家用电器节能系统设计说明书

1、家用电器节能系统设计说明书设计者：张林营指导教师：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

2、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

3、调热水器系统设计图空调热水器原理图如图21 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

4、 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，

5、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

6、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：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=15°C，蒸发器端部传热温差为 =10°C，冷却水温度为=32°C，冷凝器

7、端部的传热温差取 = 8°C，液体过冷度=5°C，有害过热度=5°C，压缩机的输气系数为=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： =+=32+8=40°C =-=10-5=5°C =-=40-5=35°C =+=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）v（/kg）00.583785407.14310.58378104120.04321.533544631.533535250热力计算：(1)

8、 单位质量制冷量=-=407.143-250=157.143kJ/kg(2) 单位容积制冷量=/=157.143/0.043=3654.5kJ/(3) 理论比功=-=446-412=34kJ/kg(4) 指示比功=/=34/0.8=42.5kJ/kg=+=412+42.5=454.5kJ/kg(5) 制冷系数=/=157.143/34=4.62=/=157.143/42.5=3.70(6) 冷凝器单位热负荷=-=454.5-250=204.5kJ/kg(7) 所需工质流量=/=5.0/157.143=0.0318kg/s(8) 理论输气量 =/=1.37×/0.8=1.71×

9、; /s实际输气量 =0.0318×0.043=1.37× /s(9)压缩机消耗的理论比功 =0.0318×34=1.08 kW压缩机消耗的指示功率 =/ =1.08/0.8=1.35 kW(10)冷凝器的热负荷 =0.0318×204.5=6.50 kW(11)热力学完善度卡诺循环制冷系数=(273+10)/(40-15)=11.32指示热力学完善度 =/=3.7/11.32=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

10、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(1000×4.187×4)=0.388×10-3 m/s平均传热温差 tm =t,-t,tk-t1,/(tk-t

11、1,)=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=4×0.388×10-3/3.14×(10-2)2×10-6×1.5=5.15 圆整后z=6 根 实际水流速度u=4qVSdi2z=4×0.388×10-3/3.14×(10-2)2×10-6×6=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

12、有效长度乘积 NLc=F0/d2z=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,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/D22.69120.141941.34240.18760.89360.20480.67480.223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=1.3×0.

13、008/(0.7466×10-6)=13930 Ref0.8=2066 Pr=4.976(查物性表中的数据) Pr0.4=1.9 =62.48×10-2 W/(m oC) i=0.023×62.48×10-2/0.008×2066×1.9=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/(2×10.75+2×20.75+10×30.75+3&#

14、215;40.75)4=2.94(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

15、：q2=2614ti=2614(5.8-t0)取不同的t0试凑：t0q1q237319.25892.53.56012.26614.783356404.36400.9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 (

16、 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，/=0.388×10-3×0.134×106/0.6=86.7 W设计综述如下：10×1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

17、1000mm，壳体长度为930mm，壳体规格为273×7mm的无缝钢管，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大，传热快。当水温较高（>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，

18、能够将水烧开到40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，节约电能76%。需要水温60，先使用热泵将水加热到