家用洗碗机自动软水系统设计

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【摘 要】家用洗碗机的硬水软化处理系统是保证洗碗机在洗涤过程中的安全运行、人体健康和节能减排的重要手段之一。本文重点阐述了全自动洗碗机软水器的工作原理、硬水软化原理、以及在实际操作应用中应注意的问题，为广大洗碗机设计者和消费者提供帮助和指导。

【关键词】洗碗机；软水器；软化；再生

1 引言

全自动家用洗碗机，是一种对各类餐具进行自动清洗、自动干燥的洗涤电器。具有自动化控制程序、操作简便、使用安全、省电省水等优点，而且餐具洗涤后完全可以去除油腻，手感爽滑、光洁如新。在1927年在德国制造出了世界上第一台家用洗碗机，经历了从波轮式洗涤到喷淋式洗涤的演变，其性能也得到不断提升，随后在20世纪90年代欧洲、美洲、澳洲、日本和韩国等发达国家逐步普及，在中国现在正处于发展初期阶段，洗碗机也像洗衣机一样，水是不可缺少的餐具洗涤介质，水质的好坏直接影响到的人们生活和洗碗机的使用寿命。自然界为我们提供了许多淡水，由于它们经常和石灰石、白云石等矿物质接触，因此使水中含有较多的钙镁离子导致水质变硬，危害我们的健康，并且如果是硬水通过洗涤设备时日积月累会产生水垢，导致洗涤设备寿命缩短，产生质量事故，基于以上原因，在洗碗机上设计硬水软化系统可从根本上解决上述问题。

2 家用洗碗机的硬水软化系统

2.1 软水器的基本工作原理

为使洗碗机适应不同地区硬度各异的水，特别配置了可以改善水质及洗涤效果的软水器。软水器在相关电路控制下可完成硬水软化和再生过程。水通过主水路，直通至软水器树脂腔，经软化的水进入洗碗机内胆。当软水器再生阀开启时，呼吸器中存留水经再生水路进入软水器，到达耗盐量调节机构。该机构主要目的是根据水硬度，合理调节用盐量，即当水硬度很高时，树脂中吸附的钙、镁离子增多，再生须饱和盐水，当水硬度很低时，盐水浓度可相应降低，即可减少耗盐量。当使用地区水硬度高时，调节机构调至进水大量位置，水全部通过下方通道进入装有盐及饱和盐溶液的盐腔，同时因盐腔是密闭的，因而有等量的饱和盐水从右边水路通过电磁阀到达树脂腔，使树脂再生。当调节机构位于其他进水量小位置时，有部分水是直通树脂腔的，使得出来的饱和盐水量减少。

图1 软水器的基本工作原理图

2.2 软水器的基本组成

洗碗机软水器安装在洗碗机的底部由电子控制系统、电磁控制阀、树脂交换腔和盐腔等组成。

（1）电子控制系统

电子控制系统是控制软水器完成整个硬水软化过程，包括运行终点的判断、启动再生并多次循环运行。

（2）再生次数控制器

为了节约水资源，并满足全球不同区域的水质硬度的软化要求，设定控制器当达到指定洗涤循环次数时，自动启动再生过程。

（3）电磁控制阀是启动再生过程的电磁阀。

（4）树脂交换腔和盐腔，树脂交换腔是装满交换树脂的腔体同时也是钙镁离子交换软化过程的场所，盐腔是装盐的腔体是配置再生用盐的场所，树脂交换腔和盐腔一般使用PP材料，质量轻，成本低，便于制造。

图2 软水器的结构图

3 硬水软化的基本原理和工作过程

3.1 基本原理

在洗涤过程中，软水器上的电磁阀会在设定的时间开启，此时保留在呼吸器内的原水会在重力作用下进入软水器的盐腔中，把等量盐溶液推入树脂腔中，原水在树脂腔内流经阳离子交换树脂时，硬水中的Ca2+和Mg2+被交换树脂吸收，而树脂中的Na+离子被置换入水中，因此可以有效的除去水中的钙镁离子，使原水得到软化。

3.2 交换树脂

树脂腔内的交换树脂是一种不溶于水的黄色颗粒状磺化煤，它不溶于酸和碱。这种物质的阳离子会跟溶液里其他物质的阳离子发生离子交换作用，软化过程与再生过程为可逆过程，可以循环使用树脂腔内的树脂，整个硬水软化过程可用以下化学式表示：软化原理： 2NaR + Ca2+ ===CaR2 +2 Na+；再生原理： CaR2 +2 Na+===2NaR + Ca2+。

3.3 软水盐

盐腔内的软水盐即离子交换树脂再生剂是一种溶于水的白色细颗粒状球剂，其主要化学成分为氯化钠（NaCl），纯度在99.5%以上，含水量（g/100g） ≤ 1.0，水不溶物/（g/100g）≤ 2.0。洗碗机用软水盐添加了专用添加剂，去除铁离子的能力是一般盐的6倍，能双倍去除水中的杂质，其软水能力也比其他软水盐高出2倍，能使软水器的效率提高。

3.4 软化过程

硬水从总管流入软水器后，流经树脂时，水中的Ca2+和Mg2+与树脂中的Na+进行交换，交换后的软水流出软水器再经过管路流入洗碗机内。软化原理： 2NaR + Ca2+ ===CaR2 +2 Na+；

3.5 再生过程

保留在呼吸器内的原水会在重力作用下进入软水器的盐腔中形成盐水（NaCl），较高浓度的盐水（NaCl）流过树脂腔，将失效的树脂重新还原为钠型可用树脂。再生原理： CaR2 +2 Na+===2NaR + Ca2+。

3.6 再生频率的设计

洗碗机软水器的再生频率是根据不同国家和地区水质硬度来设定每再生一次的合理的洗涤循环间隔次数，这样设计既可有效的节约水资源又可达到硬水的软化的需求。

以下为不同国家和地区的硬水软化次数参考表：

不同国家地区的水硬度范围值 相隔洗涤循环次数 盐消耗量

（g/cycle）

德国odH 英国oClark 法国ofH 美国ppm 基本单位mmol/l

0～5 0～6 0～9 0～60 0～0.94 0 0

6～11 7～14 10～20 70～140 1.0～2.0 10 9

12～17 15～21 21～30 150～210 2.1～3.0 5 12

18～22 22～28 31～40 220～280 3.1～4.0 3 20

23～34 29～42 41～60 290～420 4.1～6.0 2 30

35～55 43～69 61～98 430～690 6.1～9.8 1 60

主要国家各种水硬度单位换算

1odH=1.25oClark=1.78ofH=17.8ppm=0.178mmol/l

4 参数设置

电磁控制阀为自动控制阀，在每个位置停留的时间按如下公式计算。

（1）再生时间：尽可能按照不同的国家和地区设定相对合理的再生时间，根据单次洗涤循环按照170分钟计算，可以计算出各个国家和地区的再生时间。

（2）运行时间=制水量Q/每小时的用水量（每次单循环按照11L耗水量计算）

制水量Q=VR×E/（YD×K）

上式中， VR — 树脂体积（m3）；E —树脂工作交换容量（mol/m3）；YD—进水硬度 （mol/m3）；K — 安全系数，常取1.2～2.0，与进水的硬度有关，硬度越高，K值越大。

（3）吸盐+置换时间=吸盐时间+置换时间

吸盐时间t=60×VZ（S×v） （min）

VZ=Mcz/（C×ρ×103） （m3）

上式中，VZ—再生液的体积（m3）；S—交换剂层（交换器）的截面积 （m2）；V—再生液体流速 （m/h）；Mcz—纯度为100%的一次再生的再生剂用量 （kg）；C—再生液浓度 （%）；ρ—再生液密度。

Mcz= VR E KM/（ε×1000） kg

上式中，VR —树脂体积（m3）；E—树脂工作交换容量（mol/m3）；K—再生剂比耗，对顺流再生，K常取2～3.5；对逆流再生，K常取1.2～1.8；M—再生剂的摩尔质量，NaCl为58.5；ε—再生剂的纯度，一般的盐中NaCl含量为95%～98%

（4）置换时间=置换水量/置换速率（分钟）

置换水量一般情况下采用0.5～1倍树脂装载量

（5）盐腔补水时间=盐腔补水量/补水速率（分钟）

盐腔补水量相当于再生盐液总消耗量。因为进水压力不同，补水速率有所差别，为保证盐腔内补水充足，一般设计实际补水时间大于理论计算所得的补水时间1～2分钟。

5 软水器在实际使用中注意的问题以及缺盐控制器的结构原理

软水器整个工作过程较复杂，但这一切都是电路控制下自动完成的，用户只需在缺盐时，加入足够量专用盐即可。为了显示盐腔内是否有盐，软水器盐腔内有一缺盐指示机构。该机构主要是由一浮子完成的，该浮子在饱和盐溶液中可正常浮起，如盐溶液不饱和或是清水，浮子则下沉。浮子下部有一永磁体，当盐腔内部无盐或盐不足导致溶液不饱和时，浮子下沉到底，此时浮子磁置正好与装在盐腔外壁的干簧管触点位于同一位置，干簧管触点闭合，相应的缺盐指示灯亮。当盐腔内是饱和盐溶液时，浮子浮起，磁体离开干簧管位置，干簧管触点断开，缺盐指示灯熄灭。

图3 缺盐控制器工作原理图

6 结论

家用洗碗机是现代家庭的必需设备之一，洗碗机硬水软化系统的应用需要了解其组成结构和工作原理、工艺系统配置、软化再生机理、再生次数设定和耗盐水平设定等，利用洗碗机自动软水系统产生软水，不仅可以降低原水中的硬度，延长洗碗机使用寿命，而且可以降低能耗，是节能减排的手段之一，有利于人体健康，提高人们生活质量。

参考文献：

[1]周本省.工业水处理技术[M].北京：化学工业出版社，2002.

[2]孙冬艳，等.谈全自动软水器在水处理行业的应用[J].科技信息，2011（25）.