说明书模板-家用电器节能系统设计说明书仅供参考

1、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

2、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

3、系统设计图空调热水器原理图如图2148、图1室内换热器 压缩机 9截止阀2空调热水器原理图2热水器换热器（冷凝器）5毛细管（节流阀）10可调节三通阀3室外换热器6、7 四通阀制冷、制热水循环：关闭阀门8,打开阀门9,四通阀6, 7通电, 部流向2 （热水器换热器）加热水，当水温升高（ 让一部份工质流经3 （室外换热器），当水温超过当水温较低时，阀门10调节流量是工质全 >32度）调节阀门10减小流向2的流量， 40度，只让工质流经3。148、图室内换热器（蒸发器）压缩机9截止阀3 制冷制热水循环2热水器换热器（冷凝器）5毛细管（节流阀）10可调节三通阀3室外换热器（冷凝器）& 7

4、 四通阀制热、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。31室内换热器（冷凝器）4压缩机8、9截止阀图4 制热制热水循环2热水器换热器（冷凝器）5毛细管（节流阀）10可调节三通阀3室外换热器（蒸发器）& 7 四通阀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

5、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 & 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& 9均为得

6、电打开, 因此控制电路设计就比较简单。四通阀7a十一图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：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Qo=5kW，空调用冷气温度为仁=15。C,蒸发器端部 传热温差为？tk =10。C,冷却水温度为tw=32&#

7、176; C,冷凝器端部的传热温差取 ？tk= 8° C,液 体过冷度厶tg=5° C,有害过热度 tr=5° C,压缩机的输气系数为2=0.8,指示效率？=0.8。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：tk = tw +? tk =32+8=40 Ct0 =tc-? t0 =10-5=5° Ct3 =tk-? tg =40-5=35° Ctl = t0 +? tr =5+5=10° C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)3v

8、( m /kg)00.583785407.14310.58378104120.04321.533544631.533535250热力计算：(1) 单位质量制冷量q0 = h0-h4 =407.143-250=157.143kJ/kg(2) 单位容积制冷量qv = q0/ v1=157.1430.043=3654.5kJ/m3理论比功w0 =h2-h1 =446-412=34kJ/kg指示比功Wj =w0/?j =3纠0.8=42.5kJ/kgh2s =h1 + wi =412+42.5=454.5kJ/kg(5) 制冷系数£0 = q0/ w0 =157.14334=4.62q=q0

9、/Wj =157.14342.5=3.70(6) 冷凝器单位热负荷qk = h2s-h3 =454.5-250=204.5kJ/kg(7) 所需工质流量qm = Q0/ q0 =5.0/157.143=0.0318kg/s(8) 理论输气量qvh=qvs/ 2=1.37 X 103/0.8=1.71 X 103 m3 /s实际输气量qvs =qm v1=0.0318X 0.043=1.37 X 103 m3/s(9) 压缩机消耗的理论比功p0 = pm W0 =0.0318 X 34=1.08 kW压缩机消耗的指示功率pi=p0/ ?i =1.080.8=1.35 kW5(10) 冷凝器的热负

10、荷Qk = qm qk=00318X204.5=6.50 kW(11) 热力学完善度卡诺循环制冷系数 s =(273+10)/(40-15)=11.32指示热力学完善度 ？小=s / s =3.711.32=0.3272. 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=40°C;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，一般取厶t=35oC, 取厶t=4oC ,冷却水出

11、口温度t ' = ' /+ 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 r=0.9x10-4m2.oC/W(4) 冷凝器的设计计算 冷却水流量qvs和平均传热温差厶tm 冷却水流量qvs为3Q v=Q/ ( p c?t)=6.5 /(1000 X 4.187 X 4)=0.388 X 10- m/s平均传热温差 tm =t ” -t '/In t k-t 1'/(t k-t 1”)=36-32/ In 40-32/(40-36)=5.8C 初步规划的结构尺寸选用黒:M的铜管，取水流速度u=1.5m/s则每流程的管

12、子数2-32-6z=4qvs/ ndi u=4X 0.388 X 10 /3.14 X (10-2) X 10 X 1.5=5.15 圆整后z=6根实际水流速度u=4q/s/ ndi2z=4X 0.388 X 10-3/3.14 X (10-2) 2X 10-6 X 6=1.3 m/s 管程与有效管长假定热流密度q=6400w/m则所需的传热面积Fo为F°=Q/q=6500/6400=1.015 m 2管程与管子有效长度乘积2NLc=F。/ 冗dz=1.015/(3.14 X 0.01 X 6)=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

13、长l c及筒径D,见下表:Nl c(m)NZD(m)l c/D22.69120.141941.34240.18760.89360.20480.67480.223从D及l c/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，a=0.023 入 /di R®.8Pf0.4计算时取冷却水的平均温度ts为定性温度ts=(ti +t 1 '/2=(32+36)/2=34 C-6Re=udi/v=1.3X 0.008/(0.7466 x 10 )=13930Re0.8=2066Pr=4.976查物性表中的数据)Pr =1.9-2o 启62.48x 10 W/(m C)

14、a=0.023 x 62.48 x 10-2/0.008 x 2066x 1.9=7051 W/(m2 °C)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nm=48/(2 X 10.75+2X 2O.75+10 X 30.75+3 X 40.75)4=2.94(3)管外换热系数ao的计算ao=cb(1/?todo)°.25 W/(m2 -C)2查表得 b=1465.9, c=0.725, oanm-0.25

15、a co=2585?-0.25 W/(m C)(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=X(0?t=2585?t00.75 W/m3第二部分的热流密度为：q2=?ti/(1 / a+Yd0/di+ 2(d0/dm)+ y W/m 2其中dm为管子的平均直径，将有关数值代入求的：q2=2614?ti=2614(5.8-?t0)取不同的？to试凑:?t0q1q237319.25892.53.56012.26614.783. 356404.36400.9

16、可见？to=3.35时，qi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F°=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 E =0.316Ref0.25=0.3164(13930)0.25=0.0291冷却水的流动阻力？P为：2?P=1/2 p U( E N L)d1.5(N+1)=0.5X 1000X 1.32X 0.0291 X 8X 0.930.008+1.5(8+1)=0.034MPa考

17、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 /?=0.388X 10-3 X 0.134 X 106/0.6=86.7 W设计综述如下：1(X 1的铜管总数为48根，每根传热管的有效长度为 930mm 管板的厚度取30mm考虑传热与管板之间胀管加工时两端各伸出 3mm传热管实际下 料长度为1000mm壳体长度为930mm壳体规格为273 X 7m勺无缝钢管，取端盖水 腔深度为50-60mm端盖铸造厚度约为10mm则冷凝器外形总长为1100mm冷却水流 程为8,传热管48根。冷凝器外壁涂上1mm的隔热涂

18、料。3. 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14C加热到40C水温升高26C烧水时间t-二；p650D假设水箱保温不够散热，损失20 :热能店 川4、丄，nnit wamo3x（5oxi：6 "匸.烧水时间t'_二一yp0.3X6500冷凝器设计入口温度为 32C，当水温较低（=32）时，冷凝器的传热温差较大，传热快。 当水温较高（32C）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40C供洗澡用。4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20C需要水温40

19、C :节约全部原来需要电热水器烧水消耗的电能需要水温60r :节约初始20r到40r的烧水电能；40°c到60r，使用电热水器加热； 电热水器耗能： W=cm?t=4187*50*40=J本装置耗能： W=cm? t=4187*50*20=J与使用电热水器加热相比节能：（-）/=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15C需要水温40C :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60C，先使用热泵将水加热到 40C，再用电热水器加热到 60C；电热水器耗能： W=cm?t=4187*50*45=J本装置耗能： W=cm?t=4187*50* （25/4.3+20） =J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10C需要水温40C :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