家用電器節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計說明書

1、家用電器節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計說明書設(shè)計者：張林營指導(dǎo)教師：王志坤（德州學(xué)院，機(jī)械設(shè)計制造及其自動化工程，08機(jī)本三班 ）作品內(nèi)容簡介通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計了一套空調(diào)與電熱水器聯(lián)合節(jié)能系統(tǒng)，實(shí)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(jìn)實(shí)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(shí)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

2、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(shí)現(xiàn)空調(diào)裝置的有效利用，也能實(shí)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(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能。2 設(shè)計方案2.1機(jī)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(jī) 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1 空

3、調(diào)熱水器系統(tǒng)設(shè)計圖空調(diào)熱水器原理圖如圖21 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(jī) 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(jī) 5 毛細(xì)管（節(jié)流閥） 6、7 四通閥8、9 截止閥

4、 10 可調(diào)節(jié)三通閥圖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(shí)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(jī) 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(jī)負(fù)荷急劇變化，致使機(jī)組無法有效運(yùn)行，如何在不影響空調(diào)性能的前提下，

5、實(shí)現(xiàn)空調(diào)的熱量利用？2.空調(diào)熱水器能否實(shí)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(jìn)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(shí)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(jìn)行的控制設(shè)計：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

6、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(shí)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(shí)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：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(jìn)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?？照{(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)器端部傳熱溫差為 =10°C，冷卻水溫度為=32°C，冷凝器

7、端部的傳熱溫差取 = 8°C，液體過冷度=5°C，有害過熱度=5°C，壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)為=0.8,指示效率=0.8。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 =-=10-5=5°C =-=40-5=35°C =+=5+5=10°C查R22表得到各循環(huán)特征點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)如下：點(diǎn)號P（MPa）t（°C）h（kJ/kg）v（/kg）00.583785407.14310.58378104120.04321.533544631.533535250熱力計算：(1)

8、 單位質(zhì)量制冷量=-=407.143-250=157.143kJ/kg(2) 單位容積制冷量=/=157.143/0.043=3654.5kJ/(3) 理論比功=-=446-412=34kJ/kg(4) 指示比功=/=34/0.8=42.5kJ/kg=+=412+42.5=454.5kJ/kg(5) 制冷系數(shù)=/=157.143/34=4.62=/=157.143/42.5=3.70(6) 冷凝器單位熱負(fù)荷=-=454.5-250=204.5kJ/kg(7) 所需工質(zhì)流量=/=5.0/157.143=0.0318kg/s(8) 理論輸氣量 =/=1.37×/0.8=1.71×

9、; /s實(shí)際輸氣量 =0.0318×0.043=1.37× /s(9)壓縮機(jī)消耗的理論比功 =0.0318×34=1.08 kW壓縮機(jī)消耗的指示功率 =/ =1.08/0.8=1.35 kW(10)冷凝器的熱負(fù)荷 =0.0318×204.5=6.50 kW(11)熱力學(xué)完善度卡諾循環(huán)制冷系數(shù)=(273+10)/(40-15)=11.32指示熱力學(xué)完善度 =/=3.7/11.32=0.3272.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

10、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=35oC,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(ct)=6.5(1000×4.187×4)=0.388×10-3 m/s平均傳熱溫差 tm =t,-t,tk-t1,/(tk-t

11、1,)=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=4qVSdi2u=4×0.388×10-3/3.14×(10-2)2×10-6×1.5=5.15 圓整后z=6 根 實(shí)際水流速度u=4qVSdi2z=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Fo=Qk/q=6500/6400=1.015 m2管程與管子

12、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/D22.69120.141941.34240.18760.89360.20480.67480.223從D及l(fā)c/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.

13、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)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&#

14、215;40.75)4=2.94(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-0.25co=2585t0-0.25 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=0t=2585t00.75 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

15、：q2=2614ti=2614(5.8-t0)取不同的t0試湊：t0q1q237319.25892.53.56012.26614.783356404.36400.9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 (

16、 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：10×1的銅管總數(shù)為48根，每根傳熱管的有效長度為930mm，管板的厚度取30mm，考慮傳熱與管板之間脹管加工時兩端各伸出3mm，傳熱管實(shí)際下料長度為

17、1000mm，殼體長度為930mm，殼體規(guī)格為273×7mm的無縫鋼管，取端蓋水腔深度為50-60mm，端蓋鑄造厚度約為10mm，則冷凝器外形總長為1100mm。冷卻水流程為8，傳熱管48根。冷凝器外壁涂上1mm的隔熱涂料。3.熱水器燒水時間計算（實(shí)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大，傳熱快。當(dāng)水溫較高（>32）時，冷凝器的傳熱溫差較小，傳熱慢?？傮w來看， 啟動空調(diào)20分鐘內(nèi)，

18、能夠?qū)⑺疅_到40供洗澡用。4.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=cmt=4187*50*40=8374000J本裝置耗能：W=cmt=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=cmt=4187*50*45=9420750J本裝置耗能：W=cmt=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76%。需要水溫60，先使用熱泵將水加熱到