家电器节系统设计说明书
设计者：
指导教师：
（XX学院机械设计制造动化工程机班 ）
作品容简介
通实验设计套空调电热水器联合节系统实现家庭酒店理发店医院等时需制冷制热（包括制热水）系统节通空调系统改进实现空调废热利节约热水器耗热水器变成空调系统冷凝器夏天空调时便加热热水热水器耗电春秋冬通热泵原理利空调设备电取量热量实现节
1 研制背景意义
空调热水器家庭必备家电目前中城市普遍采电热水器酒店量空调需量热水夏天空调制冷产生量废热果利废热加热水提供量生活热水春秋冬季节需量生活热水果电热水器加热耗空调设备基闲置果利空调装置热水器装置构成热泵实现空调装置效利实现热水器节
家庭酒店理发店医院等系统说时购买空调热泵热水器实现效节热泵热水器投资巨节省钱没济意义
致力研发量少增加设备投资情况实现系统节
2 设计方案
21机械控制
空调热水器设计图1示
1 室换热器 2 热水器换热器（冷凝器） 3 室外换热器
4 压缩机 5 毛细（节流阀） 67 四通阀
89 截止阀 10 调节三通阀
图1 空调热水器系统设计图
空调热水器原理图图2
1 室换热器 2 热水器换热器（冷凝器） 3 室外换热器
4 压缩机 5 毛细（节流阀） 67 四通阀
89 截止阀 10 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开阀门9四通阀67通电水温较低时阀门10调节流量工质全部流2（热水器换热器）加热水水温升高（>32度）调节阀门10减流2流量部份工质流3（室外换热器）水温超40度工质流3
1 室换热器（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（节流阀） 67 四通阀
89 截止阀 10 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开阀门8四通阀67失电时3（室外换热器）充蒸发器1（室换热器）2（热水器换热器）充冷凝器 通阀门10实现仅制热者仅制热水时制热制热水受室外换热器负荷限制
1 室换热器（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（节流阀） 67 四通阀
89 截止阀 10 调节三通阀
图4 制热制热水循环
设计时考虑问题：
1热水器空调工况差异水温阶段工况漂移压缩机负荷急剧变化致机组法效运行影响空调性前提实现空调热量利？
2空调热水器否实现四季均利？
3热水器换热器空调中直充冷凝器？
22电器部分（电路控制）
1 空调控制系统十分复杂修改难度时改动成高基空调控制系统进行修改
2 根水温调节阀门开度市场该控制电路成品采种产品实现阀门10控制
3 需外设计控制包括阀门89四通阀7（注：四通阀6空调控制系统中）面设计阀门89四通阀7进行控制设计：
阀门存两种状态：状态：阀门8关阀门9开四通阀7电状态二：阀门8开阀门9关四通阀7失电阀门两种状态应相反阀门89均电开控制电路设计较简单
图5 电磁阀控制
开关右电磁阀9电开电磁阀8失电关闭实现制冷制热水循环
开关左电磁阀8电开电磁阀9失电关闭实现制热制热水循环
3 理设计计算
1空调工况计算：
考虑目前制冷剂R22必原设备进行节改造设计计算采R22做制冷剂计算R22臭氧层破坏作属淘汰制冷剂日新产品设计制造中考虑R134a等环保制冷剂
空调制冷系统工质R22需制冷量5kW空调冷气温度15°C蒸发器端部传热温差∆ 10°C冷水温度32°C冷凝器端部传热温差取 ∆ 8°C液体冷度△5°C害热度△5°C压缩机输气系数λ08指示效率ŋ08
分析：绘制制冷循环压焓图右图示
根已知条件出制冷剂工作温度：
+∆32+840°C
∆1055°C
∆40535°C
+∆5+510°C
查R22表循环特征点状态参数：
点号
P（MPa）
t（°C）
h（kJkg）
v（kg）
0
058378
5
407143
1
058378
10
412
0043
2
15335
446
3
15335
35
250
热力计算：
(1) 单位质量制冷量
407143250157143kJkg
(2) 单位容积制冷量
157143004336545kJ
(3) 理功
44641234kJkg
(4) 指示功
ŋ3408425kJkg
+412+4254545kJkg
(5) 制冷系数
ε15714334462
ε157143425370
(6) 冷凝器单位热负荷
45452502045kJkg
(7) 需工质流量
5015714300318kgs
(8) 理输气量 λ137×08171× s
实际输气量 00318×0043137× s
(9)压缩机消耗理功 00318×34108 kW
压缩机消耗指示功率 ŋ10808135 kW
(10)冷凝器热负荷
00318×2045650 kW
(11)热力学完善度
卡诺循环制冷系数ε(273+10)(4015)1132
指示热力学完善度 ŋεε3711320327
2热水器换热器设计计算：
分析：该换热器空调中直起着水冷式冷凝器作面水冷式冷凝器设计方法设计换热器
设计求：热负荷 Qk65KW 冷凝温度 tk40 oC制冷剂 R22
（1） 冷凝器结构形式：卧式壳式冷凝器
（2） 冷水温 t’ 温升△t t1’32oC卧式冷凝器中般取△t3～5oC
取△t4 oC 冷水出口温度 t’ ’ t1’+△t36 oC
（3） 冷凝器中污垢热阻
外热阻 ro09x104m2 oCW
热阻 ri 09x104m2 oCW
（4） 冷凝器设计计算
① 冷水流量 qvs 均传热温差△tm
冷水流量qvs
QVSQk／(ρc∆t)65／(1000×4187×4)0388×103 ms
均传热温差
△tm tt／㏑[tkt1(tkt1)]3632㏑[4032(4036)]58 ℃
② 初步规划结构尺寸
选铜取水流速度 u15ms 流程子数
z4qVS／πdi2u4×0388×103[314×(102)2×106×15]515
圆整z6 根
实际水流速度
u4qVS／πdi2z4×0388×103[314×(102)2×106×6]13 ms
③ 程效长
假定热流密度q6400wm2需传热面积Fo
FoQkq650064001015 m2
程子效长度积
NLcF0πd2z1015(314×001×6)538 m
采子正三角形排列布置方案距 S20mm流程数N
长lc筒径D见表：
N
lc(m)
NZ
D(m)
lcD
2
269
12
014
19
4
134
24
018
7
6
089
36
020
4
8
067
48
022
3
DlcD值8流程取
④ 传热系数
1) 冷水壁面换热系数
αi0023λdi Ref08Prf04
计算时取冷水均温度ts定性温度
ts(t1’+t1’’)2(32+36)234℃
Refudiv13×0008(07466×106)13930
Ref082066
Pr4976(查物性表中数)
Pr0419
λ6248×102 W(m oC)
αi0023×6248×1020008×2066×197051 W(m2 oC)
2) 水排数
流程数N8总子数Nz48子布置17列列子数分12343333433334321公式
[48(2×1075+2×2075+10×3075+3×4075)]4294
(3)外换热系数α0计算
α0cb(1∆t0d0)025 W(m2 ·℃)
查表 b14659 c0725 α0nm025αco2585∆t0025 W(m2 ·℃)
（4）传热系数传热程分成两部分：第部分热量制冷剂传热程传热温差∆t0第二部分热量外污垢壁污垢层冷水传热程：
第部分热流密度：
q1λα 0∆t2585∆t0075 Wm3
第二部分热流密度：
q2∆ti[(1αi+γi)d0di+δλ(d0dm)+ γ0] Wm2
中 dm子均直径关数值代入求：
q22614∆ti2614(58∆t0)
取∆t0试凑：
∆t0
q1
q2
3
73192
58925
35
60122
661478
3．35
64043
64009
见∆t0335时q1q2误差已tw3665oCq6404 Wm2
前面假定 q6400 Wm2 差06表明前面假定取
(5)传热面积长：
传热面积F01015m2效长L067m 适增加取长093m
(6)水流动阻力
程阻力系数ξ03164Ref02503164(13930)02500291
冷水流动阻力∆P：
∆P12 ρu2 [(ξ N Ldi )+15(N+1)]
05×1000×132×[00291×8×0930008+15(8+1)]
0034MPa
考虑外部路损失冷水总压降约：
∆P01+∆P0134MPa
取离心水泵效率ŋ06水泵需功率：
Pe qr ∆Pŋ0388×103×0134×10606867 W
设计综述：Ф10×1铜总数48根根传热效长度930mm板厚度取30mm考虑传热板间胀加工时两端伸出3mm传热实际料长度1000mm壳体长度930mm壳体规格Ф273×7mm缝钢取端盖水腔深度5060mm端盖铸造厚度约10mm冷凝器外形总长1100mm冷水流程8传热48根冷凝器外壁涂1mm隔热涂料
3热水器烧水时间计算（实性计算）：
热水器换热器热负荷 65kW 电热水器总50L水
50L水14℃加热40℃水温升高26℃
烧水时间t
假设水箱保温够散热损失20热
烧水时间t’
冷凝器设计入口温度32℃水温较低(<32)时冷凝器传热温差较传热快水温较高（>32℃）时冷凝器传热温差较传热慢总体 启动空调20分钟够水烧开40℃供洗澡
4节计算
情况1：夏季空调制冷需热水洗澡冷水水温20℃
需水温40℃：节约全部原需电热水器烧水消耗电
需水温60℃：节约初始20℃40℃烧水电40℃60℃电热水器加热
电热水器耗：Wcm∆t4187*50*408374000J
装置耗：Wcm∆t4187*50*204187000J
电热水器加热相节：（83740004187000）837400050
情况2：春秋季节空调制冷需热水洗澡冷水水温15℃
需水温40℃：热泵加热供热系数43电热水器加热相节约电76
需水温60℃先热泵水加热40℃电热水器加热60℃
电热水器耗：Wcm∆t4187*50*459420750J
装置耗：Wcm∆t4187*50*（2543+20）5404151J
电热水器加热相节：426
情况2：春秋季节空调制冷需热水洗澡冷水水温10℃
需水温40℃：热泵加热供热系数43电热水器加热相节约电76
需水温60℃先热泵水加热40℃电热水器加热60℃
电热水器耗：Wcm∆t4187*50*5010467500J
装置耗：Wcm∆t4187*50*(3043+20)4187000J
电热水器加热相节：46
综设计节约电热水器加热部分量少节40夏天利空调制冷热量春秋冬季热泵制热节优势明显
4 工作原理性分析
工作原理：级匹配节原理热泵原理
电热水器通电加热方式加热水功变成热级严重匹配造成源品质浪费作品基热泵原理（通做功热量低温热源传高温热源数量高功量）较电加热热水器言实现电合理利
性分析：
济性说热泵成较高作品合理利空调装置实现热水器热泵改造实现设备投资节约
理估计设计性远高空调热水器单独具体性指标实际中空调热水器联空调系统影响程度确定
5 创新点应
1）实现空调热水器工况效整合
2）操作控制简便容易
3）空调设备春秋冬季节效利
全国中城市空调电热水器普数量部分属隔离状态节改造应前景广
参考文献
[1] 张松王铁军金苏敏 制冷技术装置设计 重庆学出版社：142146
[2] 吴业正韩宝琦 制冷原理设备 西安交通学出版社1998：5354 246250
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设计者：
指导教师：
（XX学院机械设计制造动化工程机班 ）
作品容简介
通实验设计套空调电热水器联合节系统实现家庭酒店理发店医院等时需制冷制热（包括制热水）系统节通空调系统改进实现空调废热利节约热水器耗热水器变成空调系统冷凝器夏天空调时便加热热水热水器耗电春秋冬通热泵原理利空调设备电取量热量实现节
1 研制背景意义
空调热水器家庭必备家电目前中城市普遍采电热水器酒店量空调需量热水夏天空调制冷产生量废热果利废热加热水提供量生活热水春秋冬季节需量生活热水果电热水器加热耗空调设备基闲置果利空调装置热水器装置构成热泵实现空调装置效利实现热水器节
家庭酒店理发店医院等系统说时购买空调热泵热水器实现效节热泵热水器投资巨节省钱没济意义
致力研发量少增加设备投资情况实现系统节
2 设计方案
21机械控制
空调热水器设计图1示
1 室换热器 2 热水器换热器（冷凝器） 3 室外换热器
4 压缩机 5 毛细（节流阀） 67 四通阀
89 截止阀 10 调节三通阀
图1 空调热水器系统设计图
空调热水器原理图图2
1 室换热器 2 热水器换热器（冷凝器） 3 室外换热器
4 压缩机 5 毛细（节流阀） 67 四通阀
89 截止阀 10 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开阀门9四通阀67通电水温较低时阀门10调节流量工质全部流2（热水器换热器）加热水水温升高（>32度）调节阀门10减流2流量部份工质流3（室外换热器）水温超40度工质流3
1 室换热器（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（节流阀） 67 四通阀
89 截止阀 10 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开阀门8四通阀67失电时3（室外换热器）充蒸发器1（室换热器）2（热水器换热器）充冷凝器 通阀门10实现仅制热者仅制热水时制热制热水受室外换热器负荷限制
1 室换热器（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（节流阀） 67 四通阀
89 截止阀 10 调节三通阀
图4 制热制热水循环
设计时考虑问题：
1热水器空调工况差异水温阶段工况漂移压缩机负荷急剧变化致机组法效运行影响空调性前提实现空调热量利？
2空调热水器否实现四季均利？
3热水器换热器空调中直充冷凝器？
22电器部分（电路控制）
1 空调控制系统十分复杂修改难度时改动成高基空调控制系统进行修改
2 根水温调节阀门开度市场该控制电路成品采种产品实现阀门10控制
3 需外设计控制包括阀门89四通阀7（注：四通阀6空调控制系统中）面设计阀门89四通阀7进行控制设计：
阀门存两种状态：状态：阀门8关阀门9开四通阀7电状态二：阀门8开阀门9关四通阀7失电阀门两种状态应相反阀门89均电开控制电路设计较简单
图5 电磁阀控制
开关右电磁阀9电开电磁阀8失电关闭实现制冷制热水循环
开关左电磁阀8电开电磁阀9失电关闭实现制热制热水循环
3 理设计计算
1空调工况计算：
考虑目前制冷剂R22必原设备进行节改造设计计算采R22做制冷剂计算R22臭氧层破坏作属淘汰制冷剂日新产品设计制造中考虑R134a等环保制冷剂
空调制冷系统工质R22需制冷量5kW空调冷气温度15°C蒸发器端部传热温差∆ 10°C冷水温度32°C冷凝器端部传热温差取 ∆ 8°C液体冷度△5°C害热度△5°C压缩机输气系数λ08指示效率ŋ08
分析：绘制制冷循环压焓图右图示
根已知条件出制冷剂工作温度：
+∆32+840°C
∆1055°C
∆40535°C
+∆5+510°C
查R22表循环特征点状态参数：
点号
P（MPa）
t（°C）
h（kJkg）
v（kg）
0
058378
5
407143
1
058378
10
412
0043
2
15335
446
3
15335
35
250
热力计算：
(1) 单位质量制冷量
407143250157143kJkg
(2) 单位容积制冷量
157143004336545kJ
(3) 理功
44641234kJkg
(4) 指示功
ŋ3408425kJkg
+412+4254545kJkg
(5) 制冷系数
ε15714334462
ε157143425370
(6) 冷凝器单位热负荷
45452502045kJkg
(7) 需工质流量
5015714300318kgs
(8) 理输气量 λ137×08171× s
实际输气量 00318×0043137× s
(9)压缩机消耗理功 00318×34108 kW
压缩机消耗指示功率 ŋ10808135 kW
(10)冷凝器热负荷
00318×2045650 kW
(11)热力学完善度
卡诺循环制冷系数ε(273+10)(4015)1132
指示热力学完善度 ŋεε3711320327
2热水器换热器设计计算：
分析：该换热器空调中直起着水冷式冷凝器作面水冷式冷凝器设计方法设计换热器
设计求：热负荷 Qk65KW 冷凝温度 tk40 oC制冷剂 R22
（1） 冷凝器结构形式：卧式壳式冷凝器
（2） 冷水温 t’ 温升△t t1’32oC卧式冷凝器中般取△t3～5oC
取△t4 oC 冷水出口温度 t’ ’ t1’+△t36 oC
（3） 冷凝器中污垢热阻
外热阻 ro09x104m2 oCW
热阻 ri 09x104m2 oCW
（4） 冷凝器设计计算
① 冷水流量 qvs 均传热温差△tm
冷水流量qvs
QVSQk／(ρc∆t)65／(1000×4187×4)0388×103 ms
均传热温差
△tm tt／㏑[tkt1(tkt1)]3632㏑[4032(4036)]58 ℃
② 初步规划结构尺寸
选铜取水流速度 u15ms 流程子数
z4qVS／πdi2u4×0388×103[314×(102)2×106×15]515
圆整z6 根
实际水流速度
u4qVS／πdi2z4×0388×103[314×(102)2×106×6]13 ms
③ 程效长
假定热流密度q6400wm2需传热面积Fo
FoQkq650064001015 m2
程子效长度积
NLcF0πd2z1015(314×001×6)538 m
采子正三角形排列布置方案距 S20mm流程数N
长lc筒径D见表：
N
lc(m)
NZ
D(m)
lcD
2
269
12
014
19
4
134
24
018
7
6
089
36
020
4
8
067
48
022
3
DlcD值8流程取
④ 传热系数
1) 冷水壁面换热系数
αi0023λdi Ref08Prf04
计算时取冷水均温度ts定性温度
ts(t1’+t1’’)2(32+36)234℃
Refudiv13×0008(07466×106)13930
Ref082066
Pr4976(查物性表中数)
Pr0419
λ6248×102 W(m oC)
αi0023×6248×1020008×2066×197051 W(m2 oC)
2) 水排数
流程数N8总子数Nz48子布置17列列子数分12343333433334321公式
[48(2×1075+2×2075+10×3075+3×4075)]4294
(3)外换热系数α0计算
α0cb(1∆t0d0)025 W(m2 ·℃)
查表 b14659 c0725 α0nm025αco2585∆t0025 W(m2 ·℃)
（4）传热系数传热程分成两部分：第部分热量制冷剂传热程传热温差∆t0第二部分热量外污垢壁污垢层冷水传热程：
第部分热流密度：
q1λα 0∆t2585∆t0075 Wm3
第二部分热流密度：
q2∆ti[(1αi+γi)d0di+δλ(d0dm)+ γ0] Wm2
中 dm子均直径关数值代入求：
q22614∆ti2614(58∆t0)
取∆t0试凑：
∆t0
q1
q2
3
73192
58925
35
60122
661478
3．35
64043
64009
见∆t0335时q1q2误差已tw3665oCq6404 Wm2
前面假定 q6400 Wm2 差06表明前面假定取
(5)传热面积长：
传热面积F01015m2效长L067m 适增加取长093m
(6)水流动阻力
程阻力系数ξ03164Ref02503164(13930)02500291
冷水流动阻力∆P：
∆P12 ρu2 [(ξ N Ldi )+15(N+1)]
05×1000×132×[00291×8×0930008+15(8+1)]
0034MPa
考虑外部路损失冷水总压降约：
∆P01+∆P0134MPa
取离心水泵效率ŋ06水泵需功率：
Pe qr ∆Pŋ0388×103×0134×10606867 W
设计综述：Ф10×1铜总数48根根传热效长度930mm板厚度取30mm考虑传热板间胀加工时两端伸出3mm传热实际料长度1000mm壳体长度930mm壳体规格Ф273×7mm缝钢取端盖水腔深度5060mm端盖铸造厚度约10mm冷凝器外形总长1100mm冷水流程8传热48根冷凝器外壁涂1mm隔热涂料
3热水器烧水时间计算（实性计算）：
热水器换热器热负荷 65kW 电热水器总50L水
50L水14℃加热40℃水温升高26℃
烧水时间t
假设水箱保温够散热损失20热
烧水时间t’
冷凝器设计入口温度32℃水温较低(<32)时冷凝器传热温差较传热快水温较高（>32℃）时冷凝器传热温差较传热慢总体 启动空调20分钟够水烧开40℃供洗澡
4节计算
情况1：夏季空调制冷需热水洗澡冷水水温20℃
需水温40℃：节约全部原需电热水器烧水消耗电
需水温60℃：节约初始20℃40℃烧水电40℃60℃电热水器加热
电热水器耗：Wcm∆t4187*50*408374000J
装置耗：Wcm∆t4187*50*204187000J
电热水器加热相节：（83740004187000）837400050
情况2：春秋季节空调制冷需热水洗澡冷水水温15℃
需水温40℃：热泵加热供热系数43电热水器加热相节约电76
需水温60℃先热泵水加热40℃电热水器加热60℃
电热水器耗：Wcm∆t4187*50*459420750J
装置耗：Wcm∆t4187*50*（2543+20）5404151J
电热水器加热相节：426
情况2：春秋季节空调制冷需热水洗澡冷水水温10℃
需水温40℃：热泵加热供热系数43电热水器加热相节约电76
需水温60℃先热泵水加热40℃电热水器加热60℃
电热水器耗：Wcm∆t4187*50*5010467500J
装置耗：Wcm∆t4187*50*(3043+20)4187000J
电热水器加热相节：46
综设计节约电热水器加热部分量少节40夏天利空调制冷热量春秋冬季热泵制热节优势明显
4 工作原理性分析
工作原理：级匹配节原理热泵原理
电热水器通电加热方式加热水功变成热级严重匹配造成源品质浪费作品基热泵原理（通做功热量低温热源传高温热源数量高功量）较电加热热水器言实现电合理利
性分析：
济性说热泵成较高作品合理利空调装置实现热水器热泵改造实现设备投资节约
理估计设计性远高空调热水器单独具体性指标实际中空调热水器联空调系统影响程度确定
5 创新点应
1）实现空调热水器工况效整合
2）操作控制简便容易
3）空调设备春秋冬季节效利
全国中城市空调电热水器普数量部分属隔离状态节改造应前景广
参考文献
[1] 张松王铁军金苏敏 制冷技术装置设计 重庆学出版社：142146
[2] 吴业正韩宝琦 制冷原理设备 西安交通学出版社1998：5354 246250
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