1、 窗户型换热器空调节能装置设计说明书设计者：杜国良 贺俊杰 赵军杰指导老师：张西珠（太原工业学院，环境与安全工程系）作品内容简介近几年来，我们提倡节能减排，低碳生活。空调作为一种耗能颇高的用电器，越来越受到关注，所以我们就设计了这个窗户型换热器，来将能量回收利用，回收的主要是热量。工作原理方面，主要利用的是蓄热体的蓄热和放热，就拿夏天为例，当空调将冷风送出时，热风的一侧的蓄热板通过单片机的带动滑到这一侧进行蓄冷，过一段时间后，冷得蓄热板再回到原来一侧，与热的空气进行热交换从而减短空调制冷机的制冷时间，经过蓄热板周期性的交换，我们不断的进行这种热交换达到将热量回收利用而不是直接排出，达到了节能的
2、目的。材料方面，用的是多孔铝蓄热材料，铝的导热性能好蓄热能力高，同时蜂窝状的铝箔比表面积大，能更充分地与空气接触，增大效率，达到节能的目的。技术方面，为了能让两块相同的蓄热板周期性的交换，我们用单片机来实现。同时，交换的时候蓄热板与轨道的摩擦力不能太大，我们在蓄热板下方安装小的转轮，就像窗户一样，这样更有利于蓄热板的交换，减少噪音，提高效率等等。总之我们的这个装置在原理、材料、技术等方面都经过了慎重的考虑和仔细的研究，同时理论计算也可以表明我们装置的节能性能。相信这是一个很不错的节能装置。目 录1 研制背景及意义.2 设计方案.2.1 电器控制.2.2 机械部分3 理论设计计算3.1 理论计算
3、3.2 实例设计计算3.3 经济分析4 工作原理及性能分析.4.1 工作原理.4.2 性能分析5 创新点及应用6 参考文献.一 研制背景及意义随着人民生活水平的提高，空调已经成为必备电器之一。根据近年来电器的市场统计数据，我国城市空调普及率已经超过 55%。对于空调这样的高耗能电器（额定功率 735-1500w） ，就其占有率来说，节能潜力巨大。再者能源的高消耗对我国发展造成了很大的压力，根据发改委能源组提供的材料，从 1980 年到 1985 年我们国家 GDP的年增长率是 10.7%，能源消费的增长率是 10.9%，19861990 年GDP 年增长是 7.9%，能源消费的增长率 9.2%
4、。19911995 年 GDP 的年增长率是 12%，能源消费的增长率是 5.9%。19952000 年，GDP开始时 8.3%，后来调整为 8.6%，能源消费增长率是 0.6%。20012005 年 GDP 年增长率是 9.47%，能源的消费增长是 9.93%。其中2003 年 GDP 的增长率是 10%，能源是 15.3%，2004 年 GDP 是10.1%，能源增长率是 16.1%。从这个数字可以看出，我们国家从19802005 年 GDP 的增长一直在 7.812%之前，基本上是这个范围内波动，而能源消耗的波动很大，特别是 2008、2009 年，能源的消费增长远远高于 GDP 的增长
5、。和发展国家相比我国每平方米的能耗是他们的 3 倍，这说明在能源的高消费上必须要引起全社会的重视。所以我们设计了本方案，窗户型换热器节能装置。只需要在空调的送风管道中安装这样一个装置，将节省空调耗能百分之五十的能量，窗户型器是一种高效的节能产品,它可利用排风中的冷(热)量预冷(热)新风,在新风进入室内或表冷器前,降低(提高)新风的热量。国外有人统计，新风负荷一般占总负荷的 20%30%，利用新排风热能回收装置，可节约新风能耗 70%-80%，节约空调负荷 10%-20%，,因此窗户型换热器的使用可有效降低空调系统的负荷效率,减小空调设备装机容量,节省空调系统的运行费用，减少能源的消耗。二设计方
6、案据调查，很多大型的建筑商厦、办公室、家庭环境下没有采用有节能装置的空调，不但增加了运行费用，而且消耗了大量能源，对社会的发展极为不利。本方案本着对国家能源回收利用的出发点，设计了这个节能装置，也就是我们称作窗户型换热其节能装置，利用它可以达到既降低成本又节约能量的目的。根据我们的研究及理论计算，窗户型换热器节能装置的设计规格可以根据空调排风量的大小确定。2.1 电器控制方面在装置中我们设计了两块蓄热板，装配如我们普通住房的推拉窗户，这两块蓄热板想要进行切换来换热，通过手动这是不可能的，可以按一定的时间进行自动切换，进行热的交换。这个驱动装置可以通过电器来控制，我们选择通过简单的单片机来实现。
7、2.2 机械方面我们在电气控制中已提到两块蓄热板，所以在装置内部需安装轨道，限制蓄热板的活动，进行蓄热体的切换。在设计中我们考虑了诸 多因素，决定选用铝箔来充当我们得蓄热体，根据其特性，我们有必要焊接防护栏，外置与通风管道相符的金属外壳。三窗户型换热器理论计算：3.1 我们选取的蓄热材料为蜂窝状铝箔，我们对它的理论计算可以根据以下几个方面：传热系数 的计算：mkMmkh1式中：为高温或低温流体的传热系数mK为蓄热体的导热系数M为高温或低温的对流换热系数mh为蓄热体的特征尺寸M为决定于蓄热体形状的系数。根据蜂窝状铝箔的形状特性我们可以将每个孔看作一个小型的圆筒来算，对于蓄热体形状为圆筒来说：当
8、时，152hCMhCM206.81式中：为蓄热材料的导温系数MC为在每一周期中低温气体流过的时间（冷却时间）h为在每一周期中高温气体流过的时间（高温时间）M与 hCM12之间的函数关系，也可由图上的曲线表示。图在下方对称型窗户换热器（换热效能）窗户型蓄热式换热器，在所流过的低温气体与高温气体的种类，流量以及切换时间相同情况下，称为对称型换热。即对称型情况下，其性能可用换热器效能来表示。1、 icihohTE,1)(加 热 期 间icihoc ,1)(冷 却 期 间式中： icT,为低温流体的入口温度 ；o,1为低温流体出口的平均温度 ；ihT,为高温流体的入口温度 ；o,1为高温流体出口的平均
9、温度 。因为上述窗户型蓄热式换热器是对称的，所以 hE= c2、窗户型的换热效能也可通过下述两个无因次参数来表示：无因次长度参数：hCmMF)(K)(11无因次切换时间参数：MmP式中：F 为一台换热器的蓄热体的总传热面积 CM)(1为低温流体的热容量（流量比热） （J/S ）h为高温流体的热容量（流量比热） （J/S ）C 和 1分别为比热（J/ ）和流量(/S)mK为低温（或高温）流体侧的传热系数（W/ ）M为蓄热体的比热（J/ ）P 为切换时间（= 周期） 。21s根据实际情况分析，每个小孔通过的气流方向是相同的，所以是顺流， Hausen 提出适用于顺流情况下得对称型蓄热式换热器 E
10、与 及 的关系曲线图，根据该曲线图我们可以直接读出温度效率。3.2 实例设计：假设夏季室外温度为 40，室内温度为 25，空调的空气流量为1000/h；蓄热体为长 600宽 600厚 10的多圆孔铝箔，孔径为 1，圆孔个数为 160000 个，传热面积为 50.24，质量为63.288；冷却时间与加热时间均为 1min，即周期为 2min；在顺流情况下。设计参数如下：空气的比热为 1.005 1ckJog气体的对流换热系数 。)/(20h2mw铝箔：密度 =2700 ，m3/kg比热 ，)(108.92cCJo导温系数 ，sM/25导热系数 Wk计算：按如上理论公式计算 1567.0160.9
11、2)1(1252 hCM所以 23.0.2.86.082 hCM因此 7104.53.1Mk传热系数 如下：mK7104.52Mmkh所以 20)/(2cwo617.305.14)(1 CmMF2.8.92.63PK由图得 E=0.5 5.0)(,1icihohTE加 热 期 间求得高温平均出口温度为 32.5.3.3 经济性分析就拿 3.2 中的实例为例。单从热能转换方面考虑的话，由于整个装置可以达到热量回收效率 50%，这就意味着通过换热装置可以把室外 的新风转变为 。每天从空调进来的新风质量为Co40Co5.32。我们假设一个人有八个小时是在上班，kghM410.2/kg1其在居室内的时
12、间为 12 个小时。如果不加节能装置的话，空调每天需将 的空气转化为Co40做的功为：Co25，如此看来整个KJJTQ189254012.05.Md ）（夏季需要做的功为： Qd603但是若加上节能装置，空调只需每天将 的气流降为Co5.32。即，每天做的功为：Co25，每年夏季做KJJTMQ904)25.3(102.5.4d 功为： JKJd 8494302 综上所述，可以节省能源为： ，即KJQy8140521省hkw3106.四工作原理及性能分析4.1 工作原理就拿夏天为例，当空调将冷风送出时，热风的一侧的蓄热板通过单片机的带动滑到这一侧进行蓄冷，过一段时间后，冷得蓄热板再回到原来一侧，
13、与热的空气进行热交换从而减短空调制冷机的制冷时间，经过蓄热板周期性的交换，来达到对热量不断回收的效果。下图分别为空调在普通居室里的送风排风系统和节能装置的工作原理图，从图上可以清晰而明确的看出空调气流的走向和我们设计装置的节能方式。热交换系统原理图4.2 性能分析1. 所用材质的热物性参数 常温下能否保证有较高的热交换效率，取决于它所采用的换热单体材料。采用一种轻质而又良好蓄热的单体材料，就能够保证交换器在空调进风排风系统中有较高且连续的换热效率，且无交叉性污染。2. 蓄热体的比表面积它取决于换热单体内蜂窝通道的结构，注入平板、波纹板的厚度、波形的间距、波高及单体厚度等，它们或大或小影响着比表
14、面积，从图中可见比表面积越大效率越高。但随着比表面积的增大，空气阻力增大，引起风机功耗的增加，设计时应注意此问题。3. 管道风速风速对换热效率的影响很大，在新风迎面风速由小增大时，换热效率降低。这是因为随着风速的增加，虽然传热传质系数有所增加，但是新排风在换热通道内热质交换的时间也变短，不能进行充分的热量交换。而且空气阻力增加，空调系统的风机功耗也会增大。所以合适的风速会在换热效率与风机消耗上达到节能。4. 新风排风比 新风排风比越小，即排风量比新风量越大，新风从排风中获得的热量越多，热交换器的换热效率就会越高。5. 蓄热体的切换周期 其蓄热体变化的频率对能量回收性能有较大的影响。取一个通道作
15、为分析对象，当它刚从新风侧切换向排风侧接受冷量（或热量）时，排风与蓄热单体温差很大，传热传质效率高，但随着时间的变化，温差减小，热量回收能力降低，频率越小，回收能力越低，则排风带走的热量越多；频率越大，这种影响越小，热回收效率越高，但是达到一定频率之后，对效率的影响逐渐稳定，表现为热回收效率随频率增加趋势变缓。五.创新点及应用本产品经过精心的设计，在应用中能起到一定的节能作用。1) 经济、节能，效率高。2) 适用于不同类、不同风量的风管式空调，并且此装置是与管道分离的，安装也很是方便。3) 因为是矩形的，与空调风管管道形状相同，所以密封性能好。4) 利用了全自动的电控制系统，这是任何热交换器中
16、没有过的。5) 不需要电机的带动，同时蓄热体下方的小转轮的减小摩擦，给我们的装置带来噪声小的特点。6) 采用了窗户型推拉形式，也是前所未有的换热器类型。参考文献1朱聘冠 换热器原理及计算 清华大学出版社 1987 年 7月2尾花英朗 热交换器设计手册 石油工业出版社 1986年 6 月3王志魁，刘丽英，刘伟 化工原理 化学工业出版社 2013年 1 月4雷亨顺 暖通空调中的热管一一应用与制作 中国建筑工业出版社 1981 年 3 月5王松汉 板翅式换热器 化学工业出版社 1984 年 4 月6史美中，王中铮 热交换器原理与设计 东南大学出版社 1996 年 11 月7兰州石油机械研究所 换热器 烃加工出版社 1988 年 12月
