新型节能型饮水机设计说明书

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1、新型节能型饮水机设计说明书节能减排大赛国家三等奖）设计者：胡国超，吕永强，胡鹏，金钰磊指导教师：魏高升摘要目前，市场上压缩式制冷饮水机加热桶的给水是由给水桶经制冷桶提供，在加热系统和制 冷系统同时工作时，加热桶的给水是经过制冷后的水（水温5-10C）,这相当于把处在环境温 度下的水先制冷再加热，既增加了压缩机耗功又增加了加热电耗。压缩机工作时，将吸收完制冷水热量的制冷剂压缩成高温高压气体，送到换热器向环境散 热。这部分热量散失到坏境中，未被利用。一台饮水机若不切断电源，在加热状态下，24 小时耗电量约为1.4 度，如果设计自动电源 开关，晚上自动切断电源10小时，每台饮水机一个晚上可节省电量约

2、0.1633度。关键词 压缩 饮水机 换热器 定时器 节电量一、研制背景及意义随着科技的发展和人们生活水平的日益提高，在我的生活中出现了更多的电器产品，由于 这些产品在设计时由于厂家对节能理念的重视不够及人们使用过程中存在一些不当之处，造成 了大量电能损失，例如用电脑、电视、饮水机等在待机状态下尤其是夜间无人使用时仍处于低 功耗状态，造成大量电能的损失，如采用一些有效措施可以大大减少这些不必要的能量损失。压缩式制冷饮水机原理压缩式制冷饮水机制冷开关闭合，制冷指示绿灯亮，压缩机启动运行，将蒸发器中已吸热 气化的制冷剂蒸汽吸回，并随之压缩成高温、高压气体，送至冷凝器，经冷凝器向外界空气中 散热冷凝

3、成高压液体，再经毛细管节流降压流入蒸发器内，吸收冷胆热量而使水温下降，然后 被压缩机吸回。如此循环，达到降温的目的。当水温随时间降到设定温度时，制冷温控器触点 断开，制冷绿色指示灯熄灭，压缩机停转，转入保温工况。断电后水温逐渐回升，当升到设定 温度时，制冷温控器触点动作闭合，接通电源绿色指示亮，压缩机运行。如此循环，将温度控 制在4-12C之间。按下制热开关，加热电路接通，红色加热指示灯点亮，电热管发热，当水温升到设定温度 时，自动复位温控器动作，切断电源，红色加热指示灯熄灭，转入保温工况。断电后水温逐渐 下降，当降到设定温度时，温控器触点动作闭合，接通电源，红色加热指示灯亮，电热管再次 发热

4、升温。如此循环，将水温控制在85-95C之间。在制冷工作时，压缩机启动运行，将蒸发器中已吸热气化的制冷剂蒸汽吸回，并随之压缩 成高温、高压气体，送至冷凝器，经冷凝器向外界空气中散热冷凝成高压液体，再经毛细管节 流降压流入蒸发器内，吸收冷胆热量而使水温下降，然后被压缩机吸回。在此过程中，高温高 压的制冷剂，在冷凝器中向外界放出大量热量，造成了大量能量浪费。在夜间无人使用时，饮 水机仍处于待机状态，消耗大量电能。二、设计方案2.1 结构改进在实际生活中的饮水机由于结构较简单，饮水机的加热桶的给水直接由制冷桶供给，因此， 夏天在同时使用冷热水时，加热桶的给水的初温只用510C，会大大增加加热桶的加热

5、电耗, 如将制冷桶与给水桶分开（即加热给水由给水桶供给）那么加热桶的给水温度将大大提高，从 而减少加热桶的电耗。2.2 换热器部分在制冷过程中，由于在蒸发器中吸热并由压缩机压缩后制冷剂已成为高压高温的气体，而 该高温气体直接经冷凝器向外界散热，造成了大量热量损失，如将该热量用于加热加热桶给水， 以提高其进入加热桶内时的初温T,其后在加热过程中可节省大量由加热丝消耗的电能，以达到 节能的目的。2.3 定时器部分在夜间无人使用饮水机期间，由于大部分人没有关饮水机的习惯，饮水机仍处于工作状态， 会造成大量电能损耗，如采用低功耗定时装置，在夜间自动切断饮水机总电源，在第二日早晨 自动接通电源不会耽误正

6、常使用，也达到了节电的目的。三、理论设计计算下以安吉尔JD-12 2H冰热饮水机为例进行改进安吉尔JD-12 2H冰热饮水机参数如下：额定电压：220V加热能力：80-98C6L/h加热功率：500W制冷能力：5-10C4L/h制冷功率：110W制冷剂：R12/48g3.1 若在饮水机加热与制冷同时工作的条件下，以目前市场上的饮水机为标准要得到6L的热水，假设该饮水机加热桶的给水初温为5C时，在加热桶内欲将给水加热到98C时，加热桶的热耗为Q (假设水的比热容C在5-98C内的变化不计，即认为是定值由传热 学(高等教育出版社)第三版P425附录10饱和水的热物理性质表查得一 _ - I | 卫

7、乂2_号Vn - 006 1 1j.n12200.02330-Q.04 454U0073 &15C0.123 4弓&00.337D0.3!1 8800-473 据9y - h 95.6977.7971,8988 0 20J-3Q83.2 251.142.00293.0kJ/Ckk.- K) WKmK)4 1. 了斗斗.1744. 1794.18713.I 17BB-0, Sil 756, 13,6757.4391. 5*66.867.414.314.915-71DU44M355.11 . 3O& -i-0671Z.S5,423. B6| 59 54.315 g M5 21W2.22 一常C.4

8、15lb. 5655 B3 I 643 .S I 2 55咐亲1O 饱和水的热畅理准质H图 1 -1 饱和水的热物理性质在 t=5C c=4.20 kJ/(kg*K)所以加热桶的热耗 Q=m*At*c=6*(98-5)*4.20=2343.6kJ 若采用改进后的管路系统：欲制得同样体积的6L的热水，温度从室温25C加热到同样的温度t=9C所需要的热量为Q 由图 1-2 查得 t=25C Cp=4.183-(4.183-4.174)/(30-20)*(25-20)=4.1785kJ/(kg*K)Qz =m*A t*cp=6*(98-25)*4.1785=1830.183 kJ 改进管路系统后，制

9、同温度相同质量的热水所消耗的热量可降低的热量q = q-q=2343.6-1830.183=513.417 kJ 若认为加热桶的加热丝加热效率为100%，则节电效率为:y=AQ / Q*100%=513.417 / 2343.6*100%=21.91%3.2 增加换热器前后的对比假设在制冷过程中，可将与室温为25C的饮用水降温至5C,并将保持在5C左右。 制冷能力：25C 的水 qV=4L/h=0.004m3/h由图查得25C的水的密度p25P=p20-(p20-p30)/(30-20)*(25-20)=998.2-(998.2-995.6)/920-20)*(25-20)=996.9kg/m

10、3 冷水质量 m/h=0.004*996.9=3.9876kg/h即制冷量为每小时3.9876kg 25C的水 该质量的水由25C降温到10C时放出的热量。由 图1-2查得25C的Cp=4.1785kJ/(kg*K) 且忽略Cp在25C-10C内保持不变 q=Cp*m*t=4.1785*3.9876*(25-5)=333.24kJ/h=333240J/3600s=92.57J/s即理想情况下，不考虑放热损失(即认为制冷设备的效率为100%)时，制冷蒸发器中的液 态低温制冷剂R12在制冷过程中吸收的热量q1=q=92.57kJ/kg经吸热后沸腾汽化的R12进入压缩机内，由压缩机压缩为高温高压的R

11、12蒸汽 下图1-2为压缩式制冷原理与压焓图(b)图 1 -2 压缩式制冷原理与压焓图(b)图中实线为理论制冷循环虚线为实际制冷循环假设R12在6状态时，即未在蒸发器中吸热前的温度为-15C即T6=-15C，蒸发器中压力P0=1.862Kgf/cm2由饱和状态R12的状态表 如下图图1-3檢准工况下制冷馆环&点的数据1戊1溫朋施別 /F 力比客C)1卷斤/縊来引用宁金斤-F h/ii斤151.8G20 11013ft.320CS耐0.O2B145K-1233a7-5960.024311O.094307.59G0.CC07710B .955-旳7.59B丄(J .0D07&105.75S一 1S

12、1 .aaz010S,75i153.0150 098.$28712.150-02616233012.15151.244* 3012.150.000851Q8 了$55匕】50.004107.4B5153.033O-0：85107,211-Ifl?们00*5140021Q11.800.15455Sl(NlL)330工1SD511(174C7.43430IL.6950.00108133 , B-l5S511.SS50.0Q16S12a,09&-152. 1100 0734：12a,09图 1 -3 标准工况下制冷循环各点的数据由表查得 h6=105.75kcal/kg=442.7541kJ/kg

13、，经蒸发器吸热后的焓值为 h1=h6+Q0=442.7541+q=442.7541+69.426=512.1801kJ/kg=122.3321kcal/kg由饱和状态下的状态参数表查得11=14.5C pl=p0=1.862kgf/cm2后经压缩机压缩后，2的状态参数为12=60CPk=P2=7.596kgf/cm2 h2=145kcal/kg 3的状态 t3=30C P3=Pk=7.596kgf/cm2h3=140.09kcal/kg 由 3 到 4 为等温压缩过程13=14=30C P4=P3=Pk h4=106.95kcal/kg经能冷凝管散热后温度应下降到15=25C压力保持不变P5=

14、Pk焓值h5=105.75Kcal/kg 将上述各状态参数列表1-4表 1 - 4 状态参数表制冷剂状态点温度(C)绝对压力(kgf/cm2)比容(m3/kg)焓值(kcal/kg)R121-14.51.8620.099122.332122607.5960.0281453307.5960.0243140.094307.5960.00077106.955257.5960.00076105.756-151.8620.0222105.75由表1 -4可知在冷凝器中R12在1=30C时发生了冷凝，由气体冷凝为液体，但温度保持为 1=30C不变 该过程 R12 放出大量热量 q=h3-h4=140.09

15、-106.95=33.14kcal/KJ但由于R12的温度保持不变，所以限制了换热器中水的温度的提高，假设水的出温为25C, 则通过设计换热器的内侧水管与外侧的R12管的直径可保证水的温度流过冷凝区后的温度达到 最高30C在水流过冷凝区之后即3点后，到换热器出口为止即在2和3点之间时，R12的焓降 h=h2-h3=145-140.09=4.92kcal/KJ即放出的热量为 q =Ah=4.92*4.1868=20.59KJ/KgQml2=P 水*厶七*cp/(hl-h5)=0.998*20/(122.33-105.75)=1.22g/s假设该部分热量全部由水吸收可将水提高温 t=qmR12*q

16、 /(qm*cp)=1.22*20.59/(1.667*4.1832)=3.6C但由于该部分热量不能由水全部吸收。综上所述，将换热器出口水温假设为31C较为合理，则加热与制冷系统同时使用时的节电效 率最高较为改进前的节电量=(31-25+20) *4200*6/3600000=0.182kw.h换热器的设计1为保证压缩机的运行工况点不偏离设计工况点及制冷量不变,必需对R12进行充分冷凝。2在内管无水冷却时，选择合理的外管换热面积。3选择合理的内管半径，以保证管内水的出口温度达到31C采用环形换热管内管为水管环形通道内为R12外侧与空气换热经设计计算换热器参数如下表表1-5表1-5换热器参数内管

17、内径(mm)内管外径(mm)夕卜管内径(mm)外管外径(mm)管长(mm)外管肋片总面积(m2)81016181.51.23.3定时器的设计计算目前，很多用户在不使用电器设备时，没有随时关掉电源的意识。积少成多，造成巨大能 源浪费。一台饮水机在不切断电源，在加热状态下，24小时耗电量为14度左右，如果晚上自动 切断电源，节省的电量计算如下：不关电源，在晚间12小时耗电量为0.7度.关掉电源，加热桶的水从90度下降到20度(室温)，第二天自动开启加热将水从室温加热 到 90 度，耗电量=4200* (90-29) *5/360000=0.4083 度，节电量=0.7-0.4083=0.2917

18、度。该设计开关控制电路功率：2(电路电源可由电池组成)。下表1-2不同时间对应的节电量表1-6节电量表关闭电源时间/小时(h)121098节约电量度(C)0.24730.16330.0678-0.0104室温：20度水比热：4200KJ/kg加热桶水的质量：5Kg饮水机加热最高温度：90度(计算条件)电源开关控制原理图：图1-7图1-7定时器自动控制电路，电路图如下图：1-8图1-8说明1.该自动定时器开关的优点在于能够自动控制饮水机电源开关，在早晨时用定时自动打开, 夜间不使用时用定时自动关闭，以达到节能。2内置可充电池，DS1302定时器，单片机，HHG1-1/032F-22继电器。四、工

19、作原理图及实物照片系统的工作原理图如下图1-9图 1 -91-给水桶2-给水保温桶3-加热桶4-制冷桶5-压缩机6-换热器7-冷凝器8-控制器实物照片如下图 1-10图(a)为饮水机换热器实物图图(b )为定时器实物图五、创新点及其应用（1）回收利用饮水机在制冷过程中产生的废热进行给水预热，即减少了热量的排放，也 减少了制热水的耗电量。（2）利用简单的定时装置实现了饮水机昼夜起停的自动化，即方便了人们使用，也达到 了节电的目的。（3）该产品结构简单，操作方便，适用于大中型企业办公场所等人员密集地，节能效果 显著，实用强。参考文献1 杨成伟，教你检修小家电. 电子工业出版社出版，2008.92 杨世铭、陶文铨，传热学（第三版）. 高等教育出版社出版，1998（2006 重印）3 沈维道、 蒋智敏、童钧耕，工程热力学（第三版）， 高等教育出版社出版，2001 2006 重印）