說明書模板-家用電器節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計說明書(僅供參考).doc

1 家用電器節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計說明書 設(shè)計者 張林營 張 三 指導(dǎo)教師 王志坤 德州學(xué)院 機械設(shè)計制造及其自動化工程 08 機本三班 作品內(nèi)容簡介 通過實驗設(shè)計了一套空調(diào)與電熱水器聯(lián)合節(jié)能系統(tǒng) 實現(xiàn)家庭 酒店 理發(fā)店醫(yī)院等同 時需要制冷和制熱 包括制熱水 系統(tǒng)的節(jié)能 通過對空調(diào)系統(tǒng)的改進實現(xiàn) 空調(diào)廢熱利用 節(jié)約熱水器耗能 把熱水器變成空調(diào)系統(tǒng)的一個冷凝器 在夏天使用空調(diào)時順便加熱熱水 熱水器不耗電 春秋冬通過熱泵原理 利用空調(diào)設(shè)備 用電能取得大量熱量 實現(xiàn)節(jié)能 1 研制背景及意義 空調(diào)和熱水器是家庭的必備家電 目前大中城市普遍采用的是電熱水器 酒店既大量使 用空調(diào)有需要大量熱水 夏天空調(diào)制冷產(chǎn)生的大量廢熱 如果能利用這些廢熱來加熱水可提 供大量生活熱水 春秋冬季節(jié)需要大量生活熱水 如果用電熱水器來加熱 能耗很到 空調(diào) 設(shè)備也基本閑置 如果能利用空調(diào)裝置和熱水器裝置構(gòu)成一個熱泵 既可實現(xiàn)空調(diào)裝置的有 效利用 也能實現(xiàn)熱水器的節(jié)能 對于家庭 酒店 理發(fā)店或醫(yī)院等系統(tǒng)來說 同時購買空調(diào)和熱泵熱水器可實現(xiàn)有效節(jié) 能 但是熱泵熱水器投資巨大 節(jié)能卻不省錢 沒有經(jīng)濟意義 因此 我們致力于研發(fā)盡量少的的增加設(shè)備投資的情況下實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能 2 設(shè)計方案 2 1 機械控制 空調(diào)熱水器設(shè)計如圖 1 所示 1 室內(nèi)換熱器 2 熱水器換熱器 冷凝器 3 室外換熱器 4 壓縮機 5 毛細(xì)管 節(jié)流閥 6 7 四通閥 2 8 9 截止閥 10 可調(diào)節(jié)三通閥 圖 1 空調(diào)熱水器系統(tǒng)設(shè)計圖 空調(diào)熱水器原理圖如圖 2 1 室內(nèi)換熱器 2 熱水器換熱器 冷凝器 3 室外換熱器 4 壓縮機 5 毛細(xì)管 節(jié)流閥 6 7 四通閥 8 9 截止閥 10 可調(diào)節(jié)三通閥 圖 2 空調(diào)熱水器原理圖 制冷 制熱水循環(huán) 關(guān)閉閥門 8 打開閥門 9 四通閥 6 7 通電 當(dāng)水溫較低時 閥門 10 調(diào)節(jié)流量是工質(zhì) 全部流向 2 熱水器換熱器 加熱水 當(dāng)水溫升高 32 度 調(diào)節(jié)閥門 10 減小流向 2 的流量 讓一部份工質(zhì)流經(jīng) 3 室外換熱器 當(dāng)水溫超過 40 度 只讓工質(zhì)流經(jīng) 3 1 室內(nèi)換熱器 蒸發(fā)器 2 熱水器換熱器 冷凝器 3 室外換熱器 冷凝器 4 壓縮機 5 毛細(xì)管 節(jié)流閥 6 7 四通閥 8 9 截止閥 10 可調(diào)節(jié)三通閥 3 圖 3 制冷制熱水循環(huán) 制熱 制熱水循環(huán) 關(guān)閉閥門 9 打開閥門 8 四通閥 6 7 失電 此時 3 室外換熱器 充當(dāng)蒸發(fā)器 1 室內(nèi)換熱器 2 熱水器換熱器 充當(dāng)冷凝器 通過閥門 10 可以實現(xiàn)僅制熱 或者僅 制熱水 同時制熱和制熱水將受室外換熱器負(fù)荷限制 1 室內(nèi)換熱器 冷凝器 2 熱水器換熱器 冷凝器 3 室外換熱器 蒸發(fā)器 4 壓縮機 5 毛細(xì)管 節(jié)流閥 6 7 四通閥 8 9 截止閥 10 可調(diào)節(jié)三通閥 圖 4 制熱制熱水循環(huán) 設(shè)計時考慮的主要問題 1 熱水器和空調(diào)的工況差異大 在水溫的不同階段由于工況的漂移 壓縮機負(fù)荷急劇變 化 致使機組無法有效運行 如何在不影響空調(diào)性能的前提下 實現(xiàn)空調(diào)的熱量利用 2 空調(diào)熱水器能否實現(xiàn)的四季均可利用 3 熱水器換熱器怎么在空調(diào)中一直充當(dāng)冷凝器 2 2 電器部分 電路控制 1 空調(diào)控制系統(tǒng)十分復(fù)雜 修改難度大 同時改動成本也高 因此我們基本不對空調(diào) 控制系統(tǒng)的進行修改 2 根據(jù)水溫調(diào)節(jié)閥門開度 市場有該控制電路成品 采用這種產(chǎn)品 我們可以實現(xiàn)對 閥門 10 的控制 3 還需要另外設(shè)計的控制包括閥門 8 9 和四通閥 7 注 四通閥 6 在空調(diào)控制系統(tǒng)中 下面設(shè)計對閥門 8 9 和四通閥 7 進行的控制設(shè)計 4 這些閥門只存在兩種狀態(tài) 狀態(tài)一 閥門 8 關(guān) 閥門 9 開 四通閥 7 得電 狀態(tài)二 閥 門 8 開 閥門 9 關(guān) 四通閥 7 失電 所有閥門的兩種狀態(tài)對應(yīng)相反 閥門 8 9 均為得電打 開 因此控制電路設(shè)計就比較簡單 圖 5 電磁閥控制 開關(guān)向右 電磁閥 9 得電打開 電磁閥 8 失電關(guān)閉 實現(xiàn)制冷制熱水循環(huán) 開關(guān)向左 電磁閥 8 得電打開 電磁閥 9 失電關(guān)閉 實現(xiàn)制熱制熱水循環(huán) 3 理論設(shè)計計算 1 空調(diào)工況計算 空調(diào)工況計算 考慮到目前主要使用的制冷劑為 R22 有必要對原有設(shè)備進行節(jié)能改造 本設(shè)計計算采 用 R22 做制冷劑計算 但 R22 對臭氧層有破壞作用 屬于將要淘汰的制冷劑之一 故在日后 新產(chǎn)品的設(shè)計制造中考慮使用 R134a 等環(huán)保制冷劑 空調(diào)制冷系統(tǒng) 工質(zhì)為 R22 需要制冷量 5kW 空調(diào)用冷氣溫度為 15 C 蒸發(fā)器端 0 Q c t 部傳熱溫差為 10 C 冷卻水溫度為 32 C 冷凝器端部的傳熱溫差取 8 C k t w t k t 液體過冷度 5 C 有害過熱度 5 C 壓縮機的輸氣系數(shù)為 0 8 指示效率 g t r t 0 8 i 分析 繪制制冷循環(huán)的壓 焓圖 如右圖所示 根據(jù)已知條件 得出制冷劑的工作溫度為 32 8 40 C k t w t k t 5 10 5 5 C 0 t c t 0 t 40 5 35 C3t k tgt 5 5 10 C1t0trt 查 R22 表得到各循環(huán)特征點的狀態(tài)參數(shù)如下 點號P MPa t C h kJ kg v kg 3 m 00 583785407 143 10 58378104120 043 21 5335446 31 533535250 熱力計算 1 單位質(zhì)量制冷量 407 143 250 157 143kJ kg 0 q 0 h 4 h 2 單位容積制冷量 157 143 0 043 3654 5kJ v q 0 q 1 v 3 m 3 理論比功 446 412 34kJ kg 0 w 2 h 1 h 4 指示比功 34 0 8 42 5kJ kg i w 0 w i 412 42 5 454 5kJ kg 2s h 1 h i w 5 制冷系數(shù) 157 143 34 4 62 00 q 0 w 157 143 42 5 3 70 i0 q i w 6 冷凝器單位熱負(fù)荷 454 5 250 204 5kJ kg k q 2s h 3 h 7 所需工質(zhì)流量 5 0 157 143 0 0318kg s m q 0 Q 0 q 8 理論輸氣量 1 37 0 8 1 71 s vh q vs q 3 10 3 10 3 m 實際輸氣量 0 0318 0 043 1 37 s vs q m q 1 v 3 10 3 m 6 9 壓縮機消耗的理論比功 0 0318 34 1 08 kW 0 p m p 0 w 壓縮機消耗的指示功率 1 08 0 8 1 35 kW i p 0 p i 10 冷凝器的熱負(fù)荷 0 0318 204 5 6 50 kW k Q m q k q 11 熱力學(xué)完善度 卡諾循環(huán)制冷系數(shù) 273 10 40 15 11 32 c 指示熱力學(xué)完善度 3 7 11 32 0 327 ciic 2 熱水器換熱器設(shè)計計算 熱水器換熱器設(shè)計計算 經(jīng)分析 該換熱器在空調(diào)中一直起著水冷式冷凝器的作用 下面按照水冷式冷凝器的設(shè)計方 法設(shè)計換熱器 設(shè)計要求 熱負(fù)荷 Qk 6 5KW 冷凝溫度 tk 40oC 制冷劑 R22 1 冷凝器的結(jié)構(gòu)形式 臥式殼管式冷凝器 2 冷卻水溫 t 溫升 t t1 32oC 在臥式冷凝器中 一般取 t 3 5oC 取 t 4 oC 冷卻水出口溫度 t t1 t 36 oC 3 冷凝器中污垢熱阻 管外熱阻 ro 0 9x10 4m2 oC W 管內(nèi)熱阻 ri 0 9x10 4m2 oC W 4 冷凝器的設(shè)計計算 冷卻水流量 qvs 和平均傳熱溫差 tm 冷卻水流量 qvs為 QVS Qk c t 6 5 1000 4 187 4 0 388 10 3 m s 平均傳熱溫差 tm t t tk t1 tk t1 36 32 40 32 40 36 5 8 初步規(guī)劃的結(jié)構(gòu)尺寸 選用的銅管 取水流速度 u 1 5m s 則每流程的管子數(shù) z 4qVS di2u 4 0 388 10 3 3 14 10 2 2 10 6 1 5 5 15 圓整后 z 6 根 實際水流速度 u 4qVS di2z 4 0 388 10 3 3 14 10 2 2 10 6 6 1 3 m s 管程與有效管長 假定熱流密度 q 6400w m2則所需的傳熱面積 Fo為 7 Fo Qk q 6500 6400 1 015 m2 管程與管子有效長度乘積 NLc F0 d2z 1 015 3 14 0 01 6 5 38 m 采用管子或正三角形排列的布置方案 管距 S 20mm 對不同流程數(shù) N 有不同管長 lc及筒徑 D 見下表 Nlc m NZD m lc D 22 69120 1419 41 34240 187 60 89360 204 80 67480 223 從 D 及 lc D 值看 8 流程是可取的 傳熱系數(shù) 1 管內(nèi)冷卻水與內(nèi)壁面的換熱系數(shù) i 0 023 di Ref0 8Prf0 4 計算時取冷卻水的平均溫度 ts為定性溫度 ts t1 t1 2 32 36 2 34 Ref udi v 1 3 0 008 0 7466 10 6 13930 Ref0 8 2066 Pr 4 976 查物性表中的數(shù)據(jù) Pr0 4 1 9 62 48 10 2 W m oC i 0 023 62 48 10 2 0 008 2066 1 9 7051 W m2 oC 2 水平管的排數(shù) 8 因流程數(shù) N 8 總的管子數(shù) Nz 48 將這些管子布置在 17 個縱列內(nèi) 每列管 子數(shù)分別為 1 2 3 4 3 3 3 3 4 3 3 3 3 4 3 2 1 則按公式 48 2 10 75 2 20 75 10 30 75 3 40 75 4 2 94 m n 3 管外換熱系數(shù) 0的計算 0 cb 1 t0d0 0 25 W m2 查表得 b 1465 9 c 0 725 0 nm 0 25 co 2585 t0 0 25 W m2 4 傳熱系數(shù)大 傳熱過程分成兩部分 第一部分是熱量經(jīng)過制冷劑的傳熱過程 其傳熱溫差為 t0 第二部分是熱量經(jīng)過管外污垢管 管壁管內(nèi)污垢層以及冷卻水的 傳熱過程 第一部分的熱流密度 q1 0 t 2585 t00 75 W m3 第二部分的熱流密度為 q2 ti 1 i i d0 di d0 dm 0 W m2 其中 dm為管子的平均直徑 將有關(guān)數(shù)值代入求的 q2 2614 ti 2614 5 8 t0 9 取不同的 t0試湊 t0q1q2 37319 25892 5 3 56012 26614 78 3 356404 36400 9 可見 t0 3 35 時 q1與 q2的誤差已經(jīng)很小 所以 tw 36 65oC q 6404 W m2 這與前面假定的 q 6400 W m2 只差 0 6 表明前面的假定可取 5 傳熱面積和管長 傳熱面積 F0 1 015m2 有效管長 L 0 67m 適當(dāng)增加后 取管長為 0 93m 6 水的流動阻力 沿程阻力系數(shù) 0 3164 Ref0 25 0 3164 13930 0 25 0 0291 冷卻水的流動阻力 P 為 P 1 2 u2 N L di 1 5 N 1 0 5 1000 1 32 0 0291 8 0 93 0 008 1 5 8 1 0 034MPa 考慮到外部管路損失 冷卻水總壓降約為 P 0 1 P 0 134MPa 取離心水泵的效率 0 6 則水泵所需的功率為 Pe qr P 0 388 10 3 0 134 106 0 6 86 7 W 設(shè)計綜述如下 設(shè)計綜述如下 10 1 1 的銅管總數(shù)為的銅管總數(shù)為 4848 根 每根傳熱管的有效長度為根 每根傳熱管的有效長度為 930mm930mm 管板的厚度取管板的厚度取 30mm30mm 考慮傳熱與管板之間脹管加工時兩端各伸出 考慮傳熱與管板之間脹管加工時兩端各伸出 3mm3mm 傳熱管實際下 傳熱管實際下 料長度為料長度為 1000mm1000mm 殼體長度為 殼體長度為 930mm930mm 殼體規(guī)格為 殼體規(guī)格為 273 7mm 273 7mm 的無縫鋼管 取端蓋的無縫鋼管 取端蓋 水腔深度為水腔深度為 50 60mm50 60mm 端蓋鑄造厚度約為 端蓋鑄造厚度約為 10mm10mm 則冷凝器外形總長為 則冷凝器外形總長為 1100mm1100mm 冷卻 冷卻 水流程為水流程為 8 8 傳熱管 傳熱管 4848 根 冷凝器外壁涂上根 冷凝器外壁涂上 1mm1mm 的隔熱涂料 的隔熱涂料 10 3 熱水器燒水時間計算 實用性計算 熱水器燒水時間計算 實用性計算 熱水器換熱器熱負(fù)荷 6 5kW 電熱水器總共 50L 水 將 50L 水從 14 加熱到 40 水溫升高 26 燒水時間 t 假設(shè)水箱保溫不夠散熱 損失 20 熱能 燒水時間 t 冷凝器設(shè)計入口溫度為 32 當(dāng)水溫較低 32 時 冷凝器的傳熱溫差較小 傳熱慢 總體來看 啟動空調(diào) 20 分鐘 內(nèi) 能夠?qū)⑺疅_到 40 供洗澡用 4 節(jié)能計算節(jié)能計算 情況 1 夏季使用空調(diào)制冷 且需要熱水洗澡 冷水水溫 20 需要水溫 40 節(jié)約全部原來需要電熱水器燒水消耗的電能 需要水溫 60 節(jié)約初始 20 到 40 的燒水電能 40 到 60 使用電熱水器加熱 電熱水器耗能 W cm t 4187 50 40 8374000J 本裝置耗能 W cm t 4187 50 20 4187000J 與使用電熱水器加熱相比節(jié)能 8374000 4187000 8374000 50 情況 2 春秋季節(jié)不使用空調(diào)制冷 且需要熱水洗澡 冷水水溫 15 需要水溫 40 使用熱泵加熱 供熱系數(shù)為 4 3 與電熱水器加熱相比 節(jié)約電能 76 需要水溫 60 先使用熱泵將水加熱到 40 再用電熱水器加熱到 60 電熱水器耗能 W cm t 4187 50 45 9420750J 本裝置耗能 W cm t 4187 50 25 4 3 20 5404151J 與使用電熱水器加熱相比節(jié)能 42 6 情況 2 春秋季節(jié)不使用空調(diào)制冷 且需要熱水洗澡 冷水水溫 10 需要水溫 40 使用熱泵加熱 供熱系數(shù)為 4 3 與電熱水器加熱相比 節(jié)約電能 7