曹玉鵬 雷 波

利用冷凝水噴霧冷卻冷凝器的實(shí)驗(yàn)研究

曹玉鵬 雷 波

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

采用空調(diào)冷凝水對(duì)冷凝器進(jìn)行噴霧冷卻，研究不同室外溫度和不同噴淋量對(duì)空調(diào)節(jié)能效果的影響。研究結(jié)果表明：將霧化冷凝水噴淋至冷凝器表面，可以提高空調(diào)機(jī)組制冷量和COP，且室外干球溫度越高提升越明顯。實(shí)驗(yàn)噴霧量范圍內(nèi)（6.72L/h～33.54L/h），室外干球溫度分別為30℃、35℃和40℃工況下，COP最大值與未噴霧狀態(tài)下相比分別提高了11.0%、15.2%和17.9%。

空調(diào)冷凝水；冷凝器；噴霧冷卻；實(shí)驗(yàn)研究

0 引言

空調(diào)制冷運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的冷凝水溫度較低，且制冷量越大、室內(nèi)濕負(fù)荷越大，產(chǎn)生的冷凝水也越多，如果能夠?qū)⒖照{(diào)中排出的冷凝水收集起來(lái)加以利用，可以達(dá)到良好的節(jié)能效果。

目前空調(diào)冷凝水的回收利用方式主要分為兩類，一是利用冷凝水作為水資源；二是利用冷凝水低溫?zé)嵩吹膶傩裕裙?jié)約了水資源，同時(shí)又利用其自身的冷量，達(dá)到節(jié)能的目的，使冷凝水的利用達(dá)到最大化。Kevin Teller在2002年發(fā)明了一種使用空調(diào)冷凝水余冷進(jìn)入冷凝器空氣的裝置，這種裝置可以很好的降低新風(fēng)溫度，并且可以達(dá)到節(jié)能的目的[1]。陳楠等[2,3]將低溫的冷凝水直接噴淋在冷凝器翅片表面，發(fā)現(xiàn)節(jié)能效果良好。張華廷等提出將回收的空調(diào)冷凝水用于冷卻冷凝器是目前最有效的節(jié)能措施[4]。以上這些研究大多停留在理論研究層面，實(shí)驗(yàn)研究工況的單一，對(duì)冷凝水回收應(yīng)用技術(shù)沒(méi)有指導(dǎo)意義。本文設(shè)計(jì)噴霧系統(tǒng)將空調(diào)冷凝水霧化后均勻地噴至風(fēng)冷冷凝器表面，研究不同噴霧量和不同室外空氣參數(shù)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能的影響，從而為冷凝水回收應(yīng)用技術(shù)提供設(shè)計(jì)參考。

1 理論分析

夏季空調(diào)室外溫度較高，高溫條件下，風(fēng)冷冷凝器的換熱效率較低，空調(diào)系統(tǒng)性能降低，制冷效果差。LIU H等[5]研究表明：提升空調(diào)系統(tǒng)能效比的最佳方式，就是降低系統(tǒng)的冷凝溫度。

空調(diào)冷凝水溫度較低，一般在15℃左右，且水的汽化潛熱巨大，常溫下約為2260kJ/kg。利用回收的冷凝水的顯熱和潛熱來(lái)降低冷凝器換熱管和翅片的溫度，可以有效地提高冷凝器的換熱效率，降低空調(diào)系統(tǒng)的冷凝溫度，進(jìn)而提高空調(diào)系統(tǒng)的COP。

圖1 蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的壓焓圖

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫、濕度采用機(jī)房空調(diào)國(guó)標(biāo)測(cè)試溫濕度，即干球溫度24℃，濕球溫度17℃。室外側(cè)選取了干球溫度分別為30℃、35℃和40℃三組工況做測(cè)試，同時(shí)選取了6組噴霧量，分別為6.72L/h，9.02L/h，16.8L/h，22.32L/h，26.34L/h，33.54L/h，與未噴霧工況進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

需要進(jìn)行測(cè)量的數(shù)據(jù)包括室內(nèi)機(jī)進(jìn)出風(fēng)溫濕度和風(fēng)量，室外機(jī)送排風(fēng)溫濕度和風(fēng)量，噴霧量，耗電量，冷凝水量，未蒸發(fā)回水量以及制冷系統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)溫度壓力。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)在焓差實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，焓差實(shí)驗(yàn)室由室內(nèi)側(cè)環(huán)境室和室外側(cè)環(huán)境室兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的空間組成，能夠分別建立起符合測(cè)試要求并相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境。

實(shí)驗(yàn)裝置由測(cè)試空調(diào)機(jī)組、噴霧裝置以及焓差實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x器組成，實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖見(jiàn)圖2。

（1）實(shí)驗(yàn)測(cè)試機(jī)組

本實(shí)驗(yàn)選用的是一臺(tái)分體落地式機(jī)房空調(diào)器，分體落地式機(jī)房空調(diào)器的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試空調(diào)機(jī)組額定參數(shù)

（2）噴霧裝置

噴霧系裝置由水箱、水泵、噴頭、定位裝置、過(guò)濾器、管路、壓力表、電子秤等組成，見(jiàn)圖2室外側(cè)部分。

骨折是常發(fā)生的一種意外事故，對(duì)于患者的身心健康、以及日常生活都帶了極大的影響。患者在治療過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的疼痛感，藥物鎮(zhèn)痛難以完全緩解患者的這種疼痛，為了一定程度上緩解患者的疼痛感，我院特對(duì)骨科患者實(shí)施了無(wú)痛護(hù)理，經(jīng)臨床研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用無(wú)痛護(hù)理效果極佳。具體的研究分析報(bào)告如下。

噴頭和水泵的選取對(duì)噴霧效果的影響較大。實(shí)驗(yàn)對(duì)不同的噴頭進(jìn)行了比選，確定選用實(shí)心圓錐高壓霧化噴頭，噴頭型號(hào)有四種，分別對(duì)應(yīng)不同的流量。霧化水泵采用型號(hào)為JDT-0.5A（0.5L）的高壓霧化水泵，最大流量0.5L/min，壓力調(diào)節(jié)范圍為4～7MPa，功率150W。噴霧量的調(diào)節(jié)采用更換不同型號(hào)噴頭及調(diào)節(jié)水泵壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖

（3）數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x器

焓差實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x器主要包括：溫濕度測(cè)定儀、鉑電阻溫度傳感器、風(fēng)量測(cè)量系統(tǒng)及壓力傳感器等，參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 測(cè)量?jī)x器參數(shù)

測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2，A為室外機(jī)進(jìn)風(fēng)空氣狀態(tài)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量其干濕球溫度；B為室外機(jī)出風(fēng)空氣狀態(tài)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量其干濕球溫度，以及風(fēng)量；C為室內(nèi)機(jī)進(jìn)風(fēng)空氣狀態(tài)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量其干濕球溫度；D為室內(nèi)機(jī)出風(fēng)空氣狀態(tài)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量其干濕球溫度，以及風(fēng)量；P為制冷系統(tǒng)專用壓力表，測(cè)量制冷系統(tǒng)各點(diǎn)壓力；T為熱電偶，測(cè)量制冷系統(tǒng)各點(diǎn)溫度。噴霧溫度用水銀溫度計(jì)測(cè)量，噴霧量、冷凝水產(chǎn)生量和未蒸發(fā)回水量采用計(jì)時(shí)稱重計(jì)量。

2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容包括：

（1）對(duì)冷凝水噴霧系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括噴淋量、噴淋方式（噴嘴形式以及噴嘴的布置），使其節(jié)能效果最大化；

（2）對(duì)比測(cè)試不同噴霧量和不同室外空氣參數(shù)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 冷凝溫度

冷凝溫度與冷凝壓力之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量冷凝器進(jìn)口壓力，查制冷劑R410a的溫度壓力對(duì)應(yīng)表，得到不同室外干球溫度下冷凝溫度與噴霧量之間的關(guān)系。如圖3所示，冷凝溫度受室外干球溫度和噴霧量的影響較大。室外干球溫度越低，冷凝器的換熱效率越高，冷凝溫度越低。隨著噴霧量的增加，冷凝器的換熱效率隨之提高，冷凝溫度隨之降低，噴霧量達(dá)到最大（33.54L/h）時(shí)，30℃、35℃和40℃三種室外干球溫度工況下的冷凝溫度分別下降了4.9℃、5.3℃和6.0℃。

圖3 噴霧量對(duì)冷凝溫度的影響

3.2 空調(diào)機(jī)組制冷量

圖4是不同室外干球溫度下噴霧量對(duì)空調(diào)機(jī)組制冷量的影響。制冷量受室外干球溫度和噴霧量的影響。室外干球溫度越高冷凝器換熱效率越低，進(jìn)而影響空調(diào)的制冷量；噴霧量的增加加強(qiáng)了冷凝器的換熱，制冷劑的過(guò)冷度增加，空調(diào)制冷量隨之增加，同時(shí)可以看出室外干球溫度為35℃和40℃時(shí)，噴霧量增加到9.02L/h過(guò)程中，空調(diào)制冷量增加的速率較快，分別提高了2.4%和4.3%，噴霧量從9.02L/h增加到33.54L/h過(guò)程中，空調(diào)制冷量增加速率變緩，分別提高4.8%和6.1%。室外干球溫度為30℃時(shí)，噴霧量增加到16.8L/h時(shí)，空調(diào)制冷量達(dá)到最大值，提高了3.2%，當(dāng)噴霧量繼續(xù)增大，制冷量反而緩慢降低。分析原因，發(fā)現(xiàn)室外干球溫度為30℃的工況下，當(dāng)噴霧量增加到22.32L/h時(shí)制冷循環(huán)高低壓差驟減，壓縮機(jī)進(jìn)、出口溫度明顯升高，制冷劑克服節(jié)流裝置阻力的能力下降，最終造成系統(tǒng)制冷劑循環(huán)流量下降，制冷量下降。此現(xiàn)象說(shuō)明冷凝溫度過(guò)低反而導(dǎo)致空調(diào)制冷量下降。

圖4 噴霧量對(duì)空調(diào)機(jī)組制冷量的影響

3.3 空調(diào)機(jī)組能效

圖5是不同室外干球溫度下噴霧量對(duì)空調(diào)機(jī)組功率的影響。由圖中可以看出室外干球溫度越低，空調(diào)機(jī)組功率越小，這與冷凝溫度的降低有一定關(guān)系。室外干球溫度為35℃和40℃工況下，隨著噴霧量增大至9.02L/h過(guò)程中，空調(diào)功率減小速率較快，分別減小了4.5%和6.0%，繼續(xù)增大噴霧量時(shí)，空調(diào)功率減小速率變緩，噴霧量達(dá)到最大時(shí)，功率分別減小了9.2%和10%。室外干球溫度為30℃工況下，當(dāng)噴霧量增加到22.32L/h時(shí)，空調(diào)功率減小到最小值，減小了7.6%，當(dāng)噴霧量繼續(xù)增大，空調(diào)功率緩慢增大，這是由于制冷劑循環(huán)流量下降，導(dǎo)致壓縮機(jī)進(jìn)、出口溫度明顯升高，壓縮機(jī)功率增大，進(jìn)而使空調(diào)的功率增大。

圖5 噴霧量對(duì)空調(diào)機(jī)組功率的影響

圖6為不同室外干球溫度下噴霧量與空調(diào)機(jī)組能效比的關(guān)系。由圖可以看出能效比隨室外干球溫度和噴霧流量的變化趨勢(shì)與制冷量十分相似，不同之處在于30℃工況下噴霧量增加至22.32L/h時(shí)，COP達(dá)到最大值。三種溫度工況下COP的最大值比未噴霧狀態(tài)下分別提高了11.0%、15.2%和17.9%。三種溫度工況下COP變化率最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的噴霧量均為9.02L/h，分別提高了8.1%、8.6%和10.9。

圖6 噴霧量對(duì)空調(diào)機(jī)組能效比的影響

4 結(jié)論

本文通過(guò)設(shè)計(jì)噴霧系統(tǒng)將空調(diào)冷凝水霧化后均勻地噴至風(fēng)冷冷凝器表面，研究不同噴霧量和不同室外空氣參數(shù)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能的影響，得到以下結(jié)論：

（1）室外干球溫度分別為30℃、35℃和40℃的工況下，冷凝器的冷凝溫度隨噴霧量的增加不斷降低，最大流量（33.54L/h）下分別降低了4.9℃、5.3℃和6.0℃。

（2）三種室外干球溫度工況下，隨著噴霧量的增大，制冷量最大分別提高了3.2%、4.8%和6.1%，空調(diào)機(jī)組輸入功率最小分別降低了7.6%、9.2%和10%，COP最大分別提高了11.0%、15.2%和17.9%。制冷量和COP的提高速率隨噴霧量的增大由快變慢，提升速率最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的噴霧量為9.02 L/h左右。30℃工況下，當(dāng)噴霧量增大到26.34L/h時(shí)，空調(diào)機(jī)組COP反而降低。說(shuō)明當(dāng)冷凝溫度過(guò)低時(shí)，機(jī)組COP反而減小。

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Experimental Study on Spray Cooling of Condenser Using Condensate Water

Cao Yupeng Lei Bo

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

In this paper, the influence of different outdoor temperature and different spraying amount on the energy-saving effect of air conditioner is studied by using air conditioning condensate to spray and cool the condenser. The results show that the cooling capacity and COP of the air conditioning unit can be improved by spraying the atomized condensate water on the surface of the condenser, and the higher the temperature of the outdoor dry ball, the more obvious the increase. Within the design flow range, 30℃, 35℃ and 40℃ conditions, the COP maximum value is 11%, 15.2% and 17.9% respectively compared to the non-spray state.

condensate water of air conditioning; condenser; spray cooling; experimental study

TU83

A

1671-6612（2019）04-355-05

曹玉鵬（1991.11-），男，在讀碩士研究生，E-mail：caoyupeng1991@icloud.com

雷 波（1961.05-），男，博士，教授，E-mail：leibo@home.swjtu.edu.cn

2019-03-27