基于人机交互技术的多旋翼飞行器控制系统 页脚内容11 家用电器节能系统设计说明书 设计者：张林营 张 三 指导教师：王志坤 （德州学院，机械设计制造及其自动化工程，08机本三班 ）

作品内容简介 通过实验设计了一套空调与电热水器联合节能系统，实现家庭、酒店、理发店医院等同时需要制冷和制热（包括制热水）系统的节能。通过对空调系统的改进实现，空调废热利用，节约热水器耗能。把热水器变成空调系统的一个冷凝器，在夏天使用空调时顺便加热热水，热水器不耗电；春秋冬通过热泵原理，利用空调设备，用电能取得大量热量，实现节能。

1 研制背景及意义 空调和热水器是家庭的必备家电，目前大中城市普遍采用的是电热水器，酒店既大量使用空调有需要大量热水，夏天空调制冷产生的大量废热，如果能利用这些废热来加热水可提供大量生活热水。春秋冬季节需要大量生活热水，如果用电热水器来加热，能耗很到，空调设备也基本闲置，如果能利用空调装置和热水器装置构成一个热泵，既可实现空调装置的有效利用，也能实现热水器的节能。 对于家庭、酒店、理发店或医院等系统来说，同时购买空调和热泵热水器可实现有效节能，但是热泵热水器投资巨大，节能却不省钱。没有经济意义。 因此，我们致力于研发尽量少的的增加设备投资的情况下实现系统的节能。

2 设计方案 2.1机械控制 空调热水器设计如图1所示

1 室内换热器 2 热水器换热器（冷凝器） 3 室外换热器 4 压缩机 5 毛细管（节流阀） 6、7 四通阀 基于人机交互技术的多旋翼飞行器控制系统 页脚内容11 8、9 截止阀 10 可调节三通阀 图1 空调热水器系统设计图 空调热水器原理图如图2

1 室内换热器 2 热水器换热器（冷凝器） 3 室外换热器 4 压缩机 5 毛细管（节流阀） 6、7 四通阀 8、9 截止阀 10 可调节三通阀 图2 空调热水器原理图

制冷、制热水循环： 关闭阀门8，打开阀门9，四通阀6，7通电，当水温较低时，阀门10调节流量是工质全部流向2（热水器换热器）加热水，当水温升高（>32度）调节阀门10减小流向2的流量，让一部份工质流经3（室外换热器），当水温超过40度，只让工质流经3。

1 室内换热器（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 毛细管（节流阀） 6、7 四通阀 8、9 截止阀 10 可调节三通阀 图3 制冷制热水循环 基于人机交互技术的多旋翼飞行器控制系统 页脚内容11 制热、制热水循环： 关闭阀门9，打开阀门8，四通阀6，7失电，此时3（室外换热器）充当蒸发器，1（室内换热器）、2（热水器换热器）充当冷凝器， 通过阀门10可以实现仅制热，或者仅制热水，同时制热和制热水将受室外换热器负荷限制。

1 室内换热器（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 毛细管（节流阀） 6、7 四通阀 8、9 截止阀 10 可调节三通阀 图4 制热制热水循环

设计时考虑的主要问题： 1.热水器和空调的工况差异大，在水温的不同阶段由于工况的漂移，压缩机负荷急剧变化，致使机组无法有效运行，如何在不影响空调性能的前提下，实现空调的热量利用？ 2.空调热水器能否实现的四季均可利用？ 3.热水器换热器怎么在空调中一直充当冷凝器？ 2.2电器部分（电路控制）

1. 空调控制系统十分复杂，修改难度大，同时改动成本也高。因此我们基本不对空调控制系统的进行修改。 2. 根据水温调节阀门开度，市场有该控制电路成品，采用这种产品。我们可以实现对阀门10的控制。 3. 还需要另外设计的控制包括阀门8、9和四通阀7，（注：四通阀6在空调控制系统中）下面设计对阀门8、9和四通阀7进行的控制设计： 这些阀门只存在两种状态：状态一：阀门8关，阀门9开，四通阀7得电；状态二：阀门8开，阀门9关，四通阀7失电。所有阀门的两种状态对应相反。阀门8、9均为得电打开，因此控制电路设计就比较简单。 基于人机交互技术的多旋翼飞行器控制系统 页脚内容11 图5 电磁阀控制 开关向右，电磁阀9得电打开，电磁阀8失电关闭，实现制冷制热水循环； 开关向左，电磁阀8得电打开，电磁阀9失电关闭，实现制热制热水循环

3 理论设计计算 1.空调工况计算：

考虑到目前主要使用的制冷剂为R22，有必要对原有设备进行节能改造，本设计计算采用R22做制冷剂计算，但R22对臭氧层有破坏作用，属于将要淘汰的制冷剂之一。故在日后新产品的设计制造中考虑使用R134a等环保制冷剂。

空调制冷系统，工质为R22，需要制冷量0Q=5kW，空调用冷气温度为ct=15°C，蒸发器端部传热温差为∆kt =10°C，冷却水温度为wt=32°C，冷凝器端部的传热温差取 ∆kt= 8°C，液体过冷度△gt=5°C，有害过热度△rt=5°C，压缩机的输气系数为λ=0.8,指示效率ŋi=0.8。 分析：绘制制冷循环的压-焓图，如右图所示

根据已知条件，得出制冷剂的工作温度为： kt=wt+∆kt=32+8=40°C

0t=ct-∆0t=10-5=5°C 基于人机交互技术的多旋翼飞行器控制系统 页脚内容11 3t=kt-∆gt=40-5=35°C 1t=0t+∆rt=5+5=10°C

查R22表得到各循环特征点的状态参数如下： 点号 P（MPa） t（°C） h（kJ/kg） v

（3m/kg） 0 0.58378 5 407.143 1 0.58378 10 412 0.043 2 1.5335 446 3 1.5335 35 250

热力计算： (1) 单位质量制冷量

0q=0h-4h=407.143-250=157.143kJ/kg

(2) 单位容积制冷量

vq=0q/1v=157.143/0.043=3654.5kJ/3m

(3) 理论比功

0w=2h-1h=446-412=34kJ/kg

(4) 指示比功 iw=0w/ŋi=34/0.8=42.5kJ/kg

2sh=1h+iw=412+42.5=454.5kJ/kg

(5) 制冷系数 ε0=0q/0w=157.143/34=4.62

εi=0q/iw=157.143/42.5=3.70 (6) 冷凝器单位热负荷 kq=2sh-3h=454.5-250=204.5kJ/kg

(7) 所需工质流量 mq=0Q/

0

q=5.0/157.143=0.0318kg/s

(8) 理论输气量 vhq=vsq/λ=1.37×310/0.8=1.71×310 3m/s 实际输气量 vsq=mq1v=0.0318×0.043=1.37×310 3m/s (9)压缩机消耗的理论比功 0p=mp0w=0.0318×34=1.08 kW 基于人机交互技术的多旋翼飞行器控制系统 页脚内容11 压缩机消耗的指示功率 ip=0p/ ŋi=1.08/0.8=1.35 kW (10)冷凝器的热负荷 kQ=mqkq=0.0318×204.5=6.50 kW (11)热力学完善度 卡诺循环制冷系数εc=(273+10)/(40-15)=11.32

指示热力学完善度 ŋci=εi/εc=3.7/11.32=0.327

2.热水器换热器设计计算： 经分析：该换热器在空调中一直起着水冷式冷凝器的作用，下面按照水冷式冷凝器的设计方法设计换热器。 设计要求：热负荷 Qk=6.5KW; 冷凝温度 tk=40oC；制冷剂 R22

（1） 冷凝器的结构形式：卧式壳管式冷凝器 （2） 冷却水温 t’ , 温升△t , t1’=32oC;在卧式冷凝器中，一般取△t=3～5oC, 取△t=4 oC ， 冷却水出口温度 t’ ’= t1’+△t=36 oC （3） 冷凝器中污垢热阻 管外热阻 ro=0.9x10-4m2.oC/W 管内热阻 ri= 0.9x10-4m2.oC/W （4） 冷凝器的设计计算 ① 冷却水流量 qvs 和平均传热温差△tm 冷却水流量qvs为

QVS=Qk／(ρc∆t)=6.5／(1000×4.187×4)=0.388×10-3 m/s 平均传热温差 △tm =t,,-t,／㏑[tk-t1,/(tk-t1,,)]=36-32/㏑[40-32/(40-36)]=5.8 ℃

② 初步规划的结构尺寸 选用的铜管，取水流速度 u=1.5m/s 则每流程的管子数 z=4qVS／πdi2u=4×0.388×10-3/[3.14×(10-2)2×10-6×1.5]=5.15

圆整后z=6 根 实际水流速度 u=4qVS／πdi2z=4×0.388×10-3/[3.14×(10-2)2×10-6×6]=1.3 m/s

③ 管程与有效管长