说明书模板-家用电器节能系统设计说明书(仅供参考)

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 3 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 15 C 蒸发器端 0 Q c t 部传热温差为 10 C 冷却水温度为 32 C 冷凝器端部的传热温差取 8 C k t w t k t 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 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 40 C k t w t k t 5 10 5 5 C 0 t c t 0 t 40 5 35 C3t k tgt 5 5 10 C1t0trt 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 0318 0 043 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 0318 34 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 0318 204 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 3 5oC 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 c t 6 5 1000 4 187 4 0 388 10 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 4qVS di2u 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 4qVS di2z 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 7 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 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 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 3 0 008 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 40 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 25 co 2585 t0 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 0 t 2585 t00 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 2614 ti 2614 5 8 t0 9 取不同的 t0试凑 t0q1q2 37319 25892 5 3 56012 26614 78 3 356404 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 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 设计综述如下 10 1 1 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 273 7mm 273 7mm 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 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 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 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 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