家用電器節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

設(shè)計(jì)者：

指導(dǎo)教師：

（XX學(xué)院，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化工程，機(jī)本班）

作品內(nèi)容簡(jiǎn)介

通過(guò)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(guò)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(guò)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。

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(lái)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(lái)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(lái)說(shuō)，同時(shí)購(gòu)買(mǎi)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(qián)。沒(méi)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。

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

室內(nèi)換熱器

熱水器換熱器（冷凝器）

室外換熱器

壓縮機(jī)

毛細(xì)管（節(jié)流閥）

6、7

四通閥8、9

截止閥

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2

室內(nèi)換熱器

熱水器換熱器（冷凝器）

室外換熱器

壓縮機(jī)

毛細(xì)管（節(jié)流閥）

6、7

四通閥8、9

截止閥

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(mén)8，打開(kāi)閥門(mén)9，四通閥6，7通電，當(dāng)水溫較低時(shí)，閥門(mén)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(mén)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(guò)40度，只讓工質(zhì)流經(jīng)3。

室內(nèi)換熱器（蒸發(fā)器）

熱水器換熱器（冷凝器）

室外換熱器（冷凝器）

壓縮機(jī)

毛細(xì)管（節(jié)流閥）

6、7

四通閥8、9

截止閥

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(mén)9，打開(kāi)閥門(mén)8，四通閥6，7失電，此時(shí)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(guò)閥門(mén)10可以實(shí)現(xiàn)僅制熱，或者僅制熱水，同時(shí)制熱和制熱水將受室外換熱器負(fù)荷限制。

室內(nèi)換熱器（冷凝器）

熱水器換熱器（冷凝器）

室外換熱器（蒸發(fā)器）

壓縮機(jī)

毛細(xì)管（節(jié)流閥）

6、7

四通閥8、9

截止閥

可調(diào)節(jié)三通閥

圖4

制熱制熱水循環(huán)

設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要問(wèn)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(wú)法有效運(yùn)行，如何在不影響空調(diào)性能的前提下，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(shí)改動(dòng)成本也高。因此我們基本不對(duì)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(mén)開(kāi)度，市場(chǎng)有該控制電路成品，采用這種產(chǎn)品。我們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)10的控制。

3.還需要另外設(shè)計(jì)的控制包括閥門(mén)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(jì)對(duì)閥門(mén)8、9和四通閥7進(jìn)行的控制設(shè)計(jì)：

這些閥門(mén)只存在兩種狀態(tài)：狀態(tài)一：閥門(mén)8關(guān)，閥門(mén)9開(kāi)，四通閥7得電；狀態(tài)二：閥門(mén)8開(kāi)，閥門(mén)9關(guān)，四通閥7失電。所有閥門(mén)的兩種狀態(tài)對(duì)應(yīng)相反。閥門(mén)8、9均為得電打開(kāi)，因此控制電路設(shè)計(jì)就比較簡(jiǎn)單。

圖5

電磁閥控制

開(kāi)關(guān)向右，電磁閥9得電打開(kāi)，電磁閥8失電關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)制冷制熱水循環(huán)；

開(kāi)關(guān)向左，電磁閥8得電打開(kāi)，電磁閥9失電關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)制熱制熱水循環(huán)

理論設(shè)計(jì)計(jì)算

1.空調(diào)工況計(jì)算：

考慮到目前主要使用的制冷劑為R22，有必要對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改造，本設(shè)計(jì)計(jì)算采用R22做制冷劑計(jì)算，但R22對(duì)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(jì)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，液體過(guò)冷度△=5°C，有害過(guò)熱度△=5°C，壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)為λ=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(hào)

P（MPa）

t（°C）

h（kJ/kg）

v（/kg）

0

0.58378

407.143

0.58378

412

0.043

1.5335

446

1.5335

250

熱力計(jì)算：

(1)

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)

ε=/=157.143/34=4.62

ε=/=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

=/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=1.08

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)ε=(273+10)/(40-15)=11.32

指示熱力學(xué)完善度

?=ε/ε=3.7/11.32=0.327

2.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

（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(jì)計(jì)算

①

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)=0.388×10-3

m/s

平均傳熱溫差

△tm

=t，-t,／㏑[tk-t1,/(tk-t1，)]=36-32/㏑[40-32/(40-36)]=5.8

℃

②

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／πdi2u=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=4qVS／πdi2z=4×0.388×10-3/[3.14×(10-2)2×10-6×6]=1.3

m/s

③

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=1.015

m2

管程與管子有效長(zhǎng)度乘積

NLc=F0/πd2z=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(duì)不同流程數(shù)N，有不同管長(zhǎng)lc及筒徑D,見(jiàn)下表：

N

lc(m)

NZ

D(m)

lc/D

2.69

0.14

1.34

0.18

0.89

0.20

0.67

0.22

從D及l(fā)c/D值看，8流程是可取的④

傳熱系數(shù)

1)

管內(nèi)冷卻水與內(nèi)壁面的換熱系數(shù)，αi=0.023λ/di

Ref0.8Prf0.4

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)=13930

Ref0.8=2066

Pr=4.976(查物性表中的數(shù)據(jù))

Pr0.4=1.9

λ=62.48×10-2

W/(m

oC)

αi=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(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)0.25

W/(m2

·℃)

查表得

b=1465.9,c=0.725,α0=nm-0.25αco=2585?t0-0.25

W/(m2

·℃)

（4）傳熱系數(shù)大。傳熱過(guò)程分成兩部分：第一部分是熱量經(jīng)過(guò)制冷劑的傳熱過(guò)程，其傳熱溫差為?t0，第二部分是熱量經(jīng)過(guò)管外污垢管。管壁管內(nèi)污垢層以及冷卻水的傳熱過(guò)程：

第一部分的熱流密度：

q1=λα0?t=2585?t00.75

W/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：

?t0

q1

q2

7319.2

5892.5

3.5

6012.2

6614.78

3．35

6404.3

6400.9

可見(jiàn)?t0=3.35時(shí)，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(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=1/2

ρu2

[(ξ

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(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(wú)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t

假設(shè)水箱保溫不夠散熱，損失20熱能

燒水時(shí)間t’=

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?？傮w來(lái)看，啟動(dòng)空調(diào)20分鐘內(nèi)，能夠?qū)⑺疅_(kāi)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(lái)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。

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(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)，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)和熱水器聯(lián)用對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的影響程度，才能確定。

創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

1）實(shí)現(xiàn)空調(diào)和熱水器不同工況的有效整合；

2）操作和控制簡(jiǎn)便，容易地使用它；

3）空調(diào)設(shè)備在春秋冬季節(jié)得到有效利用。

在全國(guó)大中城市，空調(diào)和電熱水器普及數(shù)量很多，大部分屬于隔離狀態(tài)，有待在節(jié)能改造，因此應(yīng)用前景很廣。

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