噴霧量對(duì)移動(dòng)空調(diào)冷凝器噴霧冷卻性能的影響

張業(yè)強(qiáng) 李康利 焦向志 胡根 劉金平 秦小丁 金聽祥

(1 鄭州輕工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 鄭州 450002；2 廣東志高空調(diào)有限公司 佛山 528244；3 華南理工大學(xué)電力學(xué)院 廣州 510640)

空調(diào)的出現(xiàn)和普及，給人們營(yíng)造了舒適的生活和工作環(huán)境?？照{(diào)在使用過程中會(huì)有大量的冷凝水產(chǎn)生[1]，可以利用這些冷凝水提高空調(diào)系統(tǒng)性能[2－5]。在大型的制冷和空調(diào)系統(tǒng)中，利用冷凝水的蒸發(fā)冷卻可以起到顯著的節(jié)能效果[6－7]，例如對(duì)三峽地下水電站的空冷制冷機(jī)組采用冷凝器進(jìn)風(fēng)蒸發(fā)冷卻時(shí)機(jī)組總節(jié)能達(dá)到15.8%[8]。E.Hajidavalloo[9]在家用窗式空調(diào)器的冷凝器進(jìn)風(fēng)口布置3 cm 厚的纖維墊，并將水噴在纖維墊上用以降低進(jìn)入冷凝器空氣的溫度，空調(diào)器的耗電量降低16%，EER 提高了55%。J.Tissot等[10]在一臺(tái)熱泵空調(diào)的冷凝器布置4 只噴嘴進(jìn)行噴霧降溫，噴霧量在4.29～6.68 L/h，噴霧增加耗電量5.3%～7.9%，同時(shí)空調(diào)耗電量降低7% ～16.7%，EER 提高22.4%。Yang Hua 等[11]將一臺(tái)分體式家用空調(diào)器的室外機(jī)風(fēng)機(jī)布置在冷凝器的進(jìn)風(fēng)端，并在風(fēng)扇主軸上設(shè)置一個(gè)霧化冷卻元件，當(dāng)風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，冷凝水通過霧化冷卻元件霧化并均勻分布在冷凝器進(jìn)口風(fēng)道，從而使冷凝器出口風(fēng)溫降低2.2 ℃，空調(diào)制冷量提高8.1%，耗電量降低9.5%，EER 提高20%。馮志明[12]對(duì)一臺(tái)3 匹的分體式家用空調(diào)器通過試驗(yàn)測(cè)試了5 種空氣狀態(tài)、6 種噴霧狀態(tài)下的機(jī)組性能，并根據(jù)重慶沙坪壩區(qū)的典型氣候分析了加入噴霧系統(tǒng)后的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性；李莎等[13]對(duì)采用空調(diào)冷凝水對(duì)5 種不同工質(zhì)的空調(diào)冷凝器進(jìn)行噴霧降溫進(jìn)行了理論分析，發(fā)現(xiàn)可以提高EER12.87% ～17.81%。王贊社等[14]針對(duì)濕熱地區(qū)家用空調(diào)提出用12 ℃的冷凝水對(duì)溫度為135 ℃的壓縮機(jī)排氣進(jìn)行預(yù)冷卻，將冷凝器的出口溫度降低1.1～2℃，從而提高系統(tǒng)制冷量和COP 分別為0.93%和1.7%。楊華等[15]對(duì)一臺(tái)額定制冷量為7.2 kW 的分體落地式房間空調(diào)器進(jìn)行噴霧降溫，對(duì)不同室外溫度和濕度條件下的制冷系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)量和分析，制冷量可以增加6%～10%，EER 提高2.6%～7%。曹玉鵬等[16]用不同型號(hào)的噴嘴和調(diào)節(jié)水泵壓力的方法實(shí)現(xiàn)不同的噴霧量，研究了空調(diào)冷凝水對(duì)冷凝器進(jìn)行噴霧冷卻的效果，在室外干球溫度30 ℃、35 ℃和40 ℃時(shí)，冷凝溫度分別降低了4.9 ℃、5.1 ℃和6.0 ℃，制冷量分別提高了3.2%、4.8%和6.1%。

移動(dòng)空調(diào)是一種結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、可在房間內(nèi)移動(dòng)的空調(diào)器。由于移動(dòng)空調(diào)的空間緊湊，能效比一般較低，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22257—2008?移動(dòng)式空調(diào)器通用技術(shù)要求?[17]中，要求在35 ℃/24 ℃(干球溫度/濕球溫度)時(shí)制冷量為2.5～4.5 kW 的整體式移動(dòng)空調(diào)的EER 限定值為1.53，而在該國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的新版征求意見稿中，不同能效等級(jí)要求的EER 值大幅提高，具體見表1。因此，提高移動(dòng)空調(diào)產(chǎn)品的能效比迫在眉睫。另外，在移動(dòng)空調(diào)的使用過程中產(chǎn)生的冷凝水無法像分體空調(diào)及時(shí)排到室外，如何將冷凝水安全便捷的進(jìn)行排放也是亟需解決的問題。本文提出一款雙風(fēng)管布置的移動(dòng)空調(diào)，并利用產(chǎn)生的冷凝水進(jìn)行噴霧對(duì)冷凝器進(jìn)行輔助降溫，在提高冷凝器能效比的同時(shí)解決了冷凝水的排放。本文將利用焓差實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)室外溫度保持干球溫度35 ℃、濕球溫度24 ℃、室內(nèi)溫度保持干球溫度27 ℃、濕球溫度19 ℃時(shí)，分析在不同孔徑的噴嘴對(duì)冷凝器噴霧輔助降溫條件下移動(dòng)空調(diào)性能的變化規(guī)律。

表1 移動(dòng)空調(diào)能效等級(jí)Tab.1 Energy efficiency grade of mobile air conditioner

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，該裝置由移動(dòng)空調(diào)、噴霧系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。移動(dòng)空調(diào)放置在焓差實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)側(cè)，移動(dòng)空調(diào)風(fēng)管的吸風(fēng)口和排風(fēng)口伸入室外側(cè)。噴霧系統(tǒng)的兩個(gè)儲(chǔ)水桶分別放置在室外側(cè)的電子稱上，用于計(jì)量噴霧系統(tǒng)的用水量和回水量。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Test device

1.1 移動(dòng)空調(diào)

實(shí)驗(yàn)用移動(dòng)空調(diào)的原型號(hào)為CP－35C2A－N21A，額定功率為1 667 W，額定制冷量為3 500 W。該移動(dòng)空調(diào)的冷凝器冷卻空氣為單風(fēng)管設(shè)置，即利用室內(nèi)空氣帶走冷凝器熱量后排向室外。文中移動(dòng)空調(diào)被改造為雙風(fēng)管設(shè)置，即通過風(fēng)管利用室外空氣冷卻冷凝器，然后通過另一根風(fēng)管將熱空氣排向室外，如圖2所示。

圖2 移動(dòng)空調(diào)在焓差實(shí)驗(yàn)室的布置Fig.2 Layout of mobile air conditioner in enthalpy difference laboratory

1.2 噴霧系統(tǒng)

噴霧系統(tǒng)由水泵、噴嘴、管道、儲(chǔ)水桶組成，儲(chǔ)水桶中的水經(jīng)過水泵增壓和設(shè)置在冷凝器迎風(fēng)面左下角和右下角的兩個(gè)噴嘴(距離冷凝器的距離約為3 cm，并向冷凝器傾斜5～8°)霧化(如圖3所示)，噴淋在冷凝器的迎風(fēng)面，起到輔助冷凝器冷卻降溫的效果。

圖3 噴霧系統(tǒng)部件及噴嘴布置Fig.3 Spray system components and nozzle layout

1.3 焓差實(shí)驗(yàn)室

焓差實(shí)驗(yàn)室由室內(nèi)側(cè)、和室外側(cè)以及測(cè)試控制系統(tǒng)組成。焓差實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)的溫度和濕度均能獨(dú)立設(shè)置和調(diào)節(jié)，并且布置在室內(nèi)側(cè)的流量計(jì)量系統(tǒng)可以結(jié)合測(cè)量空氣經(jīng)過空調(diào)蒸發(fā)器前后的干球溫度和濕球溫度計(jì)算空氣冷卻(加熱)后的焓差，可以計(jì)算空調(diào)的制冷量(制熱量)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)機(jī)型的額定制冷量為3 500 W，選擇適用于3 匹空調(diào)器的焓差實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室制冷能力為500～8 000 W，重復(fù)精度在±1.0%，測(cè)試電功率偏差在±0.5%以內(nèi)。

1.4 數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)

焓差實(shí)驗(yàn)室具有精確的數(shù)據(jù)采集模塊、電參數(shù)測(cè)試儀和計(jì)算分析模塊，可以測(cè)量室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)空氣的干球溫度、濕球溫度以及送風(fēng)量和送風(fēng)的干球溫度、濕球溫度，同時(shí)通過測(cè)量電壓電流計(jì)算空調(diào)機(jī)組的耗電量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，在冷凝器的中段銅管表面、壓縮機(jī)的排氣和回氣銅管表面布置熱電偶。所有采集的溫度信號(hào)、電壓信號(hào)和電流信號(hào)均傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集模塊，采集的電壓和電流傳輸?shù)诫妳?shù)測(cè)試儀，從而計(jì)算耗電量。所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)過程中的用水量和回水量采用電子稱進(jìn)行稱重。具體的儀器設(shè)備如表2所示。

表2 測(cè)控儀表配置Tab.2 Test instrument specification

1.5 噴嘴規(guī)格及噴霧量

實(shí)驗(yàn)選用4 種規(guī)格的噴嘴，每種規(guī)格的噴嘴直徑及噴霧量如表3所示。

表3 噴嘴噴嘴規(guī)格及噴霧量Tab.3 Nozzle specifications at different working conditions

2 數(shù)據(jù)分析

移動(dòng)空調(diào)屬于蒸氣壓縮制冷裝置，主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和膨脹閥等部件組成。各狀態(tài)點(diǎn)如圖4所示，系統(tǒng)分析的灰箱模型如圖5所示。

2.1 制冷量

式中:QL為制冷量，W；ρ為空氣密度，kg/m3；V為空氣進(jìn)氣量，m3/s；t為空氣干球溫度，℃；hN為回風(fēng)口空氣焓值，kJ/kg；hL送風(fēng)口空氣焓值，kJ/kg。

圖4 移動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of mobile air conditioning system

圖5 分析灰箱模型Fig.5 Grey box model of exergy analysis

2.2 冷量

式中:T0為環(huán)境溫度，K；TL為室內(nèi)溫度，K。

2.3 能效比

式中:WC為輸入功率，W。

2.4 系統(tǒng)效率

2.5 蒸發(fā)器

式中:Ex1為蒸發(fā)器出口，J；Ex4為蒸發(fā)器進(jìn)口，J。

2.6 壓縮機(jī)

式中:Ex2為壓縮機(jī)出口，J。2)損失

2.7 冷凝器

式中:Ex3為冷凝器出口，J。

2.8 膨脹閥

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

圖6所示為不同噴嘴下移動(dòng)空調(diào)的冷凝溫度、蒸發(fā)壓力和冷凝壓力變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著噴霧量的增加，冷凝溫度先急劇下降，從55.5 ℃降至53.2 ℃、51.6 ℃，但在噴霧量為2.10 g/s 時(shí)冷凝溫度降至51.3 ℃，與噴霧量1.44 g/s 時(shí)只降低了0.3℃。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，不同噴霧量時(shí)的蒸發(fā)壓力均在1.0 MPa 左右，變化很?。欢S著噴霧量的增加冷凝壓力隨之降低，冷凝壓力分別為3.45 MPa、3.28 MPa、3.16 MPa 和3.14 MPa，而且在噴嘴3 和噴嘴4時(shí)，兩者的冷凝壓力差僅為0.63%。因此，噴霧量的增加有利于降低移動(dòng)空調(diào)的冷凝溫度和冷凝壓力，但是噴霧量增加到2.10 g/s 后效果不明顯。

圖6 冷凝溫度、蒸發(fā)壓力和冷凝壓力隨噴霧量的變化Fig.6 Variation of condensation temperature，evaporation pressure and condensing pressure with spray quantity

圖7所示為移動(dòng)空調(diào)的耗電量和制冷量在不同噴霧量時(shí)的變化情況。由圖7 可知，隨噴霧量的增加，移動(dòng)空調(diào)的耗電量降低、制冷量增加，分別為1 582.95 W/3 090 W，1511.12 W/3 237 W，1 477.05 W/3 330 W，1 465.1 W/3 339 W。在噴霧量為1.44 g/s 和2.1 g/s 時(shí)，移動(dòng)空調(diào)的耗電量和制冷量相差分別僅為12 W 和9 W。

圖7 耗電量與制冷量隨噴霧量的變化Fig.7 Variation of power consumption and refrigerating capacity with spray quantity

如圖8所示，由于移動(dòng)空調(diào)的耗電量隨噴霧量的增加而降低，而制冷量隨之增加，因此移動(dòng)空調(diào)的EER 隨著噴霧量的增加而顯著增大。從圖中可以看出，移動(dòng)空調(diào)的EER 從1.95 增至2.14、2.25 和2.28，分別增加了9.74%、15.38%和16.92%。因此增大噴霧量可以提高移動(dòng)空調(diào)的性能，但隨著噴霧量的增加，增加幅度降低。

圖8 制冷系數(shù)隨噴霧量的變化Fig.8 Variation of EER with spray quantity

圖9 冷量隨噴霧量的變化Fig.9 Variation of cold exergy with spray quantity

圖10 系統(tǒng)效率隨噴霧量的變化Fig.10 Variation of exergy efficiency with spray quantity

表4 不同部件的損失系數(shù)Tab.4 Loss coefficient of different components

表4 不同部件的損失系數(shù)Tab.4 Loss coefficient of different components

部件名稱images/BZ_151_1416_345_1462_391.png損失系數(shù)噴嘴1噴嘴2噴嘴3噴嘴4蒸發(fā)器0.1480.1720.1770.180壓縮機(jī)0.4960.4720.4780.476冷凝器0.1640.1580.1520.151膨脹閥0.1400.1400.1320.132

表5 不同噴嘴下的各部件效率Tab.5 Exergy efficiency of different components

表5 不同噴嘴下的各部件效率Tab.5 Exergy efficiency of different components

部件名稱images/BZ_151_1416_345_1462_391.png效率/%噴嘴1噴嘴2噴嘴3噴嘴4蒸發(fā)器26.0024.8525.2925.28壓縮機(jī)50.3952.8252.1552.36膨脹閥90.7091.1891.8991.94

4 結(jié)論

在室外溫度保持35 ℃/24 ℃(干球溫度/濕球溫度)、室內(nèi)溫度保持27 ℃/19 ℃(干球溫度/濕球溫度)時(shí)，通過對(duì)雙風(fēng)管移動(dòng)空調(diào)的冷凝器迎風(fēng)面進(jìn)行噴霧降溫，分析了不同噴霧量對(duì)移動(dòng)空調(diào)和各主要部件的性能影響，得到結(jié)論如下:

1)隨著噴霧量的增加，移動(dòng)空調(diào)的蒸發(fā)壓力幾乎不變，而冷凝壓力和壓縮機(jī)壓比隨之降低。同時(shí)，移動(dòng)空調(diào)的耗電量也隨之降低，制冷量增加。因此制冷系數(shù)EER 隨噴霧量的增加從1.95 增至2.28。