氣象參數(shù)對(duì)蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)影響的試驗(yàn)研究

邵光明，繆小平，彭福勝，楊 軍

（1.解放軍理工大學(xué)，江蘇南京 210007；2.78511部隊(duì)，四川雅安 625000）

1 前言

蒸發(fā)式冷凝器是一種高效節(jié)水節(jié)能的冷卻設(shè)備，主要利用水的蒸發(fā)潛熱帶走制冷劑的熱量，完成冷卻冷凝過(guò)程，同時(shí)實(shí)現(xiàn)水的重復(fù)利用。它具有節(jié)水、節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在制冷、低溫加工、空氣調(diào)節(jié)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1～4］。

蒸發(fā)式冷凝器被廣泛用于強(qiáng)化換熱和提高冷卻系統(tǒng)的性能［5～7］。蒸發(fā)式冷凝器是將水噴淋到換熱盤(pán)管表面，同時(shí)空氣在蒸發(fā)式冷凝器中強(qiáng)制流動(dòng)。熱量從管道的內(nèi)表面?zhèn)鞯酵獗砻?，然后被管壁上的水膜吸收，水膜蒸發(fā)進(jìn)入空氣流中并隨之排向大氣，完成冷卻過(guò)程。蒸發(fā)式冷凝器簡(jiǎn)化了水冷式冷凝器的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，省去冷卻水在冷凝器中顯熱傳遞階段，使冷凝溫度更接近空氣的濕球溫度，其冷凝溫度可比冷卻塔+水冷式冷凝器系統(tǒng)低3～5℃，大大降低壓縮機(jī)的功耗，同時(shí)其循環(huán)水用量減少?？绽涫嚼淠饕蟮母邭饬魉俣仍诖艘部梢缘玫矫黠@的降低。相對(duì)干風(fēng)冷或水冷凝式系統(tǒng)，蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)可節(jié)能11%～70%［8，9］。

蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)能耗影響因素可以劃分為兩類(lèi)：一類(lèi)為外部因素，主要包括外圍環(huán)境氣象參數(shù)和機(jī)房冷負(fù)荷；另一類(lèi)為內(nèi)部因素，主要包括蒸發(fā)溫度和冷凝溫度。內(nèi)部參數(shù)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的變化都是由外部變量的變化引起的，外圍環(huán)境氣象參數(shù)主要包括空氣干球溫度和相對(duì)濕度。本文搭建蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試記錄北京8，10，11三個(gè)月份外圍空氣參數(shù)和系統(tǒng)能耗，研究外圍環(huán)境氣象參數(shù)對(duì)蒸發(fā)式冷凝器制冷性能的影響。同時(shí)建立基于采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)ECR與進(jìn)口空氣的干球溫度、相對(duì)濕度的變化關(guān)系進(jìn)行定量的試驗(yàn)分析，得出蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)的能耗模型。

2 試驗(yàn)裝置及流程

試驗(yàn)裝置和流程見(jiàn)圖1，圖中右邊部分為機(jī)房，風(fēng)機(jī)盤(pán)管對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的余熱進(jìn)行處理；左邊部分為制冷機(jī)組，其主要部件包括：蒸發(fā)式冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、循環(huán)噴淋水泵、風(fēng)機(jī)等。根據(jù)流體路徑和各部分功能，該試驗(yàn)裝置由以下5個(gè)部分組成，冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、制冷劑循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)。制冷機(jī)組包括：制冷劑R22；半封閉螺桿壓縮機(jī)組，外平衡式熱力膨脹閥；不銹鋼板式換熱器，額定水流量17.5t/h。蒸發(fā)式冷凝器換熱盤(pán)管采用0.5 mm光滑紫銅圓管，三角形叉排，水平管間距52 mm，垂直管間距52～54 mm。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，風(fēng)機(jī)風(fēng)量固定為 4.17 m3/s，噴淋水量固定為 3.16 kg/s。

所有設(shè)備全部置于室內(nèi)，試驗(yàn)流程為：壓縮機(jī)將制冷劑蒸汽排向蒸發(fā)式冷凝器的傳熱盤(pán)管內(nèi)，與管外表面的水膜交換熱量，同時(shí)水膜與管外的空氣流以潛熱為主、顯熱為輔的方式交換熱量。空氣從蒸發(fā)式冷凝器底部流由風(fēng)機(jī)經(jīng)風(fēng)管排出室外并帶走水蒸氣和熱量，未蒸發(fā)的水流回水槽供循環(huán)使用；制冷劑蒸汽被冷凝成液體后，經(jīng)儲(chǔ)液罐和干燥過(guò)濾器進(jìn)入膨脹閥，再進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷，制冷劑蒸汽又重新回到壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)，冷量由冷凍水送至空調(diào)末端入房間使用。房間內(nèi)部使用加熱設(shè)備控制室內(nèi)冷負(fù)荷，外圍加有保溫設(shè)施。

圖1 蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)

由于需要測(cè)試、采集的參數(shù)較多，試驗(yàn)過(guò)程中采用自動(dòng)與手動(dòng)測(cè)試相結(jié)合的數(shù)據(jù)測(cè)試、采集方法。隨氣候變化的數(shù)據(jù)采用自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，包括蒸發(fā)式冷凝器環(huán)境空氣干球溫度，相對(duì)濕度（蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)口空氣的溫濕度），排風(fēng)溫度，冷凍水供回水溫度，系統(tǒng)冷凝高壓、蒸發(fā)低壓，蒸發(fā)式冷凝冷卻系統(tǒng)總的功耗，線(xiàn)電流，相電壓等參數(shù)。自動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)中使用的采集設(shè)備有：斯菲爾PD194E－9HY多功能諧波功率表的測(cè)量精度為0.5級(jí)，EE10－F10溫濕度變送器的精度為 ±0.25℃和 2%，EE16－FT6溫度螺桿傳感器的精度為 ±0.5℃，KYB－600壓力傳感器的精度為0.2%。其終端顯示通過(guò)Visual Basic 6.0編寫(xiě)循環(huán)采集程序，并自動(dòng)建立Access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)。手動(dòng)測(cè)量冷凍水、冷卻水流量采用手持式超聲波流量計(jì)SLD－100H，測(cè)量精度1%。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 制冷量的計(jì)算

試驗(yàn)中采用液體載冷劑法計(jì)算制冷量，系統(tǒng)制冷量等于板式蒸發(fā)器的換熱量，換熱量可以根據(jù)冷凍水的供回水熱量變化來(lái)計(jì)算，其計(jì)算式為：

式中QCHW——冷凍水的供回水熱量

CW——冷凍水的比熱容

mCHW——冷凍水流量測(cè)量值

tCHW，i，tCHW，o—— 板式蒸發(fā)器冷凍水進(jìn)、出口溫度測(cè)量值

3.2 單位制冷量能耗的計(jì)算

在整個(gè)蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)中，耗能的主要部件有壓縮機(jī)、冷凍水泵、噴淋水泵、蒸發(fā)式冷凝器風(fēng)機(jī)，其單位制冷量的能耗ECR的計(jì)算式為：

式中Pc——壓縮機(jī)功耗

Pp，c——冷凍水泵功耗

Pp，s——噴淋水泵功耗

Pf——蒸發(fā)式冷凝器風(fēng)機(jī)功耗。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 空氣溫度對(duì)制冷系統(tǒng)能耗的影響

保持其它條件不變，改變進(jìn)口空氣的溫度，研究系統(tǒng)能耗與進(jìn)口空氣溫度之間的關(guān)系。圖2是在制冷量為50kW、相對(duì)濕度為50%的條件下，機(jī)組運(yùn)行時(shí)蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)能耗隨蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)口空氣干球溫度的變化關(guān)系。

圖2 系統(tǒng)能耗隨入口空氣干球溫度的變化關(guān)系

由圖2可知，在保持其它條件不變的情況下，隨著空氣干球溫度的上升，蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)能耗呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在保持相對(duì)濕度不變的情況下，干球溫度的上升使得進(jìn)口空氣的焓值增加，進(jìn)口空氣與水膜表面飽和空氣之間的焓差變小，從而使得兩者之間的傳熱動(dòng)力降低，不利于冷凝散熱。而且進(jìn)口空氣溫度的增加使得系統(tǒng)的冷凝壓力增加，與冷凝壓力對(duì)應(yīng)的冷凝溫度也同時(shí)增加，在蒸發(fā)壓力和壓縮機(jī)壓縮比不變的情況下，壓縮機(jī)功耗增加，使得系統(tǒng)的能耗增加，此時(shí)冷卻系統(tǒng)的能效比將降低，與實(shí)測(cè)分析一致。

4.2 空氣相對(duì)濕度對(duì)制冷系統(tǒng)能耗的影響

保持其它條件不變，改變進(jìn)口空氣的溫度，研究系統(tǒng)能耗與進(jìn)口空氣相對(duì)濕度之間的關(guān)系。圖3系統(tǒng)制冷量為50kW，干球溫度為13℃條件下，機(jī)組運(yùn)行時(shí)蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)能耗隨蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)口空氣相對(duì)濕度的變化關(guān)系。

圖3 系統(tǒng)能耗隨入口空氣相對(duì)濕度的變化關(guān)系

由圖3可知，在其它條件不變的情況下，隨著蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)口空氣相對(duì)濕度的增加，系統(tǒng)能耗增大，且近似成線(xiàn)性關(guān)系變化。從理論上分析，相對(duì)濕度越低的濕空氣中的水蒸氣分壓力越低，其與飽和濕空氣中水蒸氣分壓力差值越大，且對(duì)應(yīng)的濕球溫度越低，當(dāng)這樣的空氣與填料上的水膜接觸時(shí)，其能從液態(tài)水膜里面帶走更多的水，從而使得更多的潛熱和顯熱被帶走，從而加強(qiáng)了冷凝散熱。

比較圖2，3可知，能耗都隨進(jìn)口空氣干球溫度或相對(duì)濕度的增加而增大，而且都呈線(xiàn)性關(guān)系變化，但能耗與相對(duì)濕度的線(xiàn)性關(guān)系更強(qiáng)。蒸發(fā)式冷凝器與空氣進(jìn)行熱交換時(shí)以潛熱為主，顯熱為輔的方式，空氣相對(duì)濕度對(duì)蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)影響因素更大。

4.3 空氣含濕量、焓值對(duì)制冷系統(tǒng)能耗的影響

圖4為系統(tǒng)能耗與房間外圍環(huán)境空氣逐時(shí)含濕量的變化關(guān)系，圖5為系統(tǒng)能耗與環(huán)境空氣逐時(shí)焓值的變化關(guān)系。對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)在8月份運(yùn)行的能耗變化，其中系統(tǒng)制冷量為60kW。從圖4，5可知，在制冷量不變的情況下，系統(tǒng)能耗隨濕空氣含濕量、焓值的增大而呈上升變化趨勢(shì)，而且都近似成線(xiàn)性關(guān)系變化，兩者與能耗的線(xiàn)性關(guān)系優(yōu)于相對(duì)濕度和干球溫度，與能耗線(xiàn)性關(guān)系最好的為焓值。在其它條件相同的情況下，外圍環(huán)境空氣越干燥或者焓值越小，則蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的能耗越小。

圖4 系統(tǒng)能耗與空氣含濕量的變化關(guān)系

圖5 系統(tǒng)能耗與空氣焓值的變化關(guān)系

5 蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)能耗模型試驗(yàn)研究

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，風(fēng)機(jī)風(fēng)量和噴淋水量保持恒定，系統(tǒng)能耗的影響因素為外圍環(huán)境氣象參數(shù)和系統(tǒng)供冷量。在大氣壓恒定的條件下，氣象參數(shù)主要體現(xiàn)為空氣的干球溫度和相對(duì)濕度，系統(tǒng)能耗函數(shù)為：

式中ta——空氣的干球溫度或者濕球溫度，℃

RHa——空氣的相對(duì)濕度，%

Q——系統(tǒng)制冷量，kW

為評(píng)價(jià)系統(tǒng)能耗，引入單位制冷量的能耗ECR，即能耗比。能耗比是表征系統(tǒng)能耗的一個(gè)物理量，是以制冷量為參考，含義為機(jī)組的輸入功率與機(jī)組提供制冷量的比值。將ECR概念引入到式（3），將公式變形為：

用ECR來(lái)描述蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)的能耗更為直觀、全面、合理。

為得到能耗比ECR模型的函數(shù)表達(dá)式，在噴淋水量和風(fēng)機(jī)風(fēng)量不變的工況下，對(duì)蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)在8月、10月、11月3個(gè)月份的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用這3個(gè)月份的前半月數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合，用后半月的數(shù)據(jù)對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，分別得到圖6～11的變化關(guān)系圖。

圖6為試驗(yàn)數(shù)據(jù)一次擬合曲面，擬合得到的函數(shù)表達(dá)式為：

式（5）中的擬合系數(shù)為a1（1）0.0765，a2（1）為0.004316，a3（1）為 0.001273。圖 7 為試驗(yàn)數(shù)據(jù)一次擬合誤差和試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)誤差。

圖6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)一次擬合曲面

圖7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)一次擬合誤差、檢驗(yàn)誤差

圖8為試驗(yàn)數(shù)據(jù)二次擬合曲面，擬合得到的函數(shù)表達(dá)式為：

式（6）中的擬合系數(shù)a1（2）為 0.1358，a2（2）為

圖8 試驗(yàn)數(shù)據(jù)二次擬合曲面

圖9為試驗(yàn)數(shù)據(jù)二次擬合誤差和試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)誤差。

圖9 試驗(yàn)數(shù)據(jù)二次擬合誤差、檢驗(yàn)誤差

圖10為試驗(yàn)數(shù)據(jù)三次擬合曲面，擬合得到的函數(shù)表達(dá)式為：

式（7）中的擬合系數(shù)a1（3）為 0.1256，a2（3）為0.001695，a3（3）為 －0.001366，a4（3）為 0.0000001043，a5（3）為 0.000002132，a6（3）為 0.0002117，a7（3）為0.0000001157，a8（3）為 0.000002726，a9（3）為－0.000006018，a10（3）為 0.000001827。

圖10 試驗(yàn)數(shù)據(jù)三次擬合曲面

圖11為試驗(yàn)數(shù)據(jù)三次擬合誤差和試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)誤差。

圖11 試驗(yàn)數(shù)據(jù)三次擬合誤差、檢驗(yàn)誤差

從圖6，8，10可以看出，空氣干球溫度和相對(duì)濕度與能耗比ECR的關(guān)系是正相關(guān)的，都是隨著干球溫度或相對(duì)濕度的增大而增加，這與單因素影響分析的結(jié)論一致。

為獲得能耗比ECR的函數(shù)表達(dá)式，需對(duì)上述擬合進(jìn)行擬合誤差、驗(yàn)證誤差分析，相關(guān)指標(biāo)如表1所示。

表1 曲面擬合評(píng)價(jià)指標(biāo)

在表1中，SSE表示擬合數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的誤差平方和，表示為：

式中yi，i——原始、預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)值

SSE越接近于0，說(shuō)明模型選擇和擬合越好。

表1中R－square為確定系數(shù)，其定義為：

式中——原始數(shù)據(jù)均值

R－square的取值范圍為0～1，取值越接近于1，表示預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)越接近，即是擬合方程的變量對(duì)y解釋能力越強(qiáng)，模型對(duì)數(shù)據(jù)擬合越好。

表1中RMSE為均方根，也稱(chēng)為回歸系統(tǒng)的擬合標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算公式為：

從計(jì)算公式可以看出，RMSE表達(dá)含義與SSE相一致，也即是越接近于0，模型選擇和擬合越好。

從表1中的曲面擬合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得出：一次曲面擬合誤差和驗(yàn)證誤差都相對(duì)最大；三次曲面擬合在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集上雖然能夠獲得比一次和二次更好的擬合結(jié)果，但是在檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集上卻不能得到很好的擬合效果，即三次曲面擬合出現(xiàn)了一定程度的過(guò)度擬合現(xiàn)象；二次曲面擬合的擬合誤差與三次的十分相近，且驗(yàn)證結(jié)果明顯優(yōu)于三次。選取該二次曲面擬合作為試驗(yàn)研究的最佳擬合結(jié)果，得出蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)能耗比的函數(shù)關(guān)系式為：

其中，a1、a2、a3、a4、a5、a6各系數(shù)的取值與式（7）中系數(shù)取值對(duì)應(yīng)相等，此式即為表征系統(tǒng)能耗模型函數(shù)式（4）的具體表達(dá)式。進(jìn)行定量的試驗(yàn)分析，采用線(xiàn)性、二次和三次曲面擬合制冷系統(tǒng)能耗關(guān)于空氣干球溫度和相對(duì)濕度的函數(shù)，得出蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)的能耗模型。擬合和驗(yàn)證結(jié)果表明，二次曲面擬合結(jié)果最好。

6 結(jié)論

（1）對(duì)蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)能耗進(jìn)行單因素試驗(yàn)研究，這些單因素主要包括外圍環(huán)境空氣的溫度、相對(duì)濕度、含濕量以及焓值。在其它條件不變的情況下，得出蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)能耗的變化規(guī)律。

（2）對(duì)蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)的能耗進(jìn)行雙因素試驗(yàn)研究，引入能耗比ECR的概念來(lái)描述系統(tǒng)的能耗，把ECR化為蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)口空氣溫度和相對(duì)濕度的二元函數(shù)?；诓杉脑囼?yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)ECR與進(jìn)口空氣的溫度、相對(duì)濕度的變化關(guān)系

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