家用电器节能系统设计说明书.doc

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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：

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λ=0.8,指示效率ŋ=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）

0

0.58378

5

407.143

1

0.58378

10

412

0.043

2

1.5335

446

3

1.5335

35

250

热力计算：

（1）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

=/ŋ=34/0.8=42.5kJ/kg

=+=412+42.5=454.5kJ/kg

（5）制冷系数

ε=/=157.143/34=4.62

ε=/=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=/λ=1.37×/0.8=1.71×/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=1.08kW

压缩机消耗的指示功率=/ŋ=1.08/0.8=1.35kW

（10）冷凝器的热负荷

==0.0318×204.5=6.50kW

（11）热力学完善度

卡诺循环制冷系数ε=（273+10）/（40-15）=11.32

指示热力学完善度ŋ=ε/ε=3.7/11.32=0.327

2.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=4oC，冷却水出口温度t’’=t1’+△t=36oC

（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

①冷却水流量qvs和平均传热温差△tm

冷却水流量qvs为

QVS=Qk／（ρc∆t）=6.5／（1000×4.187×4）=0.388×10-3m/s

平均传热温差

△tm=t,,-t,／㏑[tk-t1,/（tk-t1,,）]=36-32/㏑[40-32/（40-36）]=5.8℃

②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／πdi2u=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／πdi2z=4×0.388×10-3/[3.14×（10-2）2×10-6×6]=1.3m/s

③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=1.015m2

管程与管子有效长度乘积

NLc=F0/πd2z=1.015/（3.14×0.01×6）=5.38m

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：

N

lc（m）

NZ

D（m）

lc/D

2

2.69

12

0.14

19

4

1.34

24

0.18

7

6

0.89

36

0.20

4

8

0.67

48

0.22

3

从D及lc/D值看，8流程是可取的

④传热系数

1）管内冷却水与内壁面的换热系数，

αi=0.023λ/diRef0.8Prf0.4

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

λ=62.48×10-2W/（moC）

αi=0.023×62.48×10-2/0.008×2066×1.9=7051W/（m2oC）

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

（3）管外换热系数α0的计算

α0=cb（1/∆t0d0）0.25W/（m2·℃）

查表得b=1465.9,c=0.725,α0=nm-0.25αco=2585∆t0-0.25W/（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=λα0∆t=2585∆t00.75W/m3

第二部分的热流密度为：

q2=∆ti/[（1/αi+γi）d0/di+δ/λ（d0/dm）+γ0]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）

取不同的∆t0试凑：

∆t0

q1

q2

3

7319.2

5892.5

3.5

6012.2

6614.78

3．35

6404.3

6400.9

可见∆t0=3.35时，q1与q2的误差已经很小，所以tw=36.65oC，q=6404W/m2

这与前面假