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摘 要：本净水装置将杠杆、气缸和水缸结合作为增压装置，分别将陶瓷滤芯和超滤膜作为第一、二级过滤层。当活塞在气缸内做往复运动时实现抽、吸功能，进而产生正、负压力（相对于大气而言），我们利用这两种过程迫使原水（未净化的水）分别通过一、二级过滤层，配以单向阀使水单向流通，实现原水的净化。抽吸时压力差达到一级过滤压差时，将使原水通过第一级过滤层，并进入缓冲水缸存储起来；压缩时压力差达到二级过滤压差时，将使一级过滤水离开缓冲水缸并通过二级过滤层，如此往复循环便可源源不断地制取饮用水。既可以作为灾区的应急救生装置又可作为野外游玩用的便携式净水器。
關键词：杠杆；活塞气缸；单向阀；陶瓷滤芯；超滤膜
1. 引言：当下野外游玩已逐渐成为人们热爱的户外活动，但是随之而来的便是野外饮水问题，由于人们携带的水量有限，野外可能很难找到补给饮用水的超市，而且人们想进行野炊时也会需要大量饮用水。另一方面，当某地发生自然灾害时如地震、山洪等，如果道路桥梁等交通设施遭到破坏，导致该地交通瘫痪、缺水断电，解决饮用水的问题则成为当务之急。
野外有很多天然的水资源如湖水、河水、溪水等，但它们含有大量杂质和病菌等不能直接饮用。而目前市场上的净水器大多都由电力驱动，或者仅限于室内自来水的净化之用，因而在上述情况下就不能发挥作用。因此我们设计了一种无需电力驱动、利用机械原理直接驱动净水过程的装置，能够利用自然水源及时制得饮用水，对于人类的生命健康安全具有重大意义。
2.设计内容
主要设计两大装置：增压装置和过滤装置。我们采用往复活塞式气缸来产生压差，利用陶瓷滤芯和超滤膜进行过滤。通过施加于杠杆上的力驱动气缸运作进而产生所需要的压力差迫使原水通过两级过滤层。
2.1装置示意图
净水装置原理示意图如图1所示，实物图如图2所示。
1.原水入口；2.一级过滤层；2a.滤芯管壳；2b.陶瓷滤芯过滤层；3.第一水路；3a.第一单向阀；4.带有缓冲水缸的活塞装置；4a.缓冲水缸；4b.气缸；4c.活塞杆；5.第二水路；5a.第二单向阀；6.二级过滤层；6a.滤芯管壳；6b.超滤膜； 7.净水出口；8.杠杆；8a.立杆；8b.螺栓铰接；8c.横杆；8d.螺纹接头
图1 净水装置结构原理示意图
1. 原水入口管；2.净水出口管；3.增压管；4. 第一水路；5.第二水路；6.排污管；7.第一单向阀；8.缓冲水缸；9.第二单向阀
图2 净水装置实物图
2.2 装置工作过程示意图
净水装置的理想工作循环示意图如图3所示。
图3 净水装置理想工作循环示意图
1-2过程：杠杆上提，活塞向上运动，缸内压力减小，膨胀阀2关闭，压缩空气由P2迅速膨胀至P0（大气压），进而膨胀到抽水压力P1（P2>P0>P1），即图中的2点；
2-3过程：杠杆继续上提，活塞继续向上运动，单向阀1打开，在压差作用下原水进入一级过滤层并通过一级过滤层进入缓冲水缸，直至活塞上移至顶点，抽水过程结束，对应图中3点；
3-4过程：杠杆下压，活塞向下运动，压缩气缸内空气直至达到排水压力P2，对应图中4点；
4-1过程：杠杆继续下压，活塞继续向下运动，单向阀2打开，缓冲水缸内的水排出水缸，经过单向阀2进入二级过滤层，并伴随着净水流出净水出口管，直至活塞达到最大压缩位置，对应图中1点；
通过上提和下压杠杆即可完成一个循环，上提杠杆实现一级过滤过程（图中3-4-1），即原水通过陶瓷滤芯进入缓冲水箱的过滤过程；下压杠杆实现二级过滤过程（图中1-2-3），即缓冲水箱中的一级过滤水通过超滤膜流出装置的过程。经过反复上提、下压杠杆便可实现连续制水过程。
2.3杠杆水泵设计说明
2.3.1一级过滤过程：
即图3中1-2-3过程，杠杆向上提，活塞向上运动，此过程原水进入陶瓷滤芯通过第一单向阀进入缓冲水缸。一级过滤层正常工作压力差为0.03Mpa ，则可计算出活塞处承受的压力为
其中： FP—活塞杆提升时由压差产生的力；
？驻P —活塞上下侧产生的压力差，0.03Mpa；
D—活塞直径，35mm.
在杠杆上进行受力分析并运用杠杆定理进行计算得出人作用于杠杆的力为F2=17.9N。
2.3.2二级过滤过程：
即图3中3-4-1过程，杠杆下压，活塞向下运动，此过程一级过滤水离开缓冲水缸通过单向阀2进入二级过滤层，通过二级过滤层排出净水装置。二级过滤层正常工作压力差为0.1Mpa，受力分析过程同一级过滤过程，最后计算得出人向下作用于杠杆的力约为43.1N。
由上面计算结果说明人手作用于杠杆上的力在合理范围之内，采用该装置连续制水时并不会造成太大的体力消耗，实际测量时一、二级过滤过程人作用于杠杆上的力分别为16.4N和41.1N，在合理误差范围之内。
2.3.4缓冲水缸的容积计算说明：
缓冲水缸的作用是缓存经过一级过滤层过滤后的水，为保证气缸的气密性，不让水进入气缸破坏润滑。为了满足此条件，只需使活塞上移至最高位置时通过一级过滤层的水量不超过水箱容积即可。
用试算法确定水缸容积。经试算，取水缸容积为V2=43ml时分析如下：
考虑一种极限情况：活塞下移至气缸最低位置，此时水缸内的水恰好排完，绝对压力为 的空气充满水缸（P0为大气压力，0.1Mpa）。然后活塞上移，直至膨胀至抽水压力P1，利用理想气体状态方程：
计算得出V1=122.8ml.
活塞继续上移则为抽水过程，最大抽水量为 V抽max 2.3.5理论出水量计算：
按上面计算结果，通过一级净水器的最大抽水量即为整个装置的制水量，考虑部分泄露，按35ml计算，即每个抽吸过程完成后有43ml的净水产出，如果按频率f=10次/min，计算，每小时的产水量约为25.8L，相当可观。 2.4过滤装置说明
装置采用两级过滤。
本装置中的一级过滤层采用的是陶瓷滤芯。过滤精度0.1-0.5微米，屬微滤范围。陶瓷滤芯主要用于对原水的过滤、抗菌和活化处理，可除去水中的可溶解性的重金属离子、悬浮污染物、以及大部分细菌等。陶瓷滤芯选用的是纯天然的硅胶材料，可抵受强大水压及苛刻的过滤环境，滤芯寿命长。而且陶瓷滤芯还有一个强大的优点就是不怕堵塞，能够适应水质非常恶劣的情况，易于再生，可用毛刷涮洗，砂纸打磨，净水冲刷或反洗。由于陶瓷滤芯的可反复清洗性和周期产水量回复率高，因而使用寿命很长。
（注：周期产水量恢复率= 100% ，见参考文献[1]）
本装置中的二级过滤层采用的是超滤膜。过滤精度0.001-0.02微米，属超滤范围。由于自然水源病菌较多，最小的细菌有0.2微米，因此使用陶瓷滤芯未必能过滤掉全部病菌，超虑膜的作用就是过滤掉一级过滤水中剩余的病菌。实践证明超滤膜的效果非常好。由于经过陶瓷滤芯初步过滤后的水质已相当高，所以超滤膜的使用寿命并不会受到太大的影响，超滤膜的过滤原理与陶瓷滤芯类似，具体使用效果可参见文献[2]。
本装置中采用的陶瓷滤芯和超滤膜都是采用市场上已经标准化生产的产品，当陶瓷滤芯经过一定次数的清洗后效果有所下降就可更换滤芯。
2.5误差分析
实际上由于手动的误差，不可能严格将活塞处压差控制在理想状态，因而图3所示的的理想工作过程只是便于分析使用。实际上对于过滤过程而言，只要过滤层两侧存在压差过滤现象就会发生（高压侧水分子流向低压侧），但是压力过小过滤现象不明显，随着压力的增大过滤过程会逐渐加快，但当压力超过某一值时再增大压力过滤量也不会增加很多。因为对于一个过滤层（比如陶瓷滤芯）来说上面的微孔数目是一定的，随着压力的增大，开始时通过微孔的水分子会逐渐增多，之后由于水分子充满微孔造成“拥堵”，并且会有更多的杂质堵塞微孔，压力再增大出水量也不会继续增加，反而随着时间的延长，堵塞现象更加严重，出水量反而下降。因此上面产水量的计算值偏大，实际上每个小时的产水量应低于25.8L。
由于陶瓷滤芯的初级过滤精度已经相当高，接近于生活饮用水标准，因此二级过滤层—超滤膜的过滤负荷并不很大，主要是过滤更细小的病菌。
3.实验结果说明
3.1 制水量实验
取武汉市黄家湖的水作为过滤用原水，实验水温25℃，过滤水的水量随抽吸次数的变化数据拟合曲线如图5所示（完成一个抽吸过程为一次）。
由图5可以看出，前面几次的抽吸过程为“排空”（即排出装置内空气）阶段，制水量为零，排除完装置内的空气后制水过程才开始进行。制水初始阶段出水量平稳且出水量大，这是因为初始阶段过滤层堵塞较轻，参见曲线a；随着时间的进行或者说随着过滤水量的增加，过滤层堵塞现象逐渐加重，制水速率逐渐减小，实验测得当制水量超过6L以后出水量就很小了，参见曲线b.因为陶瓷滤芯先与原水接触并承担第一级过滤，因而堵塞现象主要发生在陶瓷滤芯上，这时就需要对陶瓷滤芯进行清洗。
a——初始阶段净水装置产水量随抽吸次数的变化；
b——制水量超过12L后净水装置产水量随抽吸次数的变化；
图5 净水装置过滤水量随时间的变化
3.2 制水质量实验
净水装置过滤武汉市黄家湖水水质检测结果如表4所示。
实验结果表明净水装置对水中总菌落数去除率在99.93%以上，出水细菌总数在0～4cfu/ml之间，对大肠杆菌的去除率为100%，出水色度和浊度也符合标准饮用水规范【5】。
4.结语
经分析该净水装置具有以下突出优点：
1）机械装置，手动操作，不消耗一、二次能源，节能环保；
2）相较于市场上的传统净水器而言，该装置打破了传统的室内小型净水器的局限性，使小规模净水扩展到室外，且体积较小便于携带；
3） 滤芯可清洗、可更换，使用寿命长，且出水量较大；
4） 特别适用于缺水断电的野外、灾区等环境比较恶劣的地方，对人类的生命健康安全具有突出保障，具有极高的社会价值和意义。
因此该装置既可以作为一种灾区的应急救生设备加以推广应用，还可以对结构加以改进作为一种野外游玩用的净水设备及时补充饮用水。
参考文献
[1] 丁一，梁恒国. 陶瓷滤芯制备饮用水试验分析[J].解放军理工大学学报，2007，8（1）：86-89.
[2] 王锦，王晓昌. 超滤膜直接过滤水处理试验研究[J].西安建筑科技大学学报.2001，33（1）：51-55.
[3] 彦启森，石文星，田长青.空气调节用制冷技术[M].中国建筑工业出版社. 2010
[4] 陶平. 机械设计基础[M]. 华中科技大学出版社. 2012
[5] GB5749-2006，生活饮用水卫生标准[S].北京：中华人民共和国卫生部，2006
作者简介：化豪爽（1993-），男，汉族，籍贯：河南省正阳县、武汉科技大学本科生。
關键词：杠杆；活塞气缸；单向阀；陶瓷滤芯；超滤膜
1. 引言：当下野外游玩已逐渐成为人们热爱的户外活动，但是随之而来的便是野外饮水问题，由于人们携带的水量有限，野外可能很难找到补给饮用水的超市，而且人们想进行野炊时也会需要大量饮用水。另一方面，当某地发生自然灾害时如地震、山洪等，如果道路桥梁等交通设施遭到破坏，导致该地交通瘫痪、缺水断电，解决饮用水的问题则成为当务之急。
野外有很多天然的水资源如湖水、河水、溪水等，但它们含有大量杂质和病菌等不能直接饮用。而目前市场上的净水器大多都由电力驱动，或者仅限于室内自来水的净化之用，因而在上述情况下就不能发挥作用。因此我们设计了一种无需电力驱动、利用机械原理直接驱动净水过程的装置，能够利用自然水源及时制得饮用水，对于人类的生命健康安全具有重大意义。
2.设计内容
主要设计两大装置：增压装置和过滤装置。我们采用往复活塞式气缸来产生压差，利用陶瓷滤芯和超滤膜进行过滤。通过施加于杠杆上的力驱动气缸运作进而产生所需要的压力差迫使原水通过两级过滤层。
2.1装置示意图
净水装置原理示意图如图1所示，实物图如图2所示。
1.原水入口；2.一级过滤层；2a.滤芯管壳；2b.陶瓷滤芯过滤层；3.第一水路；3a.第一单向阀；4.带有缓冲水缸的活塞装置；4a.缓冲水缸；4b.气缸；4c.活塞杆；5.第二水路；5a.第二单向阀；6.二级过滤层；6a.滤芯管壳；6b.超滤膜； 7.净水出口；8.杠杆；8a.立杆；8b.螺栓铰接；8c.横杆；8d.螺纹接头
图1 净水装置结构原理示意图
1. 原水入口管；2.净水出口管；3.增压管；4. 第一水路；5.第二水路；6.排污管；7.第一单向阀；8.缓冲水缸；9.第二单向阀
图2 净水装置实物图
2.2 装置工作过程示意图
净水装置的理想工作循环示意图如图3所示。
图3 净水装置理想工作循环示意图
1-2过程：杠杆上提，活塞向上运动，缸内压力减小，膨胀阀2关闭，压缩空气由P2迅速膨胀至P0（大气压），进而膨胀到抽水压力P1（P2>P0>P1），即图中的2点；
2-3过程：杠杆继续上提，活塞继续向上运动，单向阀1打开，在压差作用下原水进入一级过滤层并通过一级过滤层进入缓冲水缸，直至活塞上移至顶点，抽水过程结束，对应图中3点；
3-4过程：杠杆下压，活塞向下运动，压缩气缸内空气直至达到排水压力P2，对应图中4点；
4-1过程：杠杆继续下压，活塞继续向下运动，单向阀2打开，缓冲水缸内的水排出水缸，经过单向阀2进入二级过滤层，并伴随着净水流出净水出口管，直至活塞达到最大压缩位置，对应图中1点；
通过上提和下压杠杆即可完成一个循环，上提杠杆实现一级过滤过程（图中3-4-1），即原水通过陶瓷滤芯进入缓冲水箱的过滤过程；下压杠杆实现二级过滤过程（图中1-2-3），即缓冲水箱中的一级过滤水通过超滤膜流出装置的过程。经过反复上提、下压杠杆便可实现连续制水过程。
2.3杠杆水泵设计说明
2.3.1一级过滤过程：
即图3中1-2-3过程，杠杆向上提，活塞向上运动，此过程原水进入陶瓷滤芯通过第一单向阀进入缓冲水缸。一级过滤层正常工作压力差为0.03Mpa ，则可计算出活塞处承受的压力为
其中： FP—活塞杆提升时由压差产生的力；
？驻P —活塞上下侧产生的压力差，0.03Mpa；
D—活塞直径，35mm.
在杠杆上进行受力分析并运用杠杆定理进行计算得出人作用于杠杆的力为F2=17.9N。
2.3.2二级过滤过程：
即图3中3-4-1过程，杠杆下压，活塞向下运动，此过程一级过滤水离开缓冲水缸通过单向阀2进入二级过滤层，通过二级过滤层排出净水装置。二级过滤层正常工作压力差为0.1Mpa，受力分析过程同一级过滤过程，最后计算得出人向下作用于杠杆的力约为43.1N。
由上面计算结果说明人手作用于杠杆上的力在合理范围之内，采用该装置连续制水时并不会造成太大的体力消耗，实际测量时一、二级过滤过程人作用于杠杆上的力分别为16.4N和41.1N，在合理误差范围之内。
2.3.4缓冲水缸的容积计算说明：
缓冲水缸的作用是缓存经过一级过滤层过滤后的水，为保证气缸的气密性，不让水进入气缸破坏润滑。为了满足此条件，只需使活塞上移至最高位置时通过一级过滤层的水量不超过水箱容积即可。
用试算法确定水缸容积。经试算，取水缸容积为V2=43ml时分析如下：
考虑一种极限情况：活塞下移至气缸最低位置，此时水缸内的水恰好排完，绝对压力为 的空气充满水缸（P0为大气压力，0.1Mpa）。然后活塞上移，直至膨胀至抽水压力P1，利用理想气体状态方程：
计算得出V1=122.8ml.
活塞继续上移则为抽水过程，最大抽水量为 V抽max
按上面计算结果，通过一级净水器的最大抽水量即为整个装置的制水量，考虑部分泄露，按35ml计算，即每个抽吸过程完成后有43ml的净水产出，如果按频率f=10次/min，计算，每小时的产水量约为25.8L，相当可观。 2.4过滤装置说明
装置采用两级过滤。
本装置中的一级过滤层采用的是陶瓷滤芯。过滤精度0.1-0.5微米，屬微滤范围。陶瓷滤芯主要用于对原水的过滤、抗菌和活化处理，可除去水中的可溶解性的重金属离子、悬浮污染物、以及大部分细菌等。陶瓷滤芯选用的是纯天然的硅胶材料，可抵受强大水压及苛刻的过滤环境，滤芯寿命长。而且陶瓷滤芯还有一个强大的优点就是不怕堵塞，能够适应水质非常恶劣的情况，易于再生，可用毛刷涮洗，砂纸打磨，净水冲刷或反洗。由于陶瓷滤芯的可反复清洗性和周期产水量回复率高，因而使用寿命很长。
（注：周期产水量恢复率= 100% ，见参考文献[1]）
本装置中的二级过滤层采用的是超滤膜。过滤精度0.001-0.02微米，属超滤范围。由于自然水源病菌较多，最小的细菌有0.2微米，因此使用陶瓷滤芯未必能过滤掉全部病菌，超虑膜的作用就是过滤掉一级过滤水中剩余的病菌。实践证明超滤膜的效果非常好。由于经过陶瓷滤芯初步过滤后的水质已相当高，所以超滤膜的使用寿命并不会受到太大的影响，超滤膜的过滤原理与陶瓷滤芯类似，具体使用效果可参见文献[2]。
本装置中采用的陶瓷滤芯和超滤膜都是采用市场上已经标准化生产的产品，当陶瓷滤芯经过一定次数的清洗后效果有所下降就可更换滤芯。
2.5误差分析
实际上由于手动的误差，不可能严格将活塞处压差控制在理想状态，因而图3所示的的理想工作过程只是便于分析使用。实际上对于过滤过程而言，只要过滤层两侧存在压差过滤现象就会发生（高压侧水分子流向低压侧），但是压力过小过滤现象不明显，随着压力的增大过滤过程会逐渐加快，但当压力超过某一值时再增大压力过滤量也不会增加很多。因为对于一个过滤层（比如陶瓷滤芯）来说上面的微孔数目是一定的，随着压力的增大，开始时通过微孔的水分子会逐渐增多，之后由于水分子充满微孔造成“拥堵”，并且会有更多的杂质堵塞微孔，压力再增大出水量也不会继续增加，反而随着时间的延长，堵塞现象更加严重，出水量反而下降。因此上面产水量的计算值偏大，实际上每个小时的产水量应低于25.8L。
由于陶瓷滤芯的初级过滤精度已经相当高，接近于生活饮用水标准，因此二级过滤层—超滤膜的过滤负荷并不很大，主要是过滤更细小的病菌。
3.实验结果说明
3.1 制水量实验
取武汉市黄家湖的水作为过滤用原水，实验水温25℃，过滤水的水量随抽吸次数的变化数据拟合曲线如图5所示（完成一个抽吸过程为一次）。
由图5可以看出，前面几次的抽吸过程为“排空”（即排出装置内空气）阶段，制水量为零，排除完装置内的空气后制水过程才开始进行。制水初始阶段出水量平稳且出水量大，这是因为初始阶段过滤层堵塞较轻，参见曲线a；随着时间的进行或者说随着过滤水量的增加，过滤层堵塞现象逐渐加重，制水速率逐渐减小，实验测得当制水量超过6L以后出水量就很小了，参见曲线b.因为陶瓷滤芯先与原水接触并承担第一级过滤，因而堵塞现象主要发生在陶瓷滤芯上，这时就需要对陶瓷滤芯进行清洗。
a——初始阶段净水装置产水量随抽吸次数的变化；
b——制水量超过12L后净水装置产水量随抽吸次数的变化；
图5 净水装置过滤水量随时间的变化
3.2 制水质量实验
净水装置过滤武汉市黄家湖水水质检测结果如表4所示。
实验结果表明净水装置对水中总菌落数去除率在99.93%以上，出水细菌总数在0～4cfu/ml之间，对大肠杆菌的去除率为100%，出水色度和浊度也符合标准饮用水规范【5】。
4.结语
经分析该净水装置具有以下突出优点：
1）机械装置，手动操作，不消耗一、二次能源，节能环保；
2）相较于市场上的传统净水器而言，该装置打破了传统的室内小型净水器的局限性，使小规模净水扩展到室外，且体积较小便于携带；
3） 滤芯可清洗、可更换，使用寿命长，且出水量较大；
4） 特别适用于缺水断电的野外、灾区等环境比较恶劣的地方，对人类的生命健康安全具有突出保障，具有极高的社会价值和意义。
因此该装置既可以作为一种灾区的应急救生设备加以推广应用，还可以对结构加以改进作为一种野外游玩用的净水设备及时补充饮用水。
参考文献
[1] 丁一，梁恒国. 陶瓷滤芯制备饮用水试验分析[J].解放军理工大学学报，2007，8（1）：86-89.
[2] 王锦，王晓昌. 超滤膜直接过滤水处理试验研究[J].西安建筑科技大学学报.2001，33（1）：51-55.
[3] 彦启森，石文星，田长青.空气调节用制冷技术[M].中国建筑工业出版社. 2010
[4] 陶平. 机械设计基础[M]. 华中科技大学出版社. 2012
[5] GB5749-2006，生活饮用水卫生标准[S].北京：中华人民共和国卫生部，2006
作者简介：化豪爽（1993-），男，汉族，籍贯：河南省正阳县、武汉科技大学本科生。