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

家用電器節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)者：張林營(yíng)張三指導(dǎo)教師：王志坤（德州學(xué)院，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化工程，08機(jī)本三班）作品內(nèi)容簡(jiǎn)介通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)需要制冷和制熱（包括制熱水）系統(tǒng)的節(jié)能。通過對(duì)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(gè)冷凝器，在夏天使用空調(diào)時(shí)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(gè)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(duì)于家庭、酒店、理發(fā)店或醫(yī)院等系統(tǒng)來說，同時(shí)購(gòu)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(jì)方案2.1機(jī)械控制空調(diào)熱水器設(shè)計(jì)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空調(diào)熱水器系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)，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10可調(diào)節(jié)三通閥圖3制冷制熱水循環(huán)=+?=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(hào)P（MPa）t（°C）h（kJ/kg）v（/kg）00.583785407.14310.58378104120.04321.533544631.533535250熱力計(jì)算：?jiǎn)挝毁|(zhì)量制冷量=-=407.143-250=157.143kJ/kg單位容積制冷量=/=157.143/0.043=3654.5kJ/理論比功=-=446-412=34kJ/kg指示比功=/?=34/0.8=42.5kJ/kg=+=412+42.5=454.5kJ/kg制冷系數(shù)ε=/=157.143/34=4.62ε=/=157.143/42.5=3.70冷凝器單位熱負(fù)荷=-=454.5-250=204.5kJ/kg所需工質(zhì)流量=/=5.0/157.143=0.0318kg/s理論輸氣量=/λ=1.37×/0.8=1.71×/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=1.08kW壓縮機(jī)消耗的指示功率=/?=1.08/0.8=1.35kW(10)冷凝器的熱負(fù)荷==0.0318×204.5=6.50kW(11)熱力學(xué)完善度卡諾循環(huán)制冷系數(shù)ε=(273+10)/(40-15)=11.32指示熱力學(xué)完善度?=ε/ε=3.7/11.32=0.3272.熱水器換熱器設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)方法設(shè)計(jì)換熱器。設(shè)計(jì)要求：熱負(fù)荷Qk=6.5KW;冷凝溫度tk=40oC；制冷劑R22冷凝器的結(jié)構(gòu)形式：臥式殼管式冷凝器冷卻水溫t’,溫升△t,t1’=32oC;在臥式冷凝器中，一般取△t=3～5oC,取△t=4oC，冷卻水出口溫度t’’=t1’+△t=36oC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冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算冷卻水流量qvs和平均傳熱溫差△tm冷卻水流量qvs為QVS=Qk／(ρc?t)=6.5／(1000×4.187×4)=0.388×10-3m/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QUOTE的銅管，取水流速度u=1.5m/s則每流程的管子數(shù)z=4qVS／πdi2u=4×0.388×10-3/[3.14×(10-2)2×10-6×1.5]=5.15QUOTE圓整后z=6根實(shí)際水流速度u=4qVS／πdi2z=4×0.388×10-3/[3.14×(10-2)2×10-6×6]=1.3m/s管程與有效管長(zhǎng)假定熱流密度q=6400w/m2則所需的傳熱面積Fo為Fo=Qk/q=6500/6400=1.015m2管程與管子有效長(zhǎng)度乘積NLc=F0/πd2z=1.015/(3.14×0.01×6)=5.38m采用管子或正三角形排列的布置方案，管距S=20mm,對(duì)不同流程數(shù)N，有不同管長(zhǎng)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)管內(nèi)冷卻水與內(nèi)壁面的換熱系數(shù)QUOTE，αi=0.023λ/diRef0.8Prf0.4計(jì)算時(shí)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)=13930Ref0.8=2066Pr=4.976(查物性表中的數(shù)據(jù))Pr0.4=1.9λ=62.48×10-2W/(moC)αi=0.023×62.48×10-2/0.008×2066×1.9=7051W/(m2oC)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(gè)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(3)管外換熱系數(shù)α0的計(jì)算α0=cb(1/?t0d0)0.25W/(m2·℃)查表得b=1465.9,c=0.725,α0=nm-0.25αco=2585?t0-0.25W/(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=λα0?t=2585?t00.75W/m3第二部分的熱流密度為：q2=?ti/[(1/αi+γi)d0/di+δ/λ(d0/dm)+γ0]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)取不同的?t0試湊：?t0q1q237319.25892.53.56012.26614.783．356404.36400.9可見?t0=3.35時(shí)，q1與q2的誤差已經(jīng)很小，所以tw=36.65oC，q=6404W/m2這與前面假定的q=6400W/m2只差0.6%，表明前面的假定可取。(5)傳熱面積和管長(zhǎng)：傳熱面積F0=1.015m2，有效管長(zhǎng)L=0.67m，適當(dāng)增加后，取管長(zhǎng)為0.93m。(6)水的流動(dòng)阻力沿程阻力系數(shù)ξ=0.3164/Ref0.25=0.3164/(13930)0.25=0.0291冷卻水的流動(dòng)阻力?P為：?P=1/2ρu2[(ξNL/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=86.7W設(shè)計(jì)綜述如下：Ф10×1的銅管總數(shù)為48根，每根傳熱管的有效長(zhǎng)度為930mm，管板的厚度取30mm，考慮傳熱與管板之間脹管加工時(shí)兩端各伸出3mm，傳熱管實(shí)際下料長(zhǎng)度為1000mm，殼體長(zhǎng)度為930mm，殼體規(guī)格為Ф273×7mm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(zhǎng)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(shí)間計(jì)算（實(shí)用性計(jì)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(shí)間tQUOTE假設(shè)水箱保溫不夠散熱，損失20QUOTE熱能燒水時(shí)間t’=QUOTE冷凝器設(shè)計(jì)入口溫度為32℃，當(dāng)水溫較低(<=32)時(shí)，冷凝器的傳熱溫差較大，傳熱快。當(dāng)水溫較高（>32℃）時(shí)，冷凝器的傳熱溫差較小，傳熱慢。總體來看，啟動(dòng)空調(diào)20分鐘內(nèi)，能夠?qū)⑺疅_到40℃供洗澡用。4.節(jié)能計(jì)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*50=10467500J本裝置耗能：W=cm?t=4187*50*(30/4.3+20)=4187000J與使用電熱水器加熱相比節(jié)能：46%。綜上，本設(shè)計(jì)主要在節(jié)約電熱水器加熱部分的能量，至少能節(jié)能40%以上。且夏天能利用空調(diào)制冷的熱量，春秋冬季使用熱泵制熱，節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯。4工作原理及性能分析工作原理：能級(jí)匹配節(jié)能原理，熱泵原理電熱水器通過電加熱的方式加熱水，是把功變成熱，能級(jí)嚴(yán)重不匹配，造成能源的品質(zhì)浪費(fèi)。本作品基于熱泵原理（通過做功把熱量由低溫?zé)嵩磦飨蚋邷責(zé)嵩矗玫綌?shù)量高于功的能量），較電加熱熱水器而言實(shí)現(xiàn)電能的合理利用。性能分析：從經(jīng)濟(jì)性上來說，熱泵成本較高，本作品合理的利用空調(diào)裝置，實(shí)現(xiàn)熱水器的熱泵改造，實(shí)現(xiàn)設(shè)備投資的節(jié)約。理論估計(jì)本設(shè)計(jì)的性能要遠(yuǎn)高于空調(diào)和熱水器單獨(dú)使用。具體的性能指標(biāo)還有看實(shí)際中空調(diào)和