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      家用電器節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計說明書

      2020-12-29 08:20:10下載本文作者:會員上傳
      簡介:寫寫幫文庫小編為你整理了這篇《家用電器節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計說明書》,但愿對你工作學(xué)習(xí)有幫助,當(dāng)然你在寫寫幫文庫還可以找到更多《家用電器節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計說明書》。

      家用電器節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計說明書

      設(shè)計者:

      指導(dǎo)教師:

      (XX學(xué)院,機(jī)械設(shè)計制造及其自動化工程,機(jī)本班)

      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(jìn)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。

      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(jì)意義。

      因此,我們致力于研發(fā)盡量少的的增加設(shè)備投資的情況下實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能。

      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

      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。

      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。

      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,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(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)

      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。

      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,液體過冷度△=5°C,有害過熱度△=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

      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/(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

      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

      實際水流速度

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

      m/s

      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

      管程與管子有效長度乘積

      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,對不同流程數(shù)N,有不同管長lc及筒徑D,見下表:

      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

      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?t00.75

      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?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)ξ=0.3164/Ref0.25=0.3164/(13930)0.25=0.0291

      冷卻水的流動阻力?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)計綜述如下:Ф10×1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,傳熱管實際下料長度為1000mm,殼體長度為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),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=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)勢明顯。

      工作原理及性能分析

      工作原理:能級匹配節(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?,得到?shù)量高于功的能量),較電加熱熱水器而言實現(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,實現(xiàn)熱水器的熱泵改造,實現(xiàn)設(shè)備投資的節(jié)約。

      理論估計本設(shè)計的性能要遠(yuǎn)高于空調(diào)和熱水器單獨(dú)使用。具體的性能指標(biāo)還有看實際中空調(diào)和熱水器聯(lián)用對空調(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。

      參考文獻(xiàn)

      [1]

      張小松,王鐵軍,金蘇敏

      制冷技術(shù)與裝置設(shè)計

      重慶大學(xué)出版社:142-146

      [2]

      吳業(yè)正,韓寶琦

      制冷原理及設(shè)備

      西安交通大學(xué)出版社,1998:53-54,246-250

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