浅析家用电器倒虹吸现象原理及防止措施

浅析家用电器倒虹吸现象原理及防止措施 _技术.仓1J新 浅析家用电器倒虹吸现象原理及防止措施 宁波出入境检验检疫局电气安全检测中心(余姚)张立 【摘要】本文根据家电安规的要求,对直接连接到饮用水供水系统的家电产品中倒虹吸 现象原理进行了分析,并 对空气间隙,管路断流器,动态倒流防止器和带有低压区的倒流防止器等常见防倒虹吸现象 所采用结构和装置的工作 原理及其特性验证,选择和安装使用须知等进行了介绍. 关键词:家用和类似用途电器,倒虹吸,原理,措施,水源,安全 1引言 随着家电新产品的不断开发,越来越多的家用和类似 用途电器被直接连接到自来水供水管网,较常见的产品有: 冷热饮水机,洗衣机,制冰机,自动座便器,高压清洗机等. 由此便产生了这样一个问题:已进入这些电器产品中的水 是否可能会倒流回自来水管网而造成回流污染,>这是一个 涉及千家万户供水安全的重要问题,与大众卫生和健康息 息相关.因此,在IEC60335—1标准《家用和类似用途电器 的安全第1部分通用要求》中,对于此类电器的结构,就 有了一个防倒虹吸现象的要求.关于倒虹吸现象及其防止 装置,在众多有关给排水的设计,书籍和资料中已有广 泛的介绍,但是当其与家用电器结合在一起时,还是有其一 些特殊的要求值引起注意.下面就此问题结合标隹要求进 行深入的分析,并提出来若干具体的解决措施供有关各方 参考. 2倒虹吸现象原理简述及防止措施 2.1倒虹吸(Backsjphonage)现象的原理 家用电器中的倒虹吸现象(有时也称为反虹吸现象)是 指已离开自来水管网封闭系统的非饮用水由于倒虹吸作用 而倒流造成饮用水源受污染的现象.产生这种现象的原因, 通常是自来水供水管网由于检修,断电,意外破裂等原因造 成供水中断,或由于消防紧急取水等原因造成水压力快速 变化,引起在供水系统内产生了低于大气压力的负压,此时 残留在器具中的非饮用水以及器具已排八下水道的废水便 有可能从任何一处软管或连接器被倒吸而进入饮用水系统 造成污染. 2.2常见防倒虹吸现象的结构或装置 在家用和类似用途电器中所采用常见防倒虹吸现象 的结构或装置主要有空气间隙,管路断流器,动态倒流防 止器,带有低压区的倒流防止器和空气隔断等. 2_2.1空气间隙(Airgap) 空气间隙是指位于进水口或供水管道的末端至临界 水位之间的无阻碍自由距离.其原理如图1a)所示.通常认 为临界水位是指:对于单相器具在进水口被关闭2秒钟 后,或对于三相器具在进水口被关闭5秒钟后,非饮用水 从最高水位下降所达到的水位.当上述距离在真空负压条 件下进入供水管道的气流不受器具结构的限制时,则认为 是无阻碍自由距离. 图1a) 家电标准要求:空气间隙的结构,应使得水能够自由 地流过此空气段,并使得其下游的水不可能被吸入供水管 网.需引起注意的是,要考虑到器具在故障条件下将会达 到的最高水位包括持续的溢水状态.空气间隙的长度应至 少为器具中供水系统最小直径的两倍,并且不小于20 mmo 若器具采用浮球阀和最高水位溢流结构,则其防倒虹 吸结构的参考布置如图1b). 阀和 直径 饮用水源 图1b) 定的 位 溢流 对于图1a)情况,由于空气间隙的存在,水流被中断, 并且供水压力也不再存在了,因此空气间隙常用于供水管 路的末端. 2.2_2管路断流器(Pipeinterrupter) 该装置中无活动部件或弹性部件,当水流过此装置 时,空气可以进入其中.如图2所示.其工作方式原理也有 多种,常见如水流通过文丘里管(venturitube)结构型式.当 水源出现倒虹吸现象时,空气经通气孔被吸入,使下游不 再受到上游负压的抽吸,从而达到阻断非饮用水倒流的目 的 图2 管路断流器的 结构,应使得进气口 始终保持畅通,并与 大气相通.正常使用 中可能从进气口泄漏 出来的水应流入器具 的容器中. 该装置的使用 可受能到较多的限 制,如通常该装置需 要垂直安装,水流方 向为向下流动.所安 装的管路下游不能有 控制阀或限制装置. 装置出口距离其下面 的溢流水位至少为 300ram等.需阅读相关的断流器产品说明来了解具体信 息. 家电标准要求:需要采取防护措施,使管路断流器不 会受到故意堵塞.进气口的总横截面积不应小于进水口的 横截面积,在与气流方向成直角的方向上测量,每个进气 口的最小尺寸应为3mm. 2.2.3动态倒流防止器(Dynamicbackflowpreventer) 47 这是通过使用活动部件未防止倒虹吸现象的倒流防 止器.该装置可有多种形式,其工作原理的举例如图3a)和 3b)所示. 图3a)阀门开起,水流在压力作用下流动. 当有流体通过阀门时,在水源的水压力作用下,止回 阀瓣开启.同时气体进口由于隔膜密封的偏转而保持关闭 状态,使得水流能够通过阀门. 隔膜 气体 静止 图3a) 止回关闭 图3bl 启 图3b)由于系统反压力,阀门关闭. 如果出现倒虹吸状态,即供水系统出现了负压力,阀 瓣紧紧地密封在隔膜上.同时气体进口开启让空气进入到 空气隔断腔.则下游非饮用水与大气相通,不会受到虹吸 力,因此也不会产生倒流,而是处于无流动状态,从而保护 饮用水系统不会受到污染. 家电标准要求:本装置的结构应使得活动部件,其支 撑或导向器的磨损和损坏或取下可拆卸部件都不会产生 倒虹吸现象.在正常使用条件下每次水流通过本装置时活 动部件均应工作,并且在其任何故障条件下,均应使器具 不能工作或对用户来说是明显可见的. 2.2.4带有低压区的倒流防止器(Backfiowpreventer withreducedpressurezone) 这是指通过利用压力差来触发,个或多个涉及流体 C 器 lSCiqlnaco .3 rn 一? I技术.创新 力学的闭合和开通装置的动作或再动作来提供人工断开 的安全装置.该装置结构相对复杂,其工作原理的举例如 图4. 图4 该装置具有两个弹簧止回阀及其中间的一个通向大 气的压力泄放阀.在正常供水时,入口的水压力作用于膜 片上使泄放阀处于关闭状态.当入口水压力大于上游止回 阀负载力时,水流从左向右流动并进入中间腔,第一个止 回阀的弹簧作用已抵消了部分的水压力,故中间腔的压力 保持低于进水口压力,形成一个低压力区.中间腔的压力 达到大于下游止回阀负载力时,水流进入下游腔,这样水 流就顺利通过了两个止回阀.第二个止回阀在正常工作压 力时处于打开状态,直至当水流方向的压力降低到一定值 时被关闭,并且其动作独立于使泄放阀打开的压力. 如果来自该装置下游的压力由于某种原因而增加,第 二个止回阀便由于弹簧的作用而关闭.这样就防止了水的 倒流.如果左边供水系统中的水压力突然降低,甚至出现 一 定的真空度(即出现倒虹吸状态),第一个止回阀将迅速 关闭,同样防止了水的倒流. 如果出现阀的泄漏或右边第二个止回阀未完全关闭, 非饮用水泄漏进入中间腔而使腔内压力增高,此时泄放阀 工作而打开,将非饮用水排出.因此,当观察到有水从泄放 阀排出时,说明该装置出现了问题,需要进行必要的检查 或维修以确保其正常工作. 带有低压区的倒流防止器(也称为RPZ阀)相比于空 气间隙,其具有运行更可靠,更安静,结构更紧凑的特点. 家电标准对此类装置的要求是:装置的压力差和动作的设 定应是固定不能被调节的.只有供水管网的压力才能使装 置内部元件的控制装置工作.可能存在的附加控制装置 (例如电动的,气动的)不应对倒流防止功能产生不利影 响.当按照装置使用说明安装时,其泄放阀;it}水管口应向 下安装. 标;隹还规定:泄放阀工作的设计应使得当通过上游止 回阀的压力差小于14kPa时,泄放阀应打开以确保绝对 的安全.任何滞留的水不应存在于低压区内.泄放装置的 通道孔和工作导管的横截面应?12.5mm2,对于横截面计 算,无小于4mm的尺寸. 48 2_2.5率气隔断Airbreak) 对于连接到饮用水源并且带有一个排水装置的器具, 应在其向排水系统排放前装设一个空气隔断.该空气隔断 应符合上述所有要求.另外,装置中的液体被认为是第5 类液体.(关于液体的类别见本文24节) 通向排水管的空气隔断应通过一个完全的断开或多 个空气入口来实现.下面是一个通向排水系统的空气隔断 的例子图5. 相关要求如下: b?G b?20mm G?E并且排水管应能输送排放章的整个流量 S1+S2+?bx2~G j e?4mm 【图例】1排放出口2.溢流水位排放口E孔E排水管G: 孔G空气入口:S1,S2,空气通道的横截面e:用于横截面计算的最小尺 寸b:空气间隙高度 图5 家电标;隹要求:对于通向排水管的空气隔断,应布置 于任何的废水排水管与任何需排放水的汇集装置或容器 之间.若采用带有低压区的倒流防止器同时又带有通向排 水管的空气隔断,则应能排出整个泄放流量而没有向外溢 出.并且通向排水管的空气隔断应直接装入带有低压区的 倒流防止器之内.该类装置的泄放孔应不允许安装标准的 管螺纹,也不允许通过使用胶水,焊接和锁扣来连接标准 的管道或型材,以避免被不恰当地更换. 2.3倒虹吸防止装置有效性验证 2.3.1为了验证上述防倒虹吸装置的有效性和可靠 性,通常需要采用适当的方法进行必要的试验.一般所采 用的方法是负压试验法.具体操作方法如下. 对进气阀与倒流防止装置之间的管道和软管的内壁 进行干燥处理.使用其内径不小于入口软管的透明软管来 代替软管组件连接到器具.透明软管的另一端,以可能的 最短长度连接到一台真空泵. 通过单独的水源将器具注水到临界水位,该水位在整 个试验中均需保持.然后以65kPa-t-15kPa的负压施加 5秒钟,该负压尽可能地靠近器具.若有电磁阀,则通过单 独的电源使其保持在打开位置. 对于有多根软管组件的器具,对入口应轮流进行负压 试验.若试验时水未进入透明软管,则认为受试装置是符 合要求的. 应注意:真空泵连接件的横截面积应是足够的,不至 于对气流产生限制作用. 2.3.2对于动态倒流防止器试验:此类装置的负压试 验,每次将一个活动部件置于最不利位置进行:还要在将 可拆卸部件取下后进行:以及在模拟活动部件,包括其支 撑件或引导装置损坏后进行.但每次仅在模拟以上三个条 件之一情况下进行.对于其可靠性,还须对其在一定的温 度和压力条件下进行水流通断5000次循环的耐久性试 验. 2.3.3对于带有低压区的倒流防止器,需进行其上游与 低压区压力差的验证试验,下游止回阀(在闭合方向)的密 封性试验,上游止回阀在低压下的密封性试验,泄放阀的 开启和闭合验证试验以及在规定条件下5000次循环的耐 久性试验. 2.4各种倒流防止装置的选用 要确定选用哪一种倒流防止装置,通常需考虑器具中 所使用液体的类别.一般认为,器具在正常使用中,与饮用 水或可能与饮用水接触的液体分为5类: 1)第1类,直接来自饮用水供水系统用于人们消费的 水: 2)第2类,对人们健康无危害的液体,该类别包括来 自饮用水供水系统,可能在味道,气味,颜色或温度(加热 或冷却)已经过了一些变化后仍被认为是适合于人们消费 的水. 3)第3类,由于一种或多种有害物质的存在对一些人 的健康有危害的液体. 4)第4类,由于一种或多种有毒或非常毒的物质,或 一 种或多种放射性,诱导有机体突变的或致癌的物质存 在,对人们的健康有危害的液体. 5)第5类,由于微生物或病毒元的存在对人们的健康 有危害的液体. 以高压清洗机和蒸汽清洗机为例,按照 IEC60335—2—79:2002+A1:2004+A2:2007,其液体类别为 第4类.然后根据表1确定其可以采用空气间隙和带低压 区的倒流防止装置来防止倒虹吸情况的出现. 表1适合于各种液体类别的安全装置列表 液体类别 防止倒虹吸的安全装置 12345 空气间隙???? 带低压区的倒流防止装置??? I【符号说明】?涉及危险;一不需要防护 49 2.5使用倒虹吸防止装置需注意的一般性问题 在每个进水阀的下游,均应装有一个倒流防止装置. 若器具需要添加清洁剂,漂洗剂,软化剂或类似药剂,则不 应添加在倒流防止装置的上游.处于倒流防止装置上游的 饮用水管道组件不应穿过器具中的非饮用水. 倒流防止器应装入器具中,并且其结构应使得:其功 能特性不能被改变,即使是意外的改变;其只能通过借助 于工具才能被取下如果被省略掉,器具便不能工作或明 显不完整. 器具的水连接系统的金属部件,其劣化可导致因倒虹 吸作用致使非饮用水进入供水管网,则应充分耐侵蚀,防 止镀锌层脱落,氧化或锈蚀. 对于动态倒流防止器:如果器具在空气间隙或管路断 流器的上游装有一个水软化器,则在水软化器的上游必须 装有一个动态倒流防止器. 结束语 由于家用及类似用途产品的复杂性和多样性,具体采 用何种防止倒虹吸装置,还需根据实际情况所涉及的多种 因素,例如各种防止倒虹吸装置的使用说明中关于其适用 于何种液体类别的描述,标;隹对某类电器产品所规定的特 殊要求以及整机产品本身的结构特点等综合考虑,来确定 其可行性和适用性. 本文通过对家电安规标准的解读并应用给排水基础 理论进行分析,介绍了防止倒虹吸现象发生的实用性措 施,并提出了常用的验证方法,希望能对此类家电产品的 设计和产品的安全检测工作提供一定的参考价值,也为家 电行业增添一份绿色,安全和环保. 参考文献 …GB47061—2005家用和类似用途电器的安全第1部 分:通用要求,中国标准出版社: 【2】GB50015-2003建筑给水排水设计规范,中国标;隹出 版社: 【3】lEC60335—1:2001+A1:2004+A2:2006Householdand similarelectricalappliances—Safety—Part1:General requirements; [4】JEC61770:2006Electricappliancesconnectedtothe watermains—AvoidanceofbacksiphOnageandfailureof hose—sets; 圈lEC60335—2—792002+A1:2004+A2:2007Household andsimilarelectricalappliances——Safety——Part2-79: Particularrequirementsforhighpressurecleanersand steamcleaners; 【6】PublicHealthRiskManagementPlanGuide’Distribution System—BackflowPrevention’,version1,RefD2.4 publishedbyMinistryofHealth. qschnaco-wwwlm?