i n k i n gm a c h i n ei n o u rc o u n t r ya n di t sas u c c e s s f u la t t e m p tf o ro t h e rc l e a r i n gm a c h i n e ss t u d y k e yw o r d s ：c l e a r i n gm a c h i n eo f d r i n k i n gm a c h i n e ；s t r u c t u r e ；o z o n ea n t i s e p s i s ； p r e s s u r eb o u n c e b a c k ；d r u md u n kw a s ho u t 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：玉裤 日期：抛莎、2 上1 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名：否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及背景 第一章绪论 1 1 1 课题来源 “压力反冲式饮水机清洗器的研制”是东北大学过程装备与环境工程研究所同沈阳 惠普生科技有限公司的合作项目。本论文主要讨论的是清洗器的研制、臭氧消毒灭菌机 理和压力反冲去污机理。研制成功的饮水机清洗器已申报专利。 发明专利号为：0 3 1 3 3 9 1 6 6 实用新型专利号为：0 3 2 3 8 0 9 7 6 1 1 2 课题背景 饮水机工作原理；饮水机的结构如图1 1 所示。饮水机一般由蓄水箱a 与加热水箱 b 、聪明座及矿泉水瓶等组成。当将矿泉水瓶装在饮水机上后，由于重力作用，水经聪 明座流至水箱a ，经c 管到达加热箱b ，而b 箱中的气体则经d 管到蓄水箱a 上部， 与蓄水箱空气混合，此时，矿泉水瓶中的水在重力作用下，继续向下流，矿泉水瓶中形 成负压，在大气压作用下，a 箱中空气进人矿泉水瓶中，形成水气交换【1 】。 图1 1 饮水机内部结构照片 f i g 1 1 i n t e r i o rs t r u c t u r eo f d r i n k i n g m a c h i n e 这种水瓶上置的方法，桶装水的桶颈部分是与饮水机“聪明座”最紧密接触的地方， 一些厂家对瓶颈部分不严格消毒，密封性能不够，甚至使用劣质瓶盖，工人在运输过程 一1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 中，一提瓶颈，瓶盖会脱开。并且在瓶装水的饮用中，饮水机需“换气”才能出水，而 目前大多数简易饮水机聪明座进气孔无空气净化器，故不可避免地带入空气中的细菌、 灰尘，使饮水机和饮用水蒙受二次污染。 饮水机清洗的必要性：随着社会的进步，人们的生活水平也逐渐提高，能直接从饮 水机中取用纯净水或矿泉水已为广大城市居民的消费时尚，据有关部门统计，目前全国 大城市家庭使用饮水机达5 5 、单位达7 8 ，县级城市家庭使用饮水机可达3 0 、单位 达4 9 ，保守估计全国起码有几千万台，且入户率仍不断上升。饮水机虽然已在全国各 大城市普及，但人们只把卫生焦点集中在桶装水的质量上，却很少有人关注饮水机的消 毒问题。 饮水机的构造和外部环境决定了饮水机必须定期清洗消毒才能保证卫生健康。据水 处理专家李伸钦研究员报道，饮水机如长时间不消毒或不清洗，机内的出水胆会大量滋 生细菌病毒，沉积污垢、重金属甚至滋生大量红虫，严重危害人们身体健康。广东省环 境资源利用与保护重点实验室采样检测发现，在室温条件下，饮水机里的水第一天菌落 指数为零，到第十天居然攀登到了8 0 0 01 饮水机内产生“健康杀手”的原因在于饮水机 的内部结构。饮水机通常是桶装水的桶颈倒过来后放在饮水机的“聪明座”上，然后由 机内的软管将水倒入两个水胆内，其中一个是热水胆，另一个是冷水胆，这两个水胆除 了起到出冷热水的功能夕卜，它还可起到沉淀水中杂质的作用。人们通常不断重复更换桶 装水，却忽视了饮水机内胆还存有近1 0 0 0 毫升的水，这水中就会隐藏致病细菌，久而 久之，自然便成了细菌滋生的温床。不断繁殖的细菌被人饮用后会引发消化、泌尿、神 经系统等多种疾病。另一个不可忽视的污染源来自桶装水的桶颈部分，因为这是与饮用 水“聪明座”最紧密接触的地方。一些厂家对瓶颈部分不严格消毒，密封性能不够，甚 至是劣质瓶盖，工人在运输过程中，一提瓶颈，瓶盖会脱开，使饮用水遭n - - 次污染【2 1 ， 并且，桶装水在使用时，每放出一升水，就必定有一升体积夹杂细菌和尘埃的空气进入 桶内，造成饮用水的二次污染。 使饮水机致菌的原因主要有七个： ( 1 ) 长期不对饮水机进行消毒； ( 2 ) 抉水造成进水口与空气接触； ( 3 ) 存放空间狭小或不洁，空气不对流，地毯不常消毒； ( 4 ) 气温不适当，置于阴冷潮湿或阳光直射处易导致细菌繁殖： ( 5 ) 饮用水质不净或含菌； ( 6 ) 饮水机保养不够好，密封性差造成细菌入侵； ( 7 ) 水胆存水过多而长期不饮用。 纵观目前市场上众多品牌的饮水机，能解决二次污染的饮水机尚且不多，所以这就 要求饮水机必须定期清洗消毒，饮水机清洗器也就随之诞生。 - 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 研究发展现状 目前，解决饮水机二次污染问题的传统办法有：人工消毒法、紫外线灭菌法、过滤 膜灭菌法。近几年来，饮水机清洗器已经有了很大发展，各个公司及其研究单位对其不 断地进行改革使它们的结构、原理、功效等也各有不同，使用清洗器清洗饮水的方法在 慢慢流行。目前，市场上存在的饮水机清洗器类型大致为：净化空气式饮水机清洗器、 反冲式饮水机清洗器、喷淋式饮水机清洗器等。下面将各类方法简述如下： 1 2 1 饮水机传统消毒法 ( 1 ) 人工消毒法： 人工消毒法多采用消毒液灌淋、浸泡、流淌法等。我们以传统的饮水机消毒方法浸 泡消毒法来举例说明，浸泡法消毒、除垢操作方法如下：( a ) 先取下饮水机上五加仑水 桶，关闭电源。( b ) 打开饮水机专用消毒除垢药剂瓶盖，从聪明座a 处倒人药水。( c ) 打 开饮水机冷热水龙头c ，将水放入容器内，冷热水龙头不出水为止，关闭水龙头。( d ) 将 容器内的水从饮水机聪明座处再倒入饮水机内，如此循环二到三次。( e ) 接通电源打开 加热开关b ，加热2 0 分钟然后关闭开关。打开冷热水龙头将水放完，旋开机器背部 ( 立式) 或底部( 台式) 排水阀将残余水排尽再旋紧排水阀。( g ) 将水桶放置饮水机上，打开 冷热水龙头，各放水5 0 0 毫升( 除垢操作放水量适当增加) ，接通电源操作完毕。图1 2 中d 为冷热指示灯【3 】。 c c 图1 2 饮水机外部结构示意图 f i g 1 2 t h es k e t c h m a po f d r i n k i n g m a c h i n e se x t e r i o rs t r u c t u r e 浸泡消毒法存在着很多缺点： ( a ) 用于浸泡的消毒药剂一般都含氯成份，有刺激性气味，若冲洗不干净对人体有 害。 ( b ) 浸泡法因没有压力且消毒药液不能在饮水机内循环，对饮水机内胆、管壁、分 水管道等部位无法进行冲刷消毒及将污垢带出。 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( c ) 浸泡法由于要用水洗净饮水机内胆的消毒药液，每次均至少要用掉纯净水一桶， 造成不必要的浪费又容易弄脏场地、污染环境、影响工作和生活。 ( d ) 浸泡时间难以准确掌握，更难确保消毒效果。 ( 2 ) 紫外线灭菌法 4 1 ： 紫外线消毒机理：紫外线对于水的消毒灭菌主要是通过紫外线对微生物的辐射，生 物体内的核酸( 包括r n a 和d n a ) 颐j t 收了紫外线的光能，改变了d n a 的生物学活性导 致核酸的键和链的断裂、股间交联和形成光化产物，使微生物不能复制，造成致死性损 伤。d n a 和r n a 对紫外线吸收光谱范围为2 4 0 2 8 01 1 1 1 3 ，对波长2 6 0n m 的吸收达到最 大值。大量研究表明，波长在2 5 0 - 2 7 0 n m 范围内的c 波段紫外线对微生物灭活能力较 大，其中以2 5 4 2 5 7n m 为最大。c 波段紫外线会使细菌、病毒、芽孢及其它病原菌的 d n a 丧失活性，破坏其复制能力造成微生物死亡。 紫外线消毒存在的问题： ( a ) 国产紫外线灯辐射强度小、寿命短。紫外线光源的选择是决定u v 消毒器处理 水效果的关键问题之一目前国产的紫外线低压汞灯功率一般为3 0 , - - 4 0w ，强度为0 9 1 w m 2 ，有效寿命一般为1 0 0 0 - 3 0 0 0 h 。与国外相比，使用国产的低压汞灯的消毒器会增 加运行及维修费用。同时这也制约了我国紫外线消毒技术的应用。因此，函需研制高强 度、长寿命的紫外线灯。 ( b ) 缺少紫外线影响因素的综合研究。饮用水的消毒是关系到饮用者健康与安全的 大事。紫外线消毒效果的影响因素有很多。国内外对紫外线杀菌效果的单一影响因素研 究有很多，而对多种因素综合影响的研究却很少。这将导致选择u v 消毒器时有不合理 性，造成能量及资金的浪费或消毒效果不合格。因此，需要进一步可靠的研究，确定不 同情况下适宜的紫外线辐射剂量。 ( c ) 缺乏对单一菌种灭活的研究。微生物种类是影响紫外线消毒效果的主要因素之 一不同种类的微生物对紫外线照射的敏感性各异。目前对单一菌种的灭活情况研究还不 够，尤其是水中发现的特殊原生动物( 如梨形鞭毛虫、隐孢子虫属等) ，其灭活的最佳辐 射剂量还有待于进一步研究。 ( d ) 国产紫外线消毒器缺乏自动清洗功能。为了避免影响紫外线透过率，需要定期 清洗石英套管上粘附的杂质。国外的u v 消毒器中有的内置文丘里气动清洗装置，可以 自动清洗套管及简体内部，操作简单国产u v 消毒器缺乏这一功能，相比之下增加管理 费用。因此，需要进一步研究不同水质下的清洗周期，开发具有自动清洗功能的紫外线 消毒器。 ( e ) 微生物光复活的条件研究不够。微生物被紫外线损伤后，与光接触一段时间后 会发生光复活现象。目前，对光复活的机理和条件研究得很少，需要更进步钓可靠研 究，从而确定合理的紫外线辐射剂量以避免光复活现象的发生。 紫外线灭菌还存在技术、安装、维修等方面的问题，国内专家不建议使用。 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 过滤膜灭菌法 鉴于饮水机的二次污染主要是进入饮水机空气中的细菌引起的，因此，消毒过滤膜 技术需要对现在的普通饮水机的水、气交换系统进行改造，改分散型供气为集中供气， 如图1 3 所示，( a ) 为散型供气，( b ) 为集中供气。如“上工”牌w h - b i a 、w h - b 3 a 、w h - b 6 型饮水机则对聪明座内部结构进行了彻底改进，设计成全封闭型结构，使饮水机使用时 补充进入桶装水桶中的空气只能由唯一的进气通道进入，这就可直接采用上述方法。它 的消毒原理是对补充进入饮水机、桶装水的空气进行过滤、杀菌处理。 “) 敲盥供气c b ) 集中供气 图1 3 饮水机的供气类型 f i g 1 3 t h ea i rf e e dt y p eo f d r i n k i a gm a c h i n e 图1 4 饮水机过滤膜防二次污染装置 f i g 1 4 t h e f i l t r a t e m e m b r a n e d e f e n ds e c o n d p o l l u t es e t t i n g o f d r i n k i n g m a c h i n e 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 过滤膜防二次污染技术是在饮水机的进气通道口装有特制的空气杀菌过滤膜，如图 1 4 所示。此杀菌过滤膜来用复合结构，第一层是孔径为0 3 l l m 的触杀性多层过滤膜， 厚度约为lr n r f l 左右，此过滤膜采用本身具有杀菌作用的化纤类纤维，经杀菌剂浸泡处 理，吸附有杀菌剂，能迅速杀死所触及到的细菌、病毒，有效期为一年。第二层是孔径 为0 51 tm 的活性碳过滤膜，此膜是对已经杀菌处理的空气进行吸附过滤，阻止空气中 的灰尘进入机器内，进一步保证进人机器内空气的高度清洁【5 1 。 由于国内防二次污染饮水机的开发尚处于初始阶段，配套技术还有待进一步提高， 并且无法解决没有这些特殊装置的饮水机清洗问题，这样饮水机清洗器这种独立于饮水 机，适用于清洗各类饮水机产品的清洗法随之出现。 1 2 2 清洗器消毒法 ( 1 ) 净化空气式饮水机清洗器 针对现有饮水机工作时，桶内放出多少水，则需补充相应体积的空气，然而由于大 气污染及空气中的细菌，在饮水机工作的同时亦进入了洁净的桶装水中，伴随而来的桶 装水二次污染的问题。 6 ( a ) 结构示意图( b ) 俯视结构示意图 图1 5 净化空气式饮水机清洗器 f i g 1 5 c l e a r i n g m a c h i n e f o r d r i n k i n g m a c h i n e o f c l e a n s ea t m o s p h e r e 净化空气式饮水机清洗器的工作原理如图1 5 ( a ) 、( b ) 所示，图中标号元件分别为： 活性炭过滤器；空气分布管；右分隔腔；阀门；空气分布管；活性炭过滤 器：出气口。 该设备中空气首先经过活性炭过滤器过滤空气中的尘埃、并吸收空气中的有害化学 物质，如氮氧化合物、二氧化硫等，然后经过空气分布管进入右分隔腔中的氧化杀菌剂 中杀菌，氧化杀菌剂可为1 5 一5 0 h 2 0 2 ，随后再通过阀门和空气分布管进入消毒杀 毒剂中，消毒杀毒剂可为2 0 - - 5 0 的c 2 h 5 0 h ，进一步杀菌并除去夹带的氧化剂，最 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 后再通过活性碳过滤器和出气口，使洁净的空气进入桶装水中。 此消毒杀菌装置是在两个分隔腔体内设有氧化杀菌剂和消毒杀菌剂，当空气经过腔 体上所设的活性碳过滤器分别进入两个分隔腔体后，分隔腔体内的氧化杀菌剂和消毒杀 菌剂对进入的空气进行杀菌，经杀菌后的空气再进入饮水机的桶装水内，所以，此消毒 装置可解决饮水机的桶装水二次污染的部分问题【6 j 。 ( 2 1 反冲式饮水机清洗器 针对饮水机内部结构是封闭的，人工用消毒液灌林、浸泡、流淌的清洗方法很难得 到彻底清除污物，研制的利用反冲的原理对饮水机内部进行清洗的一套机械装置。 图1 6 反冲式饮水机清洗器工作原理示意图 f i g 1 6w o r k t h e o r y o f b o u n c e - b a c kc l e a r i n g m a c h i n e f o r d r i n k i n g m a c h i n e 反冲式饮水机清洗器的工作原理示意图，如图1 6 所示，图中标号元件分别为： 二位五通阀：空气压缩机：密封盛器：空气压缩机进口；空气压缩机出口： 密封盛器上口；密封盛器下口；阀门；阀门；消毒液； 饮水机。 该设备中包括一个二位五通阀、一个空压机和一个密封盛器，安装在一个箱体内， 如图中虚线所示。二位五通阀为通用阀门，当阀杆位于上位时，其1 号口与3 号口贯通， 2 号口与4 号口贯通；阀杆位于下位时，其1 号口与4 号口贯通，2 号口与5 号口贯通。 该装置中，二位五通阀的1 号、2 号口分别有管道接至空压机的进口与出口，二位五通 阀的4 号口有管道接至密封盛器的上口，二位五通阀的3 号、5 号口通至大气，密封盛 器的下口有管道分为二路各经一个阀门8 、9 分别接至消毒液和饮水机的放水口。 清洗时，先使二位五通阀的阀杆处于上位，此时l 号1 2 i 与3 号口贯通作为空压机的 出气口，2 号口与4 号口贯通作为空压机的进气i ；3 ，打开连通密封盛器和消毒液瓶的阀 门8 ，关闭连通密封盛器和饮水机的放水口的阀f - j9 。启动空压机把消毒液从消毒瓶吸 入密封盛器内，停止空压机；然后使二位五通阀的阍杆处于下位，此时l 号口与4 号口 贯通作为空压机的出气1 ：3 ，2 号1 ：3 与5 号口贯通作为空压机的进气1 ：3 ，关闭连通密封盛 器和消毒液瓶的阀门8 ，打开连通密封盛器和饮水机的放水1 ：3 的阀f - j9 ，再启动空压机， 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 向密封盛器内加压，消毒液从密封盛器进入饮水机反冲，在气体的压力下，消毒液对饮 水机的热水桶、管道、透气空、龙头、冷水桶连续发滚冲刷使污垢剥落，停止空压机； 再者，使二位五通阀的阀杆处于上位，启动空压机把消毒液从饮水机吸入密封盛器内， 停止空压机；最后，使二位五通阀的阀杆处于下位，打开阀门8 ，关闭阀门9 ，启动空 压机，向密封盛器内加压，消毒液从密封盛器回到消毒液瓶。更换消毒液，反复清洗消 毒干净后，用纯净水将消毒液洗净，其主要特点是利用二位五通阀改变消毒液的流向， 同时利用空压机驱使消毒液对饮水机反冲和回收消毒液，从两实现了机械清洗，与人工 清洗相比，效果较好【7 j 。 ( 3 ) 喷淋式饮水机清洗器 喷淋式饮水机清洗器的工作原理是：将消毒剂通过消毒剂注入口状如消毒器的内 胆，通过增压泵加压把消毒剂送至饮水机聪明座入水口，经饮水机内的分水盆、水胆至 排污口，将饮水机内的细菌杀灭，无垢、沉淀物冲出机外，在经过滤器过滤后将消毒剂 经泵吸回消毒器内胆，再循环使用。 4 ( a ) 立体图( b ) 消毒循环路线图 图1 7 喷淋式饮水机清洗器结构示意图 f i g 1 7 s t r u c t u r es k e t c hm a po f s p r a yc l e a r i n gm a c h i n ef o rd r i n k i n gm a c h i n e 喷淋式饮水机清洗器的结构如图1 7 ( a ) 、( b ) 所示，图中标号元件分别为：控制面 板；消毒剂注入口；增压泵；消毒器内胆；流量控制阀；聪明座专用接嘴； 过滤器：排污口多用接嘴；增压泵；饮水机。 该设备中包括壳体、喷淋循环装置、电源连接部分、控制面板，壳体中装有电源连 接部分、喷淋循环装置，壳体上有一控制面板，壳体上部设有储物箱、消毒剂注入口。 所说的喷淋循环装置，包括两台增压泵，其中一台增压泵3 的一端通过流通管与消毒器 内胆相连，另一端与壳体的外部的流量控制阀、聪明座专用接嘴相通，聪明座专用接嘴 连接饮水机聪明座，另一台增压泵9 一端通过流通管连接过滤器、排污口多用接嘴，在 过滤器、排污口多用接嘴之间的流通管上设有流量控制阀，流量控制阀是用来控制消毒 8 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 剂流量，排污口多用接嘴届饮水机的排污口【”。 1 3 课题研究任务 1 3 1 课题研究内容 通过上述研究内容分析讨论可知，研发一种新型、无污染、高效率、成本低、体重 小的饮水机清洗器十分必要。本课题压力反冲式饮水机清洗器的研发目标就是要采用新 技术，使饮水机清洗器达到更令人满意的清洗效果。 课题的主要任务如下： ( 1 ) 对新型饮水机清洗器结构进行创新设计； ( 2 ) 根据设计方案加工成型： ( 3 ) 样机的调试分析与测试； ( 4 ) 采用实验方法确定并验证新设备的消毒效果； ( 5 ) 运用计算软件对清洗时饮水机水胆内部的气液流动状态进行模拟仿真，计算臭 氧水对水胆内壁的冲击力。 1 3 2 课题研究的可行性 现代社会t 通讯、网络等现在设施加速了信息的流通与资源共享，我们可以通过其 方便快捷的查询所需要的资料。学校的图书馆也收藏了大量各类图书，可以从中获取相 关资料。沈阳惠普生科技有限公司提供新型饮水机清洗器进行加工制造条件。研究所中 的恒温培养箱、离子交换水机、蒸汽灭菌锅、显微镜等实验设备保证试验的顺利进行。 1 4 本章小结 在本章中，首先对饮水机饮用水卫生状况进行了分析，肯定了压力反冲式饮水机清 洗器研发的必要性和可行性，接着分析了饮用水清洗的现状，再者介绍本课题研究的主 要内容并提出了课题得以顺利进行的可行性。 9 东北大学硕士学位论文第二章饮水机清洗器的研制 第二章饮水机清洗器的研制 2 1 总体方案确定 2 。i i 清洗药品的确定 目前人们常用来消毒的药品有效成分以二氧化氯、双氧水为多。二氧化氯成本低。 但残留不易清洗；双氧水残留易清洗，但价格高。使用二氧化氯消毒时，用5 0 1 0 0 r n g i 的浓度消毒5 分钟，即可达消毒目的。使用双氧水消毒时用1 5 左右的浓度消毒5 分 钟也能满足要求。另外醛类消毒剂如甲醛、二醛杀菌能力很强但刺激性气味大，且不易 清洗价格较贵【9 j 。 臭氧( 0 3 ) 是强氧化剂、杀菌消毒剂、催化荆、脱色齐j 和除臭剂。臭氧技术是治理环 境和水质污染的关键技术，是二十一世纪环境科学四大关键技术之一，普遍应用于空气、 水、物体表面的消毒以及油烟净化等方面。 在水处理方面主要应用于水厂、水塔、水箱、蓄水池、游泳池及污水处理。臭氧应 用特点：氧化能力强，反应速度快：对细菌、病毒、芽胞、软体微生物等有极强的杀灭 作用：氧化农药毒素，降低水中b o d ，c o d ；臭氧的原料取自空气中的氧，完成工作 后又还原成氧，增加水中溶解氧，没有二次污染；可改善水的理化性质，有良好的脱色、 除臭、除异味作用；用臭氧消毒杀菌不会产生有毒的三氯甲烷及致癌有机卤化物副产品， 不存在任何对人畜有害的残留物1 1 0 1 。 通过上述分析，确定采用臭氧水作为清洗药品，臭氧的制取采用臭氧发生器。 2 1 2 冲洗方式的确定 本节的主要工作是确定新型饮水机清洗器的冲洗方式对该清洗器的结构、性能、 功能及形成过程等作详细的介绍。 该饮水机清洗器为了便于清洗公司员工上门服务，设计时必须使其体积小，重量轻。 要使重量轻就要从清洗器的主要部件水泵、气泵、臭氧发生器等下手，尽量选择效率高、 体积小、重量轻的元件，对其在箱体的位置，进行合理安排，使其尽量减小体积。为了 达到饮水机清洗器的预想效果，我们设想了以下几种方案。 ( 1 ) 采用微孔布气管，增加臭氧与水的接触面积，边充气边开动水泵，循环冲刷， 水泵选用磁力泵，防止腐蚀。这种方法存在的缺点是：臭氧水浓度可能不高，杀菌消毒 效果不一定理想。 ( 2 ) 用拉筏尔管，进行水气混合杀菌消毒。在聪明座接头添加一个拉筏尔管形式的 接头，产生负压，将臭氧加入到水中，产生水气混合物。其连接如图2 1 所示： 】0 东北大学硕士学位论文 第二章饮水机清洗器的研制 图2 1 拉筏儿管连接图 f i g 2 1 t h el i n kf i go f l a f e rd u c t 这种方法存在的问题：臭氧从饮水机上部打入，且饮水机聪明座下存在较大圆柱形空间， 在含有臭氧气体的水流到此处后臭氧会大量从水中溢出，可能只有很少量的臭氧随水流 一起进入到冷热水胆。另外由拉筏尔管产生负压，要计算其结构形式，有些繁琐，加工 也不容易。 ( 3 ) 将气泵与臭氧发生器串连，用气泵将臭氧发生器产生的臭氧通过排污口吹入到 饮水机中，水气共同杀菌消毒。臭氧气体从饮水机下部进入，如图2 2 所示： 图2 2 设计方案3 的连接示意图 f i g 2 2 l i n ks k e t c hm a po f d e s i g np r e c e p t3 这种方法存在的缺点是：由于臭氧的分子量较大且为气态，故臭氧气体进入热水胆后， 不能弥漫整个空间，影响了消毒杀菌的效果，但循环的臭氧水可以循环进入到热水胆。 东北大学硕士学位论文 第二章饮水机清洗器的研制 f 4 ) 压力反冲式清洗法即将气泵与水箱结合，臭氧水通过聪明座从上注入水胆中， 然后使用气泵从排污口进行鼓气冲刷。这种方法使臭氧和水在混合时注入了饮水机内， 消除了臭氧边溶解边分解一直达不到消毒效果的可能。气泵从排污口中鼓气，有利于反 冲刷的进行。 压力反冲式清洗法的循环路线如图2 3 所示，图中标号元件分别为：臭氧发生器； 阀门；过滤器；磁力循环泵；聪明座接口；排污口接口；污物过滤器； 阀门；迷你空气压缩机；饮水机； 水箱。 图2 3 压力反冲式饮水机清洗器循环路线图 f i g 2 3 c i r c l ef i go f p r e s s u r eb o u n c e - b a c kc l e a r i n gm a c h i n ef o rd r i n k i n gm a c h i n e 通过对各种方案的比较与分析，第四种方案具有一定的可行性和优越性。因此，我 们就此方案进行设计与加工制造。 2 2 饮水机清洗器的设计 2 2 1 电路设计 饮水机清洗器的电路连接如图2 4 所示。在安装时的注意事项为以下四点： ( 1 ) 箱体绝缘电阻不小于1 兆欧； ( 2 ) 各个电器部件的连接线按其使用说明书进行实际接线； ( 3 ) 做好绝缘措施，防止接线部位漏电； ( 4 ) 要防止水进入到接线部分和各电器部分。 - 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章饮水机清洗磊的研制 图2 4 清洗器电路连接图 f i g 2 。4 c i r c u i tl i n kf i go f c l e a r i n gm a c h i n e 累数器在该设备中可以指明清洗的次数，有利于公司管理，防止盗用，其连接方式 如图2 5 所示，指示灯的安装清晰的表明该清洗器的工作状态，计时器方便了时间的控 制，风扇可降低设备元件温度，以保证设备正常工作。 图2 5 累数器连接图 f i g , 2 5l i n k 埏o f a c c u m u l a t ec o u n tm a c h i n e 当开关手柄与左侧相连时，水泵开始工作，开始往饮水机的冷热水胆中注入臭氧水， 当开关手柄与右侧相连时气泵、累数器、风扇、计时器等开始工作，向饮水机内部进行 压力反冲。开关手柄处于中闯位置时，清洗起停止工作。 2 2 2 结构设计 为了便于携带，以紧凑为原则，安排清洗器各元件，c a d 总装图如图2 6 所示： 1 3 东北大学硕士学位论文 第二章饮水机清洗器的研制 图2 6 清洗器总装配图 f 2 - 6t h ea l la s s e m b l ep i c t u r eo f c l e a r l n gm a c h i n e 其主要元件列表如表2 1 所示，清洗器总重大约在1 0 k g 左右，外形尺寸为：3 2 0 2 3 4 x 3 2 0 m m 3 ，结构紧凑，外形小巧，携带起来相当方便。 表2 ，1 饮水机清洗器主要元件表 t a b l e2 - 1m a i nc o m p o n e n t o f c l e a r i n gm a c h i n ef o rd r i n k i n gm a c h i n e 蔓至尘鎏l 垄整 塑重型垫 重量鱼壁 1 m p 6 r z 氟塑料磁力泵 1 5 k g 外购 2 g b t 6 5 6 2 - 1 9 8 6 十字槽半沉头自攻紧螺钉m 62 3 q x ；- 0 1 支架l 焊接图1 5 妇 4 手动阀与回水管水嘴间塑料 外购由1 0 5 l f 0 2 臭氧发生器l 1 2 k g 外购 6 g b 8 1 8 - 8 5 h 螺钉m 3 1 22 7 g b 8 1 8 - 8 5 h 螺钉m 4 82 8 g b f f 6 17 0 - 2 0 0 0 螺钉m 42 9 臭氧发生管l 外购 1 0 s f 8 0 2 5 a t 风扇 l 外购 1 4 查! ! 垄兰堕主兰竺丝查 笙三主竺查垫煎妻墨箜堑丛 定量垡量 垒整塑量 盟型 重量鱼坠一 1 la c 0 0 1 b空气压缩机 1 3 5 埝 外购 1 2管接头 3外购 1 3g b 8 1 8 - 1 9 8 5螺钉m 5 1 0 2 14g b t 6 1 7 0 - 2 0 0螺钉m 5 2 1 5金属硬管 l 接头1 ，2 1 6j d m l l 6 h累加计数器l外购 1 7 l a 4 2 ( b 、p d i i 开关按钮 3外购 1 8 四通阀与饮水机间塑料软管 2由1 0 1 9四