家用电器节能系统设计说明书

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 4 压缩机2 热水器换热器（冷凝器） 3 室外换热器 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 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） 4 压缩机 8、9 截止阀 图3 制冷制热水循环2 热水器换热器（冷凝器） 3 室外换热器（冷凝器） 5 毛细管（节流阀） 6、7 四通阀 10 可调节三通阀制热、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。1 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） 3 室外换热器（蒸发器） 5 毛细管（节流阀） 6、7 四通阀 10 可调节三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。t 空调制冷系统，工质为 R22，需要制冷量 Q0 =5kW，空调用冷气温度为 c =15°C，蒸发器端部传热温差为∆ 体过冷度△t k =10°C，冷却水温度为 t w =32°C，冷凝器端部的传热温差取 ∆ t k = 8°C，液t =5°C，有害过热度△ r =5°C，压缩机的输气系数为 λ=0.8,指示效率 ŋ i =0.8。tg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：t k = t w +∆ t k =32+8=40°C t 0 = t c -∆ t 0 =10-5=5°Ct 3 = t k -∆ t g =40-5=35°Ct 1 = t 0 +∆ t r =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） 0 1 2 3 0.58378 0.58378 1.5335 1.5335 5 10 35h（kJ/kg） 407.143 412 446 250v（ m /kg） 0.0433热力计算： (1) 单位质量制冷量q0 = h 0 - h 4 =407.143-250=157.143kJ/kg(2) 单位容积制冷量q v = q0 / v1 =157.143/0.043=3654.5kJ/ m3(3) 理论比功w 0 = h 2 - h1 =446-412=34kJ/kg(4) 指示比功w i = w 0 /ŋ i =34/0.8=42.5kJ/kg h 2s = h1 + w i =412+42.5=454.5kJ/kg(5) 制冷系数 ε 0 = q0/ w 0 =157.143/34=4.62 ε i = q0 / w i =157.143/42.5=3.70 (6) 冷凝器单位热负荷qk = h 2s - h3 =454.5-250=204.5kJ/kg(7) 所需工质流量q m = Q0 / q0 =5.0/157.143=0.0318kg/s(8) 理论输气量 实际输气量q vh = q vs /λ=1.37× 103 /0.8=1.71× 103 m3 /sq vs = q m v1 =0.0318×0.043=1.37× 103 m3 /s(9)压缩机消耗的理论比功 p0 = pm w 0 =0.0318×34=1.08 kW 压缩机消耗的指示功率p i = p0 / ŋ i =1.08/0.8=1.35 kW(10)冷凝器的热负荷Qk = q m qk =0.0318×204.5=6.50 kW(11)热力学完善度 卡诺循环制冷系数 ε c =(273+10)/(40-15)=11.32 指示热力学完善度 ŋ ci =ε i /ε c =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=40 oC；制冷剂 R22 （1） 冷凝器的结构形式：卧式壳管式冷凝器 o o （2） 冷却水温 t’ , 温升△t , t1’=32 C;在卧式冷凝器中，一般取△t=3～5 C, 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 ① 冷却水流量 qvs 和平均传热温差△tm 冷却水流量 qvs 为 QVS=Qk／(ρ 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 ℃ 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]=1.3 m/s ③ 管程与有效管长 2 假定热流密度 q=6400w/m 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/πd2z=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： N lc(m) NZ 2 2.69 12 4 1.34 24 6 0.89 36 8 0.67 48 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/di Ref0.8Prf0.4D(m) 0.14 0.18 0.20 0.22lc/D 19 7 4 3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/(m C)oαi=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nm =[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)0.25 W/(m2 · ℃) 查表得 b=1465.9, c=0.725, α0=nm-0.25αco=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=λα0∆t=2585∆t00.75 W/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：∆t0q1q23 3.5 3．357319.2 6012.2 6404.35892.5 6614.78 6400.9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 ξ=0.3164/Ref0.25=0.3164/(13930)0.25=0.0291 冷却水的流动阻力∆P 为： ∆P=1/2 ρu2 [(ξ 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 ŋ=0.6，则水泵所需的功率为： Pe =qr ∆P，/ŋ=0.388×10-3×0.134×106/0.6=86.7 W设计综述如下：Ф10×1 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Ф 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 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=8374000J 本装置耗能：W=cm∆t=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=cm∆t=4187*50*45=9420750J 本装置耗能：W=cm∆t=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 40℃，再用电热水器加热到 60℃； 电热水器耗能：W=cm∆t=4187*50*50=10467500J 本装置耗能：W=cm∆t=4187*50*(30/4.3+20)=4187000J 与使用电热水器加热相比节能：46%。 综上，本设计主要在节约电热水器加热部分的能量，至少能节能 40%以上。且夏天能利用空 调制冷的热量，春秋冬季使用热泵制热，节能优势明显。 4 工作原理及性能分析 工作原理：能级匹配节能原理，热泵原理 电热水器通过电加热的方式加热水，是把功变成热，能级严重不匹配，造成能源的品质 浪费。本作品基于热泵原理（通过做功把热量由低温热源传向高温热源，得到数量高于功的 能量） ，较电加热热水器而言实现电能的合理利用。 性能分析： 从经济性上来说，热泵成本较高，本作品合理的利用空调装置，实现热水器的热泵改造，实现设备投资的节约。 理论估计本设计的性能要远高于空调和热水器单独使用。具体的性能指标还有看实际中 空调和热水器联用对空调系统的影响程度，才能确定。 5 创新点及应用 1）实现空调和热水器不同工况的有效整合； 2）操作和控制简便，容易地使用它； 3）空调设备在春秋冬季节得到有效利用。 在全国大中城市，空调和电热水器普及数量很多，大部分属于隔离状态，有待在节能改 造，因此应用前景很广。参考文献 [1] 张小松，王铁军，金苏敏 制冷技术与装置设计 重庆大学出版社：142-146 [2] 吴业正，韩宝琦 制冷原理及设备 西安交通大学出版社，1998：53-54 ，246-250