一种水箱自动清洗装置

韩富强， 石金明， 雍昊臣， 吴坤霖， 翟小丹

（合肥工业大学 机械工程学院，合肥230009）

0 引 言

目前小区高层住宅二次供水普遍使用水箱，而随着这种供水方式的大范围应用，水箱水质问题逐渐引起社会的关注。

通过调查发现，高层住宅供水污染现象严重，目前大多数社区的二次供水系统已逐渐落后。许多小区内的二次供水水箱缺少智能化清理装置，定期的人工清理难以满足小区的水质安全保障，同时人工清理工作量大，清洗效率不高，清洗不够及时，严重威胁到居民用水安全。

本文介绍了一种水箱自动清洗装置。该旋转出水装置适用于高层住宅二次供水水箱的清洁。得益于水流自身的作用，该旋转出水装置可以在水箱中安全使用，同时更好地提高清洁效率。

图1 总装结构图

1 水箱自动清洗装置的总装结构

水箱自动清洗装置的总装结构如图1所示。

2 水箱自动清洗装置的整机系统

出水装置的主体可分为减速出水系统和控制系统。本文的水箱自动清洗装置可实现半径1～2 m范围的空间内的清洗，对于尺寸为2 m×2 m×2 m的立方体水箱，只需在中心顶部安装一个自动清洗装置即可。自动清洗装置上下升降，可实现全壁面的清洗。当水箱水质经检测需要清洗水箱时，高层住宅水箱会停止向居民供水，此时清洗装置位于水箱顶端，水箱水位低于清洗喷头。水箱内剩余的水量一部分直接排出箱外，另一部分提供给清洗装置进行第一次粗清洗，当完成第一遍由上而下的清洗后，清洗装置开始外接水源（可有水管提供）实现多次上下往复清洗作业，清洗后的水直接排出箱外，直至水质检测达到标准，停止清洗作业，清洗装置收缩至水箱顶部，水箱蓄水，开始正常供水。

2.1 减速出水系统

减速出水系统如图2所示。经实验验证，旋转喷头旋转速度越高，水流冲击清洗效果反而下降，故旋转速度在一定范围内冲击效果最佳。拉力弹簧将减速片与平衡块连接，两侧弧形面减速片贴合在进水接头表面，在拉力弹簧拉力作用下进水接头上产生径向的压力。静止时，平衡块在水平面下方，当流量一定时，通过更改喷水管出水口口径，水流速度增大，离心力作用下平衡块向上摆动，从而增大在接头表面产生摩擦力及其产生的摩擦力矩。摩擦力矩与喷水口水流冲击作用力产生的力矩平衡，从而实现装置的限速及速度调节。可通过更换不同弹性刚度的拉力弹簧来实现不同速度区间的转速调节，达到最佳的清洗效果。

图2 减速系统结构

该旋转出水装置采用升降铰链在水箱顶部安装，由电动机驱动铰链运动使出水装置随铰链上下移动，使得该装置能够清洗任意高度的水箱壁面污垢，保证了无死角清洗。

2.2 测量控制系统

2.2.1 pH值检测原理

通常利用电位法测量pH值，通过将银-氯化银电极作为参比电极，玻璃电极作为指示电极，利用复合电极与待测溶液发生的原电池反应，测得溶液pH值，当测得的pH值超过阈值时即启动电动机开始水箱清洗作业。

2.2.2 浊度值检测原理

通过接受红外光线在待测溶液的散射光线的强弱来衡量溶液的浑浊程度，当浊度大于阈值时启动水箱清洗功能。

2.2.3 含氯余量检测原理

利用余氯传感器测量溶液含氯余量，输出与次氯酸浓度成正比的电流信号，当检测超出设定的含氯余量的阈值后则启动水箱清洗功能。

2.2.4 控制方法

针对水质的监测，我们对水的pH值、水的浊度、余氯量等3方面指标进行检测。根据《生活饮用水卫生标准》的规定，自来水pH值应位于6.5～8.5间，余氯量应大于0.05 mg/L，浊度应低于0.5 NTU，因而我们将pH的预警值下限设为7.0，上限设为8.0，余氯含量预警值设为0.6 mg/L，浊度预警值设为0.4 NUT。

对于浊度值与含氯余量则直接购买现有测量仪器，接入控制系统中。系统检测控制结构如图3所示。

实时检测水质情况，当水质参数不满足要求时，控制系统发出信号，启动电动机，压力泵开始工作，水箱开始自动清洗作业。

图3 控制系统结构

3 水箱自动清洗装置的工作原理

高压水流从两侧旋转喷头喷出产生旋转力矩，带动中心导轨转动，离心力使得减速块径向滑动与外保持架接触摩擦减速，最终实现速度均衡。调整与减速块末端连接的定位螺母旋合深度，使得在静止状态下减速块摩擦端与外保持架内摩擦面距离改变，从而改变两表面接触所需离心力，进而使得两表面接触减速时中心导轨达到所需的稳定速度，实现中心导轨的速度调节。

4 清洗系统动力计算分析

已知泵源总功率

式中：W0为泵源总功率，kW;P为输入端的压力，MPa;Q为输入流量，L/min。

在泵源连接旋转喷头间存在高压胶管，高压胶管管路存在功率损失，损失功率为

式中：ΔW为损失功率，kW；Q为输入流量，L/min;h为管总长度，mm;D为高压管内径，mm;Re为雷诺数，在此例中Re=11165Q/D。

喷头高压胶管相连，在喷头处存在功率消耗，消耗功率为

式中：W1为消耗功率,kW；Tm为空气阻力对旋转喷头阻力矩，Tm=Cdθ/dt, 其中C为常数,kN·m；T0为旋转喷头内部摩擦力矩，其值为常数,kN·m；ω为旋转喷头旋转的角速度，rad/s。

对旋转喷头进行功率分析，当其达到稳定转速时，从两个喷头中流出来的射流总功率为

将式（1）、式（2）、式（3）代入式（4）得

对单位时间Δt内单股射流进行分析，其功率为

式（6）化简后，得

式中：W2为功率，kW；ρ为水的密度，kg/m3;A为喷头的面积，mm2。

则有

将式（5）、式（7）代入式（8）后整理，得

经计算可得出泵入流量与旋转速度之间的关系。

经对比验证，泵原流量Q 在35、25、15、5 L/min下，清洗效果逐渐降低，转速降低，系统损耗降低，清洗装置使用寿命增加。

5 结 论

设计了一种水箱自动清洗装置，介绍了旋转出水装置的主体结构与工作过程。针对水箱自动清洗装置的减速出水和控制功能进行阐述分析，同时对清洗系统进行了动力计算。结果表明：该装置结构设计合理，运行时平稳可靠，能够完成日常高层二次供水水箱的清洗。与现存的人力清洗相比，该旋转出水装置的优势在于稳定高效、节约人力资源。该水箱自动清洗装置以其独特的功能，解决了日常生活中二次供水水箱清洗难的问题，为二次供水水箱的清洁提供了保障。