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1、1 厨房节能饮水系统设计说明书设计者：唐浩, 董建华 , 张景舒 , 李超辉 , 商鲲鹏 （中国矿业大学徐海学院，机电系，热能与动力工程专业）作品内容简介 针对目前市场上饮水机存在的问题：反复加热带来的高能耗、千滚水、易结碱等，我们 组提出了 “ 家庭厨房节能饮水系统设计” 的研究课题。本着节能减排、健康饮水、方便用水的 原则，设计内容如下：利用新能源太阳能加热自来水，作为提高饮用水初温热源，间接将饮 用水加热到 60左右，省去部分传统电能加热。通过过滤装置，提高饮水品质。通过转变加 热方式，采用即热器即时加热过滤后的水至沸腾，达到即开即饮的目的。避免反复加热，杜 绝千滚水的存在，保证健康饮用
2、水。为了进一步提高节能效率，充分利用余热，我们设计了 余热回收装置，开水与自来水间接对流，将开水降温为50左右的温开水（据调查人体最适 宜饮水温度为 40左右，考虑到冬季温水降温较快，所以取50左右） ，更加适宜饮用。同时 冷却余热回收的热量可提高自来水温度，作为生活用水。通过合理设计及优化分析，该系统 能够克服传统饮水机弊端，引入了清洁能源太阳能，并且利用了余热回收，提高了能量利用 率，降低了耗电量，间接地减少CO2排放量，从而达到节能减排的效果。联系人联系方式邮箱 唐浩18648689778 董建华18052149721 张景舒18051365382 李超辉15062148767
3、商鲲鹏15262091985 1 研制背景及意义随着生活水平的提高以及人们对生活质量的追求越来越高，现有饮水机不节能、不健康 的问题已经成为制约社会和谐、可持续发展的短板。 传统饮水机存在的问题主要有以下四个 方面：一是饮水反复加热问题，传统饮水机功率一般在500W 2000W 之间，但其保温系统 很不完善，为了保持加热罐中水的温度，即使饮水机在闲置状态下，也会对水进行反复加热， 导致耗能增加；二是对于温水的反复加热，形成所谓的“ 千滚水 ” （这种水含有重金属砷化物 等有害物质），这种水会危害人体健康；三是人们从饮水机处取水时，桶内的纯净水将会减 少，由于大气压的存在， 饮水机周围的空气将
4、会在未经过任何处理的情况下进人到大水桶内， 而被空气所带入的细菌会不断繁殖，造成二次污染，一桶纯净水喝的时间越长，细菌繁殖的 数字就越惊人；四是传统饮水机的水在高温下经过反复烧煮，易产生水垢。水垢积累到一定 量就会和水一起进入人体，长期饮用会对健康不利，容易引起肠道疾病。而且水垢对传统饮 水机发热管的功率和保温性能也有影响。因此，健康、节能饮水产品的研究至关重要。在“ 绿色、低碳、节能、健康” 的社会背景下，太阳能作为一种可再生的绿色能源，其 利用技术一直受到各界的高度重视。近年来，我国太阳能热水系统快速发展，在住宅工 程中已有较大规模的应用，取得了良好的节能减排效益，如果将太阳能很好的引入饮
5、水 系统，并得到大面积的推广将可以实现有效的节能，这将是饮水机技术的一次革命。因此，研究一种新型健康节能的饮水系统已成为饮水产品研究领域的重要方向。2 2 设计方案 2.1 工作原理 本系统由太能能热水器、即热饮水机、冷却余热回收装置三大部件组成。采用即热式加 热，水被快速加热至100（直接引出可以冲茶、泡咖啡） ，再通过冷却余热回收装置，管内 水降温，成为人体适宜引用的温开水（50） ；管外冷却水升温后进入保温水箱，作为生活用 水，有效利用了水的冷却余热。同时在即热器前加入太阳能热水器，间接加热，提高了饮用 水加热的初始温度，因而节省了电能，提高了加热效率。100水：按下开关 R1，阀 1
6、打开，储热水箱 A4 内管水流出，经过过滤装置B 后流入即 热式加热器 C，阀 2 开启，可得到 100开水50水：按下开关 R2，过程同上， C 中阀 2 关闭，阀 3 开启，开水通过冷却余热回收装 置 D，降温至 50从内管流出，作为饮用的温开水，最终从阀4 流出。生活用热水： D 中外管的冷却水由阀5 进入，升温后流入保温水箱E。考虑到换热得到 的生活用水量较少，所以直接从A4 中引出一路水，由阀6 补充进入 E。图 1 系统流程图图 2 温度对应颜色示图2.2 Flash动画演示（源文件见附件1） Flash 动态图演示分为饮用水与洗用水两种用水系统，K1出水为洗用水， K2出水为饮
7、用水，饮用水由开水和温开水两种档位设置来满足不同温度的用水需求。图 3 Flash动画演示截图图 4 Flash动画演示截图K2 K1 K2 K1 3 如图 3 所示，当按下 R1 （热水开关），水从太阳能水箱下来经过即热器加热到100直接 流出可供引用。 如图 4 所示，当按下R2 （温开水开关），水从即热器加热后经过冷却余热回收装置后水 温降到 40后流出，可供引用。 图 3 与图 4 中水温见图 2 所示 3 系统各部件选型与设计计算 3.1 太阳能热水器计算及选型图 5 太阳能热水器 假设 热水 器上 的集 热 器对 太阳 能的 利用 效率为 40% ， 水箱 容积 为 100L, 在
8、与 阳 光 垂 直的 地球 表面上 每平 方 米 得到 的太 阳辐 射 功 率约 为P=1400W 如 果将 整 箱 水 的温 度从 10加 热到 75，需 要阳 光照 射 5h。(1) 水 吸收的 热量 ：JckgckgJtcmQ731073. 2)1075(100)/(102 .4(2) 太阳 辐 射 5h 获得 的太 阳能 ：smwSptW36005/14002%4036005/1400%402smwSWQ(3) 面积 ： 360051400QS %403600514001073.27 27 .2m(4) 真空 管根 数： 直 径为 58mm ，长度 为 1.8m 2.88.1058.0
9、7.2dlSn取整 9 根最终设计参数：表 1 太阳能热水器最终设计参数水箱 容积 （ L）真空 管根 数 （根 ）真空 管直 径 （mm ）真空 管长 度 （m ） 参考 价格 （元 ）100 9 58 1.8 500 3.2 太阳能储热水箱里的换热器 假设管内自来水由10被加热到 60，太阳能水箱里的水由75被冷却到 72。(1)温差：12.331562ln1562 mt4 (2)换热面积：2106.012.3369.4991750mtKQAm(3)换热管长：mDAL8.2121000106.0(4)选取盘旋管大径为0.25m (5)盘旋管数 :圈5.325.08.2n取整 4 圈表 2
10、太阳能储热水箱里的换热器最终设计参数换热管长（ m）盘旋管大径（ m）盘旋圈数（圈）2.8 0.25 4 3.3 即热式加热器图 6 即热式加热器即热式加热器采用的材质：石英管镀膜，根据选型部分参数如表3 表 3 即热式加热器部分参数管径（ mm ）功率（ W ）工作电压（ V） ?161 420 220 3.4 冷却余热回收装置的设计与计算 （1）计算过程：1）热水放热量：Qmq c tw1750)50100(4200605 .02）求换热面积 : 对流温差m a xm i nm a xm i n6 54 05 1 . 4 965lnln40o mTTTCTT传热系数2 31211499.6
11、91110.5 1021000407oKw mcsnn5 换热面积217500.068499.6951.49QAmK T3）螺旋管长度：2 30.0683.616 10ALmd4）壳径：0500.62271.2DdDmm5）螺旋管直径：71.282.21cos30oDmm33 . 6 11482.21 10n圈6）高度：14712682.21sin302252.21ohmm（2）最终设计参数：表 4 冷却余热回收装置的部分参数参数数据 紫铜管内径（ mm）6 紫铜管外径（ mm）7 管间距（ mm）12 缠绕圈数（圈）14 壳体直径（ mm）90 壳体高度（ mm）200 壳体壁厚（ mm）2
12、 （3）二维与三维图截图展示（源文件见附件2）图 7 冷却余热回收装置主视图与剖面图图 8 冷却余热回收装置俯视图6 图 9 冷却余热回收装置立体图 3.5 水泵的选型 水泵采用进出水口为4 分管螺纹，部分参数如表5 表 5 水泵的部分参数参数数据 电压(V) 24 最大负载电流（ A）1.3 最大静态流量 (L/min) 16 最大静态扬程 (m) 6 最大输出功率（ W）31.2 参考价格 (元) 80 4 三维模型展示（源文件见附件3）图 10 厨房节能饮水系统立体模型图 5 节能效益分析 （1）为了准确分析即热式饮水机的节能效率，对传统饮水机24h 耗电量、即热器饮水机 耗电量及太阳能
13、加即热器饮水机电耗计算如下：传统型：/ )(001nLTcTLcQ式中： Q1传统饮水机 24h 耗电量 c 水的比热容，取 4200J/(kg ) 水的密度，取 1kg/L 0L家庭平均饮水量，取 6L L 传统饮水机热胆的容积，取1L 电加热效率，取 0.95 T 传统饮水机平均水温升高度数，取93-26=67 T 传统饮水机保温时水温变化度数，取93-78=150n传统饮水机 24h 重复加热次数，取 48次7 即热式饮水机：22PtQ即热式加太阳能饮水机：33PtQ式中: 2Q即热式节能饮水机 24h 耗电量3Q太阳能加即热器节能饮水机24h 耗电量 T太阳能加即热器节能饮水机加热温度
14、100-60=40P即热式节能饮水机加热时耗电功率，取420W 2t-即热式饮水机加热时间3t太阳能加即热器节能饮水机加热时间代入数据，得：/ )(001nLTcTLcQ95.0/481511420067614200hkw378.1即热式饮水机：22PtTcmm i n90420)10100(642002 2pTcmt即热式加太阳能饮水机：33ptTcmm i n40420)60100(642003 3PtcmthkwptQ63.0609042022hkwptQ28.0604042033即热式饮水机效率：%28.54%100 378.163.0378.1即热式加太阳能饮水机效率：%68.79%
15、100 378.128.0378.1（2）节约电费即热式饮水机节约的电费：元69.14453.0273365378.1%28.54hkw即热式加太阳能饮水机节约的电费：元4.21253.077.400365378.1%68.79hkw（3）2co少排放量（ 600MW机组） ：即热式饮水机：kg27.2701000/9902738 即热式加太阳能饮水机：kg76.3901000/99077.400（4）冷却余热回收装置回收的热量效益分析： 如果不考虑热量的损失及换热效率，冷却余热回收装置回收的热量为：hkwTcmQ.35.0)50100(64200一年可以节省的电量：hkw.75.127365
16、35.0若用电加热要花费：元71.6753.075.127释放2co：kg47.126100099075.127由于太阳能加即热式饮水机待机几乎不用耗电，如果饮水机 24h处于待机状态， 那么节能 效率将接近 100%。表 6 节能效益分析节能效率 （% ）每台每年节 约电量（度）每台每年节约电 费（元）全国每年每台少排2CO（kg）即热式54.48 273 144.69 270.27 即热式加太阳能79.68 400.77 212.4 390.76 冷却余热回收装置127.75 67.71 126.47 6 创新点及应用 1.引入家庭太阳能热水器，间接加热饮用水，提高被加热水的初始温度，节省电能； 2.预热后的饮用水过滤后，用即热式饮水机加热至沸腾，避
