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家用电器节能系统设计说明书 设计者：张林营 张 三 指导教师：王志坤 （德州学院，机械设计制造及其自动化工程，08 机本三班 ） 作品内容简介 通过实验设计了一套空调与电热水器联合节能系统，实现家庭、酒店、理发店医院等同 时需要制冷和制热（包括制热水）系统的节能。通过对空调系统的改进实现，空调废热利用， 节约热水器耗能。把热水器变成空调系统的一个冷凝器，在夏天使用空调时顺便加热热水， 热水器不耗电；春秋冬通过热泵原理，利用空调设备，用电能取得大量热量，实现节能。 1 研制背景及意义 空调和热水器是家庭的必备家电，目前大中城市普遍采用的是电热水器，酒店既大量使 用空调有需要大量热水，夏天空调制冷产生的大量废热，如果能利用这些废热来加热水可提 供大量生活热水。春秋冬季节需要大量生活热水，如果用电热水器来加热，能耗很到，空调 设备也基本闲置，如果能利用空调装置和热水器装置构成一个热泵，既可实现空调装置的有 效利用，也能实现热水器的节能。 对于家庭、酒店、理发店或医院等系统来说，同时购买空调和热泵热水器可实现有效节 能，但是热泵热水器投资巨大，节能却不省钱。没有经济意义。 因此，我们致力于研发尽量少的的增加设备投资的情况下实现系统的节能。 2 设计方案 2.1 机械控制 空调热水器设计如图 1 所示 1 室内换热器 2 热水器换热器（冷凝器） 3 室外换热器 4 压缩机 5 毛细管（节流阀） 6、7 四通阀 8、9 截止阀 10 可调节三通阀 图 1 空调热水器系统设计图 空调热水器原理图如图 2 1 室内换热器 2 热水器换热器（冷凝器） 3 室外换热器 4 压缩机 5 毛细管（节流阀） 6、7 四通阀 8、9 截止阀 10 可调节三通阀 图 2 空调热水器原理图 制冷、制热水循环： 关闭阀门 8，打开阀门 9，四通阀 6，7 通电，当水温较低时，阀门 10 调节流量是工质 全部流向 2（热水器换热器）加热水，当水温升高（32 度）调节阀门 10 减小流向 2 的流量， 让一部份工质流经 3（室外换热器） ，当水温超过 40 度，只让工质流经 3。 1 室内换热器（蒸发器） 2 热水器换热器（冷凝器） 3 室外换热器（冷凝器） 4 压缩机 5 毛细管（节流阀） 6、7 四通阀 8、9 截止阀 10 可调节三通阀 图 3 制冷制热水循环 制热、制热水循环： 关闭阀门 9，打开阀门 8，四通阀 6，7 失电，此时 3（室外换热器）充当蒸发器， 1（室内换热器） 、2（热水器换热器）充当冷凝器， 通过阀门 10 可以实现仅制热，或者仅 制热水，同时制热和制热水将受室外换热器负荷限制。 1 室内换热器（冷凝器） 2 热水器换热器（冷凝器） 3 室外换热器（蒸发器） 4 压缩机 5 毛细管（节流阀） 6、7 四通阀 8、9 截止阀 10 可调节三通阀 图 4 制热制热水循环 设计时考虑的主要问题： 1.热水器和空调的工况差异大，在水温的不同阶段由于工况的漂移，压缩机负荷急剧变 化，致使机组无法有效运行，如何在不影响空调性能的前提下，实现空调的热量利用？ 2.空调热水器能否实现的四季均可利用？ 3.热水器换热器怎么在空调中一直充当冷凝器？ 2.2 电器部分（电路控制） 1. 空调控制系统十分复杂，修改难度大，同时改动成本也高。因此我们基本不对空调 控制系统的进行修改。 2. 根据水温调节阀门开度，市场有该控制电路成品，采用这种产品。我们可以实现对 阀门 10 的控制。 3. 还需要另外设计的控制包括阀门 8、9 和四通阀 7， （注：四通阀 6 在空调控制系统中） 下面设计对阀门 8、9 和四通阀 7 进行的控制设计： 这些阀门只存在两种状态：状态一：阀门 8 关，阀门 9 开，四通阀 7 得电；状态二：阀 门 8 开，阀门 9 关，四通阀 7 失电。所有阀门的两种状态对应相反。阀门 8、9 均为得电打 开，因此控制电路设计就比较简单。 图 5 电磁阀控制 开关向右，电磁阀 9 得电打开，电磁阀 8 失电关闭，实现制冷制热水循环； 开关向左，电磁阀 8 得电打开，电磁阀 9 失电关闭，实现制热制热水循环 3 理论设计计算 1.空调工况计算：空调工况计算： 考虑到目前主要使用的制冷剂为 R22，有必要对原有设备进行节能改造，本设计计算采 用 R22 做制冷剂计算，但 R22 对臭氧层有破坏作用，属于将要淘汰的制冷剂之一。故在日后 新产品的设计制造中考虑使用 R134a 等环保制冷剂。 空调制冷系统，工质为 R22，需要制冷量=5kW，空调用冷气温度为=15C，蒸发器端 0 Q c t 部传热温差为 =10C，冷却水温度为=32C，冷凝器端部的传热温差取 = 8C， k t w t k t 液体过冷度=5C，有害过热度=5C，压缩机的输气系数为 =0.8,指示效率 g t r t =0.8。 i 分析：绘制制冷循环的压-焓图，如右图所示 根据已知条件，得出制冷剂的工作温度为： =+=32+8=40C k t w t k t =-=10-5=5C 0 t c t 0 t =-=40-5=35C3t k tgt =+=5+5=10C1t0trt 查 R22 表得到各循环特征点的状态参数如下： 点号P（MPa）t（C）h（kJ/kg）v（/kg） 3 m 00.583785407.143 10.58378104120.043 21.5335446 31.533535250 热力计算： (1) 单位质量制冷量 =-=407.143-250=157.143kJ/kg 0 q 0 h 4 h (2) 单位容积制冷量 =/=157.143/0.043=3654.5kJ/ v q 0 q 1 v 3 m (3) 理论比功 =-=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) 制冷系数 =/=157.143/34=4.62 00 q 0 w =/=157.143/42.5=3.70 i0 q i w (6) 冷凝器单位热负荷 =-=454.5-250=204.5kJ/kg k q 2s h 3 h (7) 所需工质流量 =/=5.0/157.143=0.0318kg/s m q 0 Q 0 q (8) 理论输气量 =/=1.37/0.8=1.71 /s vh q vs q 3 10 3 10 3 m 实际输气量 =0.03180.043=1.37 /s vs q m q 1 v 3 10 3 m (9)压缩机消耗的理论比功 =0.031834=1.08 kW 0 p m p 0 w 压缩机消耗的指示功率 =/ =1.08/0.8=1.35 kW i p 0 p i (10)冷凝器的热负荷 =0.0318204.5=6.50 kW k Q m q k q (11)热力学完善度 卡诺循环制冷系数 =(273+10)/(40-15)=11.32 c 指示热力学完善度 = / =3.7/11.32=0.327 ciic 2.热水器换热器设计计算：热水器换热器设计计算： 经分析：该换热器在空调中一直起着水冷式冷凝器的作用，下面按照水冷式冷凝器的设计方 法设计换热器。 设计要求：热负荷 Qk=6.5KW; 冷凝温度 tk=40oC；制冷剂 R22 （1） 冷凝器的结构形式：卧式壳管式冷凝器 （2） 冷却水温 t , 温升t , t1=32oC;在卧式冷凝器中，一般取t=35oC, 取t=4 oC ， 冷却水出口温度 t = t1+t=36 oC （3） 冷凝器中污垢热阻 管外热阻 ro=0.9x10-4m2.oC/W 管内热阻 ri= 0.9x10-4m2.oC/W （4） 冷凝器的设计计算 冷却水流量 qvs 和平均传热温差tm 冷却水流量 qvs为 QVS=Qk(ct)=6.5(10004.1874)=0.38810-3 m/s 平均传热温差 tm =t,-t,tk-t1,/(tk-t1,)=36-32/40-32/(40-36)=5.8 初步规划的结构尺寸 选用的铜管，取水流速度 u=1.5m/s 则每流程的管子数 z=4qVSdi2u=40.38810-3/3.14(10-2)210-61.5=5.15 圆整后 z=6 根 实际水流速度 u=4qVSdi2z=40.38810-3/3.14(10-2)210-66=1.3 m/s 管程与有效管长 假定热流密度 q=6400w/m2则所需的传热面积 Fo为 Fo=Qk/q=6500/6400=1.015 m2 管程与管子有效长度乘积 NLc=F0/d2z=1.015/(3.140.016)=5.38 m 采用管子或正三角形排列的布置方案，管距 S=20mm,对不同流程数 N， 有不同管长 lc及筒径 D,见下表： Nlc(m)NZD(m)lc/D 22.69120.1419 41.34240.187 60.89360.204 80.67480.223 从 D 及 lc/D 值看，8 流程是可取的 传热系数 1) 管内冷却水与内壁面的换热系数 ， i=0.023/di Ref0.8Prf0.4 计算时取冷却水的平均温度 ts为定性温度 ts=(t1+t1)/2=(32+36)/2=34 Ref=udi/v=1.30.008/(0.746610-6)=13930 Ref0.8=2066 Pr=4.976(查物性表中的数据) Pr0.4=1.9 =62.4810-2 W/(m oC) i=0.02362.4810-2/0.00820661.9=7051 W/(m2 oC) 2) 水平管的排数 因流程数 N=8，总的管子数 Nz=48，将这些管子布置在 17 个纵列内，每列管 子数分别为 1，2，3，4，3，3，3，3，4，3，3，3，3，4，3，2，1 则按公式 =48/(210.75+220.75+1030.75+340.75)4=2.94 m n (3)管外换热系数 0的计算 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）传热系数大。传热过程分成两部分：第一部分是热量经过制冷剂的传热过程， 其传热温差为t0，第二部分是热量经过管外污垢管。管壁管内污垢层以及冷却水的 传热过程： 第一部分的热流密度： q1=0t=2585t00.75 W/m3 第二部分的热流密度为： q2=ti/(1/i+i)d0/di+/(d0/dm)+ 0 W/m2 其中 dm为管子的平均直径，将有关数值代入求的： q2=2614ti=2614(5.8-t0) 取不同的t0试凑： t0q1q2 37319.25892.5 3.56012.26614.78 3356404.36400.9 可见t0=3.35 时，q1与 q2的误差已经很小，所以 tw=36.65oC，q=6404 W/m2 这与前面假定的 q=6400 W/m2 只差 0.6%，表明前面的假定可取。 (5)传热面积和管长： 传热面积 F0=1.015m2，有效管长 L=0.67m ， 适当增加后，取管长为 0.93m。 (6)水的流动阻力 沿程阻力系数 =0.3164/Ref0.25=0.3164/(13930)0.25=0.0291 冷却水的流动阻力P 为： P=1/2 u2 ( N L/di )+1.5(N+1) =0.510001.320.029180.93/0.008+1.5(8+1) =0.034MPa 考虑到外部管路损失，冷却水总压降约为： P，=0.1+P=0.134MPa 取离心水泵的效率 =0.6，则水泵所需的功率为： Pe =qr P，/=0.38810-30.134106/0.6=86.7 W 设计综述如下：设计综述如下：1011 的铜管总数为的铜管总数为 4848 根，每根传热管的有效长度为根，每根传热管的有效长度为 930mm930mm， 管板的厚度取管板的厚度取 30mm30mm，考虑传热与管板之间胀管加工时两端各伸出，考虑传热与管板之间胀管加工时两端各伸出 3mm3mm，传热管实际下，传热管实际下 料长度为料长度为 1000mm1000mm，壳体长度为，壳体长度为 930mm930mm，壳体规格为，壳体规格为 2737mm2737mm 的无缝钢管，取端盖的无缝钢管，取端盖 水腔深度为水腔深度为 50-60mm50-60mm，端盖铸造厚度约为，端盖铸造厚度约为 10mm10mm，则冷凝器外形总长为，则冷凝器外形总长为 1100mm1100mm。冷却。冷却 水流程为水流程为 8 8，传热管，传热管 4848 根。冷凝器外壁涂上根。冷凝器外壁涂上 1mm1mm 的隔热涂料。的隔热涂料。 3.热水器烧水时间计算（实用性计算）：热水器烧水时间计算（实用性计算）： 热水器换热器热负荷 6.5kW ，电热水器总共 50L 水 将 50L 水从 14加热到 40水温升高 26 烧水时间 t 假设水箱保温不够散热，损失 20 热能 烧水时间 t= 冷凝器设计入口温度为 32，当水温较低(32）时，冷凝器的传热温差较小，传热慢。总体来看， 启动空调 20 分钟 内，能够将水烧开到 40供洗澡用。 4.节能计算节能计算 情况 1：夏季使用空调制冷，且需要热水洗澡，冷水水温 20 需要水温 40：节约全部原来需要电热水器烧水消耗的电能 需要水温 60：节约初始 20到 40的烧水电能；40到 60，使用电热水器加热； 电热水器耗能：W=cmt=4187*50*40=8374000J 本装置耗能：W=cmt=4187*50*20=4187000J 与使用电热水器加热相比节能：（8374000-4187000）/8374000=50% 情况 2：春秋季节不使用空调制冷，且需要热水洗澡，冷水水温 15 需要水温 40：使用热泵加热，供热系数为 4.3，与电热水器加热相比，节约电能 76%。 需要水温 60，先使用热泵将水加热到 40，再用电热水器加热到 60； 电热水器耗能：W=cmt=4187*50*45=9420750J 本装置耗能：W=cmt=4187*50*（25/4.3+20）=5404151J 与使用电热水器加热相比节能：42.6%。 情况 2：春秋季节不使用空调制冷，且需要热水洗澡，冷水水温 10 需要水温 40：使用热泵加热，供热系数为 4.3，与电热水器加热相比，节约电