一种高效节能省水淋浴系统及工作方法与流程

本发明涉及浴室淋浴系统技术领域，特别涉及一种可进行水回收与热回收的高效节能省水淋浴系统及工作方法。

背景技术：

在日常的洗浴活动中，常常用到淋浴喷头。传统的淋浴喷头一般采用莲蓬头结构，顶部为进水管，中间一般为空腔，底部为多孔出水板。这种传统的莲蓬头结构存在很多问题，已经难以适应全球日益严重的干旱缺水与能源紧张局面：

(1)耗水量较大，电耗或者气耗不经济。

(2)水有效利用率较低。一个较为极端的例子是将一盆水从洗浴者的头上瞬间浇下时，大量的水并没有直接接触洗浴者的身体，在极短时间内迅速掉落到地面而被浪费掉。传统的莲蓬头由于出水液滴直径较大，与皮肤真正接触并产生良好冲刷效果的水只占用水总量的很少一部分。大部分的水被一层紧贴身体的下降液膜流动边界层所阻隔，没有充分的接触到人体皮肤，并未有效的起到洗浴作用。

(3)热利用率极低，能源浪费较严重。紧贴皮肤的下降液膜的流动边界层一般与其热边界层的厚度相仿，在边界层底部一般存在一个层流底层。在紧贴皮肤的这一个薄层内，一般需要用热传导的方式将热水的热量传递到皮肤。在此薄层中，由于水的导热系数本身并不高，导热热阻较大，热传递比较缓慢。传统的莲蓬头由于出水液滴直径较大，在皮肤上的停留时间较短，大部分的热水还没来得及传热就已经掉落到了地面，经由下水道排走，导致绝大部分热量被浪费掉。

(4)传统莲蓬头出水液滴由于粒径较大，与空气有效接触面积有限，液滴的含氧量不高，洗浴过程中容易有窒息感，用户体验不佳。

(5)当供水系统的水压偏低时，传统莲蓬头出水困难，洗浴效果较差。特别是在楼层较高或者用水高峰期的时候，用户体验较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高效节能省水淋浴系统及工作方法，能够进行水回收与热回收以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高效节能省水淋浴系统，包括主液腔；主液腔顶部设有进水口；主液腔的底部均布有若干环形缩放喷嘴；主液腔的顶壁和底壁之间设有若干汽液中心导管，汽液中心导管为直通管，连通主液腔的顶壁外部空间和环形缩放喷嘴的底部空间；汽液中心导管穿过环形缩放喷嘴中心；进水口、主液腔和环形缩放喷嘴相互连通。

进一步的，环形缩放喷嘴的内表面与汽液中心导管的外表面形成一个缩放型环状喷嘴结构；缩放型环状喷嘴结构包括相互连接的收缩段和扩张段，收缩段比扩张段的长度大。

进一步的，环形缩放喷嘴的顶部和底部均开口；环形缩放喷嘴的顶部开口处设有若干喷嘴进口加强筋，喷嘴进口加强筋连接环形缩放喷嘴与主液腔的结合处和汽液中心导管外表面；环形缩放喷嘴的底部开口处设有若干喷嘴出口加强筋，喷嘴出口加强筋连接环形缩放喷嘴底部和汽液中心导管外表面。

进一步的，进水口内安装有多级过滤器；多级过滤器为顶部开口的圆筒状；多级过滤器内设有大孔径多孔板和小孔径多孔板，大孔径多孔板位于多级过滤器中部，小孔径多孔板位于多级过滤器出口处；大孔径多孔板中的孔的直径大于小孔径多孔板中的孔的直径。

进一步的，多级过滤器的上部外周设置了一个阶梯状突起结构；进水口内设有阶梯状结构，该阶梯状结构与阶梯状突起结构配合，将多级过滤器固定在进水口内；进水口与级过滤器之间安装有圆环密封圈；多级过滤器靠近其顶部进口处设置了半球状突起物。

进一步的，汽液中心导管的顶部内壁和底部外壁均设有倒角。

进一步的，主液腔的底部有一个针对顶部进水口的钟形凹陷结构，用于进水分流和增加主液腔的强度。

进一步的，主液腔的顶部外表面布置有汽液回收漏斗；汽液回收漏斗底部与若干根汽液导管相通。

进一步的，主液腔为纵截面呈人字形的回转体。

一种高效节能省水淋浴系统的工作方法，包括：冷水和热水的混合温水由进水口进入主液腔；混合温水在主液腔中分流后流入若干个均布的带汽液中心导管的环形缩放喷嘴；混合温水在环形缩放喷嘴的收缩段流速不断增加，在喷嘴喉部达到最大流速，并在后续扩张段产生强烈的边界层分离与脱体流动，破碎形成大量的微小液滴射流；液滴射流与环形缩放喷嘴出口的加强筋形成的障碍物进行高速碰撞，破裂形成更小的液滴；高速射流包裹着中心导管的外壁面进行流动，底部产生的交叉合流将空气迅速地转移走，形成一个空气负压区并产生吸力，将汽液中心导管上部的热空气、水蒸气与水雾的多相混合物吸入汽液中心导管并使之向下流动，并在汽液中心导管出口处与环形缩放喷嘴产生的液滴射流再次形成碰撞、混合以及液滴破碎。

进一步的，多个均布的环形缩放喷嘴8可以在各自出口处同时产生的液滴射流呈扩张状，在任意一对喷嘴的底部(如对撞区23)发展成射流两两相互对撞，并进一步破碎成为粒径更小的液滴射流；最终形成的液滴直径较小，数目庞大，速度快，冲刷力强，能够减薄液膜在人体表面的流动边界层，换热系数大，传热效率高，极大地增加了新水与人体皮肤接触的面积与机率，更容易将赃物冲走，相当于以较小水量获得了较大水量的冲刷洗浴效果，避免了传统莲蓬头的出水大部分还未被人体充分利用就已掉落地面而被排走的热水浪费问题，达到了节能省水的目的；同时，液滴总表面积大，与空气充分混合，含氧量高，传热效果好，形成一个温暖的钟罩形热约束环境；另外，由于液滴直径较小，避免了大液滴高速撞击人体所带来的不适感。

本发明一种高效节能省水淋浴系统，包括进水口，多级过滤器，圆环密封圈，环形缩放喷嘴、主液腔，汽液回收漏斗，汽液导管，以及若干加强筋支撑结构。冷水和热水的混合物由顶部的进水口进入系统后，流经多级过滤器；在多级过滤器中，设有若干层不同孔径大小的多孔板，可以依次过滤掉粗颗粒与细颗粒，也可以使得冷水与热水在此进一步均匀混合，形成一定温度适合人体淋浴的温水；混合均匀后的温水流入纵截面为人字形的主液腔，在此朝着各个方向均匀分流；分流后的温水流入若干个均布的带中心导管的环形缩放喷嘴；水流在喷嘴的收缩段流速不断增加，在喷嘴喉部达到数十米每秒的最大流速，并在喷嘴后续扩张段产生强烈的边界层分离与脱体流动，破碎形成大量的微小液滴射流；液滴射流与出口的加强筋形成的障碍物进行高速碰撞，破裂形成更小的液滴。

进一步的，环形缩放喷嘴的轴心处设有一汽液中心导管，汽液中心导管的底部外壁面开有倒角；一部分液滴射流沿中心导管外壁面流动，在中心汽液导管的出口处形成交叉合流并产生高速碰撞，从而进一步破碎为粒径更小的液滴；由于高速射流包裹着中心导管的外壁面进行流动，底部产生的交叉合流将空气迅速地转移走，形成一个空气负压区并产生吸力，从而将导管上部的热空气、水蒸气与水雾的多相混合物吸入导管并使之向下流动，并在导管出口处与缩放喷嘴产生的液滴射流再次形成碰撞、混合以及液滴破碎；主液腔的顶部外表面布置有汽液收集漏斗，其底部与若干根汽液中心导管相通，扩大了对热空气、水蒸气与水雾多相混合物的收集面积。

进一步的，汽液导管的顶部开有内倒角，使热空气、水蒸气与水雾多相混合物更方便的被吸入；进水口内部开有一缩进结构，缩进结构底部开有倒角，此倒角与过滤器的倒角相配合，防止过滤器掉落进主液腔；过滤器上部开有环形槽，以便放入环形橡胶密封圈。

进一步的，缩放喷嘴的顶部设置有若干根加强筋，将喷嘴、中心导管与主液腔的底部连接在一起；缩放喷嘴的底部设置有若干根加强筋，将喷嘴与中心导管连接在一起，增加了机械强度，以保证导管与喷嘴的相对位置不变；同时，出口处的加强筋起到障碍物的作用，当高速水流冲击障碍物时候，可以使其破碎为更小的液滴。

本发明也提供一种淋浴系统的高效节能省水方法，利用带中心导管的环形缩放喷嘴的流体力学原理，使得水流收缩段不断加速，在喉部达到最大流速，并在扩张段产生强烈的边界层分离与脱体流动，破碎形成大量的微小液滴射流；液滴射流与出口处的障碍物进行高速碰撞，再次破裂形成更小的液滴；多个均布的环形缩放喷嘴在出口处同时产生液滴射流，射流呈扩张状，在底部发展成两两相互对撞，进一步破碎成为粒径更小的液滴射流；中心导管外壁面倒角处形成的交叉合流与碰撞使得液滴进一步破碎为粒径更小的液滴，并且可以将出口处空气迅速排走，形成负压区，产生吸力，将导管顶部的热空气、水蒸气与水雾的多相混合物吸入导管，可以回收利用热空气的显热，水蒸气的潜热，以及水雾的显热，产生节能省水效果；同时，热空气、水蒸气与水雾的多相混合物被吸入导管后，在导管出口处与缩放喷嘴产生的液滴射流再次形成碰撞、混合以及液滴破碎。

液滴经过几轮的破碎过程之后，最终的液滴直径较小，数目庞大，速度快，冲刷力强，极大地增加了新水与人体皮肤接触的面积与机率，更容易将赃物冲走，相当于以较小水量获得了较大水量的冲刷洗浴效果，达到了省水的目的；同时，由于液滴直径较小，避免了大液滴高速撞击人体所带来的不适感。

进一步的，液滴直径较小，数目庞大，速度快，冲刷力强，很容易破坏水流在人体皮肤表面的流动边界层，减薄了流动边界层，减小了边界层内温水与人体皮肤之间的导热热阻，能够以较小的温差实现较大的温度梯度，根据导热傅里叶定律，形成更有效的热传递；另一方面，新水液滴由于射流冲击作用，更容易直接打到人体与皮肤表面紧密接触，增加了新水液滴与皮肤传热的表面积，同时具有较高的对流换热系数，根据牛顿冷却公式，也可以更好地将热量传递到人体；这些物理作用可以利用较小的水量，较低的水温达到较大的传热量，产生节能效果。

进一步的，液滴直径较小，数目庞大，表面积大，与空气接触更充分，可以更好的预热空气；环形缩放喷嘴产生的钟罩形的液滴射流与空气相互作用，形成一个钟罩形的比较均匀的热约束环境，使得洗浴过程更加温暖舒适；同时由于液滴表面积大，与空气充分接触，含氧量较高，更有利于皮肤健康，也可以减少洗浴过程中的窒息感；另外，环形喷嘴的中心导管可以产生吸力，将导管顶部的热空气吸入，与缩放喷嘴产生的液滴射流再次混合，也可以增加液滴的含氧量，减少洗浴过程中的窒息感。

进一步的，液滴直径较小，数目庞大，表面积大，由于表面张力作用，延长了液滴在人体皮肤的停留时间，从而有更充裕的时间来进行热传递，增加了传热量，产生节能效果；这有别于传统的莲蓬头系统，由于大液滴的重力作用远大于表面张力，大部分热水还没来得及与人体充分接触，未得到深度利用，就已经掉落到地面，进入了下水道被白白浪费掉。

需要指出的是本发明结构巧妙，大量采用流线型设计。特别是带中心汽液导管的环形缩放喷嘴结构，巧妙的利用流体力学原理，可以使水流在收缩阶段不断加速并在喉部达到数十米每秒的流速；即便是在供水水压不太高的情况下，仍然可以产生较高流速的小液滴射流，满足洗浴需求。主液腔结构是纵截面呈人字形的回转体，辅以多点支撑，巧妙的避免了过大的水平方向的横桥跨度，强度设计合理。主体结构可以采用工程塑料，采用fdm或sla等3d打印技术打印出来，解决了工艺成形的问题。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用带中心汽液导管的环形缩放喷嘴产生大量的高速微小液滴射流，粒径小，速度快，冲刷力强，传热效果好，能够以较小水量获得了较好的冲刷洗浴效果，具有优良的节能省水性能。由于液滴直径较小，冲击人体无痛感。

2、当流体冲刷中心导管外壁面时产生吸力，可以将导管顶部的热空气、水蒸气与水雾的多相混合物吸入导管，因此能够回收利用热空气的显热，水蒸气的潜热，以及水雾的显热，产生节能省水效果。

3、本发明产生的液滴直径小，数目大，速度快，冲刷力强，能够破坏流动边界层，减薄了流动边界层，减小了导热热阻；同时小液滴在冲击作用下更容易直接接触人体皮肤，换热系数大，节能效果好。

4、本发明产生的液滴射流与空气充分混合，对空气有预热作用，形成一个钟罩形热约束环境，在寒冷天气可以使淋浴者感到更加温暖舒适；同时，液滴含氧量高，使淋浴者无窒息感。

5、本发明采用具有创意的带中心管的环形缩放喷嘴结构，即使在水压不太高的情况下也能产生较高速的液滴射流，满足洗浴的需求；另外，本发明采用螺纹连接，安装方便，能够很方便的替换传统莲蓬头。

本发明利用带中心汽液导管的环形缩放喷嘴产生大量的高速微小液滴射流，粒径小，速度快，冲刷力强，传热效果好，能够以较小水量获得了较好的冲刷洗浴效果，具有优良的节能省水性能。当流体冲刷中心导管外壁面时产生吸力，可以将导管顶部的热空气、水蒸气与水雾的多相混合物吸入导管，能够回收利用热空气的显热，水蒸气的潜热，以及水雾的显热。

附图说明

图1为本发明一种高效节能省水淋浴系统立体结构剖面图；

图2(a)为本发明一种高效节能省水淋浴系统立体外观图；

图2(b)为本发明一种高效节能省水淋浴系统底部结构外观图；

图3为本发明多级过滤器立体结构剖面图；

图4为本发明主液腔与密封圈以及过滤器盖配合示意图；

图5为本发明带中心导管的缩放喷嘴立体结构剖面图；

图6为本发明多个缩放喷嘴相互作用并交叉合流的原理图。

具体实施方式

本发明是在解决了切实可行的加工工艺的前提下提出的。以下结合具体的附图对本发明做进一步的详细说明。

参照图1所示，本发明提供一种高效节能省水淋浴系统，包括进水口1、圆环密封圈2、多级过滤器3、汽液回收漏斗4、汽液导管5、主液腔6、喷嘴进口加强筋7、环形缩放喷嘴8，以及喷嘴出口加强筋9。

参照图1至图2所示，进水口1位于主液腔6顶部，其外壁开有外螺纹，以便连接到供水管。进水口1内安装有多级过滤器3。冷水和热水的混合物由顶部的进水口1进入系统后，流经多级过滤器3，可以依次过滤掉粗颗粒与细颗粒，也可以使得冷水与热水在此进一步均匀混合，形成一定温度适合人体淋浴的温水。混合均匀后的温水流入纵截面为人字形的主液腔6，在主液腔6内向各个方向均匀分流。分流后的温水流入若干个均布在主液腔6底部的环形缩放喷嘴8；在环形缩放喷嘴8扩张段破碎形成大量的微小液滴射流。部分液滴射流与出口的加强筋9形成的障碍物进行高速碰撞，破裂形成更小的液滴。

主液腔6结构是纵截面呈人字形的回转体，并设置了若干环形缩放喷嘴8，若干汽液导管5以及加强筋7的多点支撑结构，巧妙的避免了水平方向过大的横桥跨度。结构设计比较合理，既节省了材料，又具有较大的强度。主体结构可以选用工程塑料，采用fdm或sla等3d打印技术打印出来，解决了工艺成形的问题。

参照图2(b)所示，汽液导管5的底部设置有一倒角结构10，当水流包裹导管的外表面流动时，在出口处可以形成合流。

参照图3所示，多级过滤器3为顶部开口的圆筒状；多级过滤器3的靠近进口处设置了一个阶梯状突起结构，该阶梯状突起结构的上部和下部分别开有倒角15和倒角16，既可以有效防止多级过滤器3掉落进主液腔6，又可以很方便地将其取出。多级过滤器3的阶梯状突起结构上设置了半圆环形凹槽13，以便放入橡胶环形密封圈2。进水口1内设有阶梯状结构，该阶梯状结构与倒角15配合，将多级过滤器3固定在进水口1内；进水口1的内部也设有半圆环形凹槽，水口1和多级过滤器3之间安装有圆环密封圈2；圆环密封圈2部分位于多级过滤器3的半圆环形凹槽13内，部分位于进水口1的半圆环形凹槽内。

多级过滤器3内设有大孔径多孔板11和小孔径多孔板17，大孔径多孔板11位于多级过滤器3中部，小孔径多孔板17位于多级过滤器3出口处。设置大孔径多孔板11和小孔径多孔板17，可以依次过滤掉大粒径颗粒与小粒径颗粒，防止喷嘴8的喉部产生堵塞。过滤器3的多孔板结构也可以使得冷水与热水在此进一步均匀混合，形成一定温度适合人体淋浴的温水。系统运行一段时间后，如果发现污垢，可以将过滤器取出，从小孔径多孔板17处进行反冲洗，将小颗粒与大颗粒物依次冲洗出去。多级过滤器3的靠近进口处设置了半球状突起物14，既可以充当着力点将过滤器3拔出，又不对流动造成较大的扰动。多级过滤器3的底部也开有倒角17，以便将其插入到主液腔6内。多级过滤器3体积小巧，避免了过大的横桥跨度，可以采用fdm或sla等3d打印技术打印出来。

参照图4所示，将橡胶环形密封圈2嵌入到过滤器3的半圆环形凹槽13中，可以起到密封作用，然后将过滤器3插入到主液腔6。过滤器3顶部的阶梯状突起结构设置有倒角15，与进口1的阶梯状结构相配合，防止多级过滤器3掉落进主液腔6。

参照图5所示，主液腔6的顶部和底壁之间设有若干汽液中心导管5，汽液中心导管5为直通管。每一个环形缩放喷嘴8处对应设置一个汽液中心导管5，汽液中心导管5穿过环形缩放喷嘴8中心。环形缩放喷嘴8的内表面与汽液中心导管5的外表面形成一个缩放型环状喷嘴结构；缩放型环状喷嘴结构包括相互连接的收缩段和扩张段，收缩段比扩张段的长度大。在环形缩放喷嘴8与主液腔6的结合处设置有若干加强筋7，加强筋7与中心汽液导管5相连接，这可以有效的增加其结构强度，并保持中心导管5与环形缩放喷嘴8的相对位置不变，从而确保流体通道的几何形状不变形。

水流在环形缩放喷嘴8的收缩段流速不断增加。由于喷嘴的喉部18流通面积很小，水流在喉部18可以达到数十米每秒的最大流速，并在喷嘴后续扩张段产生强烈的边界层分离与脱体流动，形成微小的液滴射流。扩张段较短，主要起引导液滴射流方向的作用。一部分液滴射流与出口处设置的加强筋9形成的障碍物进行高速碰撞，破裂形成更小的液滴。

环形缩放喷嘴8的轴心处设有一个汽液中心导管5，其底部外壁面开有倒角10。一部分水流紧贴汽液中心导管5的外壁面流动，受到倒角10的影响，在出口处形成交叉合流而产生高速碰撞，从而进一步破碎为粒径更小的液滴。由于高速射流包裹着汽液中心导管5的外壁面进行流动，底部产生的交叉合流将空气迅速地转移走，在底部形成一个空气负压区19并产生吸力，从而将汽液中心导管5上部的热空气、水蒸气与水雾的多相混合物吸入导管并使之向下流动，并在汽液中心导管5出口处与缩放喷嘴产生的液滴射流再次产生碰撞、混合以及液滴破碎。环形缩放喷嘴8的底部边缘开有圆角20，以防划伤洗浴者。

参照图6所示，主液腔6的底部有一个钟形凹陷结构21，可以起分流作用，同时避免了过大的横桥跨度，可以增加腔体的强度。汽液中心导管5的底部产生的空气负压区19，可以将汽液中心导管5上部的热空气、水蒸气与水雾的多相混合物吸入导管。汽液中心导管5的顶部开有内倒角22，以便将气汽液多相混合物吸入。主液腔6的顶部外表面布置有汽液回收漏斗4，其底部与若干根汽液导管5相通，扩大了对热空气、水蒸气与水雾多相混合物的收集面积。

多个均布的环形缩放喷嘴8可以在各自出口处同时产生液滴射流。多个射流呈扩张状，在任意一对喷嘴的底部(例如对撞区23)发展成射流两两相互对撞，并进一步破碎成为粒径更小的液滴射流。液滴经过几轮的破碎过程之后，最终的形成的液滴直径较小，数目庞大，速度快，冲刷力强，传热效果好，能够以小水量达到传统莲蓬头大数量冲刷的效果，具有节能省水的功效。

小液滴数目庞大，总表面积大，能够与空气更充分接触，因此可以更好的预热空气。环形缩放喷嘴产生的钟罩形的液滴射流与空气相互作用，形成一个钟罩形的比较均匀的热约束环境，使得洗浴过程更加温暖舒适。空气受热后密度变小，产生向上的自然对流。水蒸气，以及液滴与人体碰撞所产生的水雾被热空气携带着向上方流动，而不是直接全部落到地面被下水道排走。这种气汽液的多相混合物(例如混合物24与25)运动到汽液回收漏斗4的上方时，被吸入到汽液中心导管5，并在导管出口处与缩放喷嘴产生的液滴射流再次形成碰撞、混合以及液滴破碎，产生热回收与水回收的功效。