家庭余热回收利用系统

设计者： 崔文龙 王宝 王子旭 陈鹏 黄小龙

指导老师：黄忠州

广东海洋大学 工程学院

作品内容简介

厨房、浴室是我们日常生活中必备场所，同时也是耗能最多的地方。

洗浴所用的洗澡水一般是通过热水器加热，无论用电或天然气，都要消耗一定的能源。人们在日常洗浴过程中，洗浴过程中排放的洗浴废水周边相比环境来说尚有一定的较高温度，这部分能量随着废水的排出而白白浪费了。

厨房中用到的燃气灶，其热效率约为50%~60%，多余的热量也会白白浪费。

针对以上现状, 本方案中初步设计了一种可行的节能节水系统方案。此方案采用了技术可行的设备， 一方面回收了洗浴污水中的余热，并对污水加以处理。另一方面，通过适当的热交换器把这部分热量重新回收利用起来，并通过厨房集热器换热，这样就提高了热水器未加热前水的温度，从而降低能耗。而且经过换热后的洗浴废水采取相关技术对洗浴污水加以处理，通过贮存起来用于冲洗马桶，节约用水，充分利用资源，进而实现节能减排的方案。

关键词：节能减排 余热利用 换热器

联系人：崔文龙 联系电话：137******** 邮箱：1031510413@qq.com

1.研究背景及意义

在持续的经济发展之下，有限能源的不合理利用，已经造成了能源的紧缺。而能源的保障不仅仅是能源的开发，更重要的是能源的节约。而中国为了实现可持续发展，不因能源问题受制于人，就应当重视能源问题，节能减排成为热点问题。然而家庭作为第二大能量使用体，家庭余热回收一直得不到大家重视。

随着民用炊事燃料气体化的发展，城市煤气、石油液化气、天然气的家庭应用日益广泛。燃气炉具的热效率一般为50%~60%。火焰和热烟气经过锅、壶底部后，很快向周围环境散热，烟气余热逸散在厨房内，造成热量损失。在日常生活中，洗澡都会用到热水，而洗浴废水还有一定的温度，即伴随着一定的热量，通常这些热量不加以利用都会散发到环境中造成浪费。通过设计适当的集热板和换热器能一定程度上回收这些散发的热量，并且能够使废水达到充分利用，节约了水资源，并达到节能减排的目的。

2.设计方案

2.1工作原理

如上图所示，利用热交换器初步吸收洗浴污水的部分余热，加热洗浴过程中冷水管道中的冷水，然后再通过厨房的集热器进一步加热，再输送到热水器中供洗浴使用，这样使系统中的能量得到阶梯利用，系统节能效果显著；而换热完之后的废热水经过处理之后可以用于马桶用水，节约水资源。

该系统的余热利用主要分为两个流路：

（1）流路一：废热水流路（绿色线条）

自来水 热水器 换热器 废水箱 马桶

（2）流路二：自来水换热流路 （红色线条）

自来水 换热器 集热器 热水器

热水器

工作过程

1、当只淋浴不做饭时：节流阀1关闭，节流阀2开启，经过浴室换热后的自来水直接流入热水器储存保温；

2、当淋浴与做饭同时进行时：节流阀1开启，节流阀2关闭，将浴室换热后的热水通入集热器再次加热，最终送入热水器保温；

3、为了防止由于集热板工作换热器堵塞，引起不安全因素，加了一条自来水管直接到集热板的备用管道，当出现换热器堵塞时节流阀3开启，以保证集热板的正常工作。

3浴室废热水余热回收模型及设计原理

一般在家庭浴室中，在浴室地面抬高15cm高度上安装马桶。在这部分上，再增加约的面积用来当沐浴的地方，具体空间分布如图1、 图2所示：

浴室换热器采用外径高度圆柱型的两层结构，上层通自来水，下层通废热水。冷热水流通空间高度均为，流道宽度为，支撑肋板为。考虑到良好的导热性、塑性以及低温冲击韧性，本方案中材料均采用铜及铜合金，。具体结构示意图如下：

浴室空间布置 图1 浴室空间俯视图 图2

正视图 图3 后视图 图4

部分剖视图 图5

3.1流动设计理念

经过沐浴的废热水，由重力作用直接流经换热器表面，然后沿着壁面往下流到下层的废热水入口与上层流经的自来水进行换热，换热之后的自来水再流经厨房集热板进一步加热。

由于靠重力流动，换热器管道可以设计一些坡度，让流动更容易进行，换热更充分一些。

3.2强化换热及保温设计理念

废热水落到地面与换热器的上层进行一次初步换热，然后流到废热水流道在换热器里再进行一次充分换热。为了让换热器效果得到强化，管路可以做成波纹管，让流动充分发展成湍流。为了减少散热量，安装换热器前在底部铺上一层保温层。

3.3热量回收计算

　已知：

　换热器直径： ;　上下面壁厚：;

　换热空间高度： ;　换热间隔： ;

　支撑面壁厚： ;　铝合金导热系数：;

已测热水流量： ；

(通过秒表，量筒测量数据，计算而得)

　 关于热水温度的测量，为了避免测量数据的偶然性。我们选择了早8点，中1点，晚六点三个不同时间段进行温度测量。测量结果见下表。（此时为广东的四月份）

洗澡前热水温度：

洗澡后热水温度：

自来水温度：

由以上测量的数据可知，使用后的热水与自来水最大温差可达10℃，可以进行一部分的热量回收。

3.4实验数据计算：

换热面积:

自来水容量：

假设，自来水流量：

设热流出口温度：

=>

=>

解得：自来水出口温度：

平均对数温度为：

热水tf=

物性参数：

；；

求得：

自来水tf=

查得物性参数：;

求得：

由上，一次换热总传热系数

换热量：

热水落到地面开始进行一次换热，然后再流进换热器，又一次换热。换热比较复杂，简化模型后，可把原系统简化为经过两次横掠平板式的换热。

总换热量：

3.5理论换热量：

误差:

误差在10%以内，又加上换热器铺于保温层材料上，这一侧会有一部分热量损失。可以认为此时热量平衡。

综上计算，在浴室的废热水换热系统，可以回收一部分热量，使自来水升温

回收的能量为：

=ct=

在浴室换热系统中，假设换热器的换热效率为60%，换热时间也为40分钟，那么换热器省下电能为：

4.厨房集热板模型及设计原理

集热板的结构采用两层结构，1—2层是水容器换热器，2—3层为保温层，由外圆、上下盖板和前玻璃面板组成。后、上下、左右侧盖板采用整体发泡隔热层进行填充。

集热板设计外形尺寸是外径为R=160mm，内径为R=120mm的中空圆柱型，这是因为一般单灶具的长度为350mm，为了整洁、协调，所以采用略小一点的长度。集热板主要是接受炉灶的辐射热，很少有对流换热，因此设计150mm高度，其中30mm为支架的高度，也是预留空隙能让空气进入煤具使其充分燃烧，也显得美观大方。

1—2层厚度为30mm,后部2—3保温发泡层厚度为为6mm。玻璃厚度为2mm。两层钢板厚度各位为1mm。外圆、上下盖板及保温层板采用不锈钢板，厚度为1mm。前面板采用钢化玻璃。底座采用不锈钢。如图1所示：

4.1流动设计理念

集热板的冷水取自换热器换热之后的自来水，经换热器加热后流回浴室里的热水器，其热水的流出动力是入口自来水压力。为了便于安装和维修以及流量上的控制，在进水端位置处均安装了控制阀。

由于水具有不同温度分层的特性，因此集热板水容器中没有分隔，为一整体，这样有助于水加热时的对流。

4.2强化换热及保温设计理念

前面板采用钢化玻璃，主要是为了加强换热并防止集热版热量损失。同时玻璃面板也非常美观，在玻璃面板内侧可以预先做一些图案，使其看上去美观大方。

集热板主要吸收炉灶的辐射热量，加热换热器内的水。在钢化玻璃板在表面涂有黑色吸热涂层，增加换热器的黑度，增强换热。

后面板靠近墙面，必须设置保温层。采用两层结构，中间夹保温层，可以有效防止热量散失。其中保温层拟采用整体发泡技术，将内部空间充满保温气泡。这样既保温又轻便。

4.3安全性设计理念

如果小助手？长时间吸热且没有热水放出或流量小的时候，可能会出现水容器水沸腾。水容器将产生蒸汽，致使换热器内压力增加，冷流倒流。因此在水容器上端设置一个蒸汽排气阀，换热器内有气体存在时就会自动对外排气，将放气阀的方向对准墙侧，避免伤人。如果排气阀开始排气，只需放出些热水即可。

进一步的安全措施可以采用温度计标识，或者温度自动报警装置等，以提高安全性。

4.4理论计算

O点为火焰中心，灶具工作时火焰形状为圆形，半径，高度，火焰中心温度为，外焰温度约为，发射率。

集热板初始温度，吸收率，为水加热的温度。

火焰面与炉灶面是两个平行的表面，可以看成是两个灰体之间的换热。

火焰与集板之间辐射换热量为:

水温从升到所需要的热量为：

联立①②③得

化简④式可得质量流量m与温度之间的函数关系：

利用表格和函数图像表示两者之间关系如下：

从上面数据可以看出温度T2和△t是随着质量流量的增加而逐渐减小的，考虑到热水器一般的容量为50L、集热板的工作时间和浴室换热自来水的质量流量之间的关系，我们选择集热板的参数为：

质量流量， ，温升，假设集热板每天工作40分钟，

则

利用集热板进行加热热水，假设集热板的热效率为 70％，每天做 2次饭，那么每天在集热板能节省下电能为：

5 系统节省的能量

综合厨房集热板的集热量和浴室换热器的换热量，考虑到管道流动的散热损失，引进修正系数，那么整个系统每天能节省下来的能量为：

一天能节省的电量约为：

每天节省这么多电能，那么一个家庭一年要额外消耗更多电能，如果在全国范围内每个家庭每天节省这么多能量来计算这将是一个非常可观的数字，家庭将做到真正的节能减排。

6创新点及其应用

随着能源供应的日益紧张，在今天以“绿色发展”为主题的社会，节能问题成为当今全球关注的焦点。我们在积极开发新能源的同时，也应越来越重视回收和利用余热资源。本作品是居于家庭生活余热，包括厨房余热、洗浴废热的回收利用，以达到节能的目的。

4.1创新点：

1、整个系统设计将厨房燃气灶余热、洗浴废热两种生活余热资源组合利用起来，建立一套包括余热高效回收、管道系统布置、生活污水再利用的系统化的节能减排型家居，同时也是一种新型、绿色的未来家居环保理念的体现；

2、以洗浴废水为源体，吸收其中的热量，从而达到为浴室提供洗浴热水的目的，既不消耗资源，又不污染水资源；

3、系统通过吸收洗浴废水中的热量来制取热水，故与传统型的煤、油、气等燃烧加热制取热水方式相比，无任何燃烧废气及废渣，是一种低能耗的环保产品，具有良好的社会效益，是一种可持续发展的环保型产品。

4.2应用

炉灶因为热效率低以及洗浴水余热的散失等现象，均浪费了大量的热能。家庭余热回收系统正是利用炉灶废热以及洗浴水的换热实现节能过程。

相信随着化石能源的不断减少，人们的节能意识不断提高，家庭余热回收利用系统在将来必有广泛的应用前景。

参考文献

[1]杨世铭，陶文铨.传热学（第四版）.高等教育出版社，2006.8；

[2]史美中，王中铮.热交换器原理与设计（第4版）.东南大学出版社；

家庭余热回收利用系统(05-09)