廚房節(jié)能飲水系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書

1、廚房節(jié)能飲水系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)者：唐 浩,董建華,張景舒,李超輝,商鯤鵬（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院，機(jī)電系，熱能與動(dòng)力工程專業(yè)） 作品內(nèi)容簡(jiǎn)介針對(duì)目前市場(chǎng)上飲水機(jī)存在的問題：反復(fù)加熱帶來的高能耗、千滾水、易結(jié)堿等，我們組提出了“家庭廚房節(jié)能飲水系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的研究課題。本著節(jié)能減排、健康飲水、方便用水的原則，設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：利用新能源太陽(yáng)能加熱自來水，作為提高飲用水初溫?zé)嵩?，間接將飲用水加熱到60左右，省去部分傳統(tǒng)電能加熱。通過過濾裝置，提高飲水品質(zhì)。通過轉(zhuǎn)變加熱方式，采用即熱器即時(shí)加熱過濾后的水至沸騰，達(dá)到即開即飲的目的。避免反復(fù)加熱，杜絕千滾水的存在，保證健康飲用水。為了進(jìn)一步提高節(jié)能效率，充分利用

2、余熱，我們?cè)O(shè)計(jì)了余熱回收裝置，開水與自來水間接對(duì)流，將開水降溫為50左右的溫開水（據(jù)調(diào)查人體最適宜飲水溫度為40左右，考慮到冬季溫水降溫較快，所以取50左右），更加適宜飲用。同時(shí)冷卻余熱回收的熱量可提高自來水溫度，作為生活用水。通過合理設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析，該系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)飲水機(jī)弊端，引入了清潔能源太陽(yáng)能，并且利用了余熱回收，提高了能量利用率，降低了耗電量，間接地減少co2排放量，從而達(dá)到節(jié)能減排的效果。聯(lián)系人聯(lián)系方式郵箱唐浩18648689778921054825董建華180521497212423616608張景舒18051365382654101086李超輝15062148767909143

3、357商鯤uaiguai892242041 研制背景及意義隨著生活水平的提高以及人們對(duì)生活質(zhì)量的追求越來越高，現(xiàn)有飲水機(jī)不節(jié)能、不健康的問題已經(jīng)成為制約社會(huì)和諧 、可持續(xù)發(fā)展的短板。傳統(tǒng)飲水機(jī)存在的問題主要有以下四個(gè)方面：一是飲水反復(fù)加熱問題， 傳統(tǒng)飲水機(jī)功率一般在500w 2000w之間，但其保溫系統(tǒng)很不完善，為了保持加熱罐中水的溫度，即使飲水機(jī)在閑置狀態(tài)下，也會(huì)對(duì)水進(jìn)行反復(fù)加熱，導(dǎo)致耗能增加；二是對(duì)于溫水的反復(fù)加熱，形成所謂的“千滾水”（這種水含有重金屬砷化物等有害物質(zhì)），這種水會(huì)危害人體健康； 三是人們從飲水機(jī)處取水時(shí)，桶內(nèi)的純凈水將會(huì)減少，由于大氣壓的存在，飲

4、水機(jī)周圍的空氣將會(huì)在未經(jīng)過任何處理的情況下進(jìn)人到大水桶內(nèi)，而被空氣所帶入的細(xì)菌會(huì)不斷繁殖，造成二次污染，一桶純凈水喝的時(shí)間越長(zhǎng)，細(xì)菌繁殖的數(shù)字就越驚人；四是傳統(tǒng)飲水機(jī)的水在高溫下經(jīng)過反復(fù)燒煮，易產(chǎn)生水垢。水垢積累到一定量就會(huì)和水一起進(jìn)入人體，長(zhǎng)期飲用會(huì)對(duì)健康不利，容易引起腸道疾病。而且水垢對(duì)傳統(tǒng)飲水機(jī)發(fā)熱管的功率和保溫性能也有影響。因此，健康、節(jié)能飲水產(chǎn)品的研究至關(guān)重要。在“綠色、低碳、節(jié)能、健康 ”的社會(huì)背景下，太陽(yáng)能作為一種可再生的綠色能源，其利用技術(shù)一直受到各界的高度重視。近年來，我國(guó)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)快速發(fā)展，在住宅工程中已有較大規(guī)模的應(yīng)用，取得了良好的節(jié)能減排效益，如果將太陽(yáng)能很好的引入

5、飲水系統(tǒng)，并得到大面積的推廣將可以實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)能，這將是飲水機(jī)技術(shù)的一次革命。因此，研究一種新型健康節(jié)能的飲水系統(tǒng)已成為飲水產(chǎn)品研究領(lǐng)域的重要方向。2 設(shè)計(jì)方案2.1工作原理本系統(tǒng)由太能能熱水器、即熱飲水機(jī)、冷卻余熱回收裝置三大部件組成。采用即熱式加熱，水被快速加熱至100（直接引出可以沖茶、泡咖啡），再通過冷卻余熱回收裝置，管內(nèi)水降溫，成為人體適宜引用的溫開水（50）；管外冷卻水升溫后進(jìn)入保溫水箱，作為生活用水，有效利用了水的冷卻余熱。同時(shí)在即熱器前加入太陽(yáng)能熱水器，間接加熱，提高了飲用水加熱的初始溫度，因而節(jié)省了電能，提高了加熱效率。100水：按下開關(guān)r1，閥1打開，儲(chǔ)熱水箱a4內(nèi)管水流出

6、，經(jīng)過過濾裝置b后流入即熱式加熱器c，閥2開啟，可得到100開水50水：按下開關(guān)r2，過程同上，c中閥2關(guān)閉，閥3開啟，開水通過冷卻余熱回收裝置d，降溫至50從內(nèi)管流出，作為飲用的溫開水，最終從閥4流出。生活用熱水：d中外管的冷卻水由閥5進(jìn)入，升溫后流入保溫水箱e?？紤]到換熱得到的生活用水量較少，所以直接從a4中引出一路水，由閥6補(bǔ)充進(jìn)入e。 圖1 系統(tǒng)流程圖 圖2 溫度對(duì)應(yīng)顏色示圖 2.2 flash動(dòng)畫演示（源文件見附件1） flash動(dòng)態(tài)圖演示分為飲用水與洗用水兩種用水系統(tǒng)，k1出水為洗用水，k2出水為飲用水，飲用水由開水和溫開水兩種檔位設(shè)置來滿足不同溫度的用水需求。k1k2k2k1 圖

7、3 flash動(dòng)畫演示截圖 圖4 flash動(dòng)畫演示截圖如圖3所示，當(dāng)按下r1（熱水開關(guān)），水從太陽(yáng)能水箱下來經(jīng)過即熱器加熱到100直接流出可供引用。如圖4所示，當(dāng)按下r2（溫開水開關(guān)），水從即熱器加熱后經(jīng)過冷卻余熱回收裝置后水溫降到40后流出，可供引用。圖3與圖4中水溫見圖2所示3 系統(tǒng)各部件選型與設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 太陽(yáng)能熱水器計(jì)算及選型圖5 太陽(yáng)能熱水器假設(shè)熱水器上的集熱器對(duì)太陽(yáng)能的利用效率為40%，水箱容積為100l,在與陽(yáng)光垂直的地球表面上每平方米得到的太陽(yáng)輻射功率約為p=1400w如果將整箱水的溫度從10加熱到75，需要陽(yáng)光照射5h。(1)水吸收的熱量：(2)太陽(yáng)輻射5h獲得的太陽(yáng)能：

8、 (3)面積：(4)真空管根數(shù)：直徑為58mm，長(zhǎng)度為1.8m 取整9根最終設(shè)計(jì)參數(shù)：表1 太陽(yáng)能熱水器最終設(shè)計(jì)參數(shù)水箱容積（l）真空管根數(shù)（根）真空管直徑（mm）真空管長(zhǎng)度（m）參考價(jià)格（元）1009581.85003.2 太陽(yáng)能儲(chǔ)熱水箱里的換熱器假設(shè)管內(nèi)自來水由10被加熱到60，太陽(yáng)能水箱里的水由75被冷卻到72。(1)溫差：(2)換熱面積：(3)換熱管長(zhǎng)：(4)選取盤旋管大徑為0.25m(5)盤旋管數(shù): 取整4圈表2 太陽(yáng)能儲(chǔ)熱水箱里的換熱器最終設(shè)計(jì)參數(shù)換熱管長(zhǎng)（m）盤旋管大徑（m）盤旋圈數(shù)（圈）2.80.2543.3 即熱式加熱器圖6 即熱式加熱器 即熱式加熱器采用的材質(zhì)：石英管 鍍膜

9、，根據(jù)選型部分參數(shù)如表3 表3 即熱式加熱器部分參數(shù)管徑（mm）功率（w）工作電壓（v）1614202203.4 冷卻余熱回收裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算（1）計(jì)算過程： 1）熱水放熱量： 2）求換熱面積: 對(duì)流溫差 傳熱系數(shù) 換熱面積 3）螺旋管長(zhǎng)度： 4）殼徑： 5）螺旋管直徑： 圈 6）高度：（2） 最終設(shè)計(jì)參數(shù)： 表4 冷卻余熱回收裝置的部分參數(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)紫銅管內(nèi)徑（mm）6紫銅管外徑（mm）7管間距（mm）12纏繞圈數(shù)（圈）14殼體直徑（mm）90殼體高度（mm）200殼體壁厚（mm）2（3）二維與三維圖截圖展示（源文件見附件2） 圖7 冷卻余熱回收裝置主視圖與剖面圖 圖8 冷卻余熱回收裝置俯視圖

10、圖9 冷卻余熱回收裝置立體圖3.5 水泵的選型水泵采用進(jìn)出水口為4分管螺紋，部分參數(shù)如表5表5 水泵的部分參數(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)電壓(v)24最大負(fù)載電流（a）1.3最大靜態(tài)流量(l/min)16最大靜態(tài)揚(yáng)程(m)6最大輸出功率（w）31.2參考價(jià)格(元)804 三維模型展示（源文件見附件3）圖10 廚房節(jié)能飲水系統(tǒng)立體模型圖5 節(jié)能效益分析 （1）為了準(zhǔn)確分析即熱式飲水機(jī)的節(jié)能效率，對(duì)傳統(tǒng)飲水機(jī)24h 耗電量、即熱器飲水機(jī)耗電量及太陽(yáng)能加即熱器飲水機(jī)電耗計(jì)算如下：傳統(tǒng)型：式中：q1傳統(tǒng)飲水機(jī)24h 耗電量 水的比熱容，取4200j/(kg )水的密度，取1kg/l 家庭平均飲水量，取6l傳統(tǒng)飲水機(jī)熱膽

11、的容積，取1l 電加熱效率，取0.95傳統(tǒng)飲水機(jī)平均水溫升高度數(shù)，取93-26=67傳統(tǒng)飲水機(jī)保溫時(shí)水溫變化度數(shù)，取93-78=15傳統(tǒng)飲水機(jī)24h 重復(fù)加熱次數(shù)，取48次即熱式飲水機(jī)：即熱式加太陽(yáng)能飲水機(jī)：式中: 即熱式節(jié)能飲水機(jī)24h 耗電量太陽(yáng)能加即熱器節(jié)能飲水機(jī)24h 耗電量太陽(yáng)能加即熱器節(jié)能飲水機(jī)加熱溫度100-60=40即熱式節(jié)能飲水機(jī)加熱時(shí)耗電功率，取420w-即熱式飲水機(jī)加熱時(shí)間太陽(yáng)能加即熱器節(jié)能飲水機(jī)加熱時(shí)間代入數(shù)據(jù)，得： 即熱式飲水機(jī)： 即熱式加太陽(yáng)能飲水機(jī)： 即熱式飲水機(jī)效率：即熱式加太陽(yáng)能飲水機(jī)效率：（2）節(jié)約電費(fèi)即熱式飲水機(jī)節(jié)約的電費(fèi)：即熱式加太陽(yáng)能飲水機(jī)節(jié)約的電費(fèi)：

12、（3）少排放量（600mw機(jī)組）：即熱式飲水機(jī)：即熱式加太陽(yáng)能飲水機(jī)：（4）冷卻余熱回收裝置回收的熱量效益分析： 如果不考慮熱量的損失及換熱效率，冷卻余熱回收裝置回收的熱量為： 一年可以節(jié)省的電量： 若用電加熱要花費(fèi)： 釋放：由于太陽(yáng)能加即熱式飲水機(jī)待機(jī)幾乎不用耗電，如果飲水機(jī)24h處于待機(jī)狀態(tài)，那么節(jié)能效率將接近100%。表6 節(jié)能效益分析節(jié)能效率（%）每臺(tái)每年節(jié)約電量（度）每臺(tái)每年節(jié)約電費(fèi)（元）全國(guó)每年每臺(tái)少排（kg）即熱式54.48273144.69270.27即熱式加太陽(yáng)能79.68400.77212.4390.76冷卻余熱回收裝置127.7567.71126.476 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用1. 引入家庭太陽(yáng)能熱水器，間接加熱飲用水，提高被加熱水的初始溫度，節(jié)省電能；2. 預(yù)熱后的飲用水過濾后，用即熱式飲水機(jī)加熱至沸騰，避免了傳統(tǒng)飲水機(jī)的高能耗、千滾水、易結(jié)垢、二次污染等問題，即開即飲；3. 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了冷卻余熱回收裝置，對(duì)100的熱水間接冷卻到50的溫開水，將冷卻水作為生活用水，充分利用余熱，再次節(jié)能。 參考文獻(xiàn)1 羅運(yùn)俊太陽(yáng)能利用技術(shù)化學(xué)工業(yè)出版社2011，127-302 楊世銘 陶文銓譯，傳熱學(xué)，高等教育出版社，2006，08：36-783 羅惕乾,流體力學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社，2007-7-1：47-