一種變噴量降溫節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計

劉召柱　李寶　張帝　占學(xué)寬　姚潘濤　張家俊

摘 要：基于水霧化蒸發(fā)吸熱的原理，使水從噴頭霧化成細小微粒噴灑在空調(diào)外機冷凝器表面，相比較利用空氣冷卻外機冷凝器的方法，冷凝器表面的溫度迅速降低，制冷劑蒸汽的冷凝速度加快，提高了空調(diào)的工作效率。針對空調(diào)外機進行變量噴霧過程中對水霧合理利用的問題，為保證噴霧效果，避免水資源浪費，采用改變工作噴頭的數(shù)量和控制加壓水泵工作狀態(tài)相結(jié)合的方法以實現(xiàn)變量噴霧，采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)冷凝片溫度的高低實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)噴霧效果的功能，設(shè)計了一種對空調(diào)外機進行變噴量降溫節(jié)能的系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：霧化吸熱 變噴量控制 噴頭分布

中圖分類號：TU831 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（a）-0006-03

目前，市場上空調(diào)外機的工作原理是通過冷凝器與室外風(fēng)進行熱交換，從而帶走空調(diào)產(chǎn)生的熱量。但是由于南方夏季室外風(fēng)溫度高，熱量交換較為有限[1]，這不僅增加了壓縮機的能耗，還使空調(diào)外機的使用壽命縮短，對資源能源的浪費十分嚴重。空調(diào)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)中的變流量技術(shù)主要包括：變制冷劑流量技術(shù)；變水量技術(shù)；變風(fēng)量技術(shù)[2]。其中，節(jié)能效果較佳成本較低且較為容易實現(xiàn)的是變水量技術(shù)。文獻[1]所提出的對空調(diào)外機進行霧化噴淋降溫的方式，平均節(jié)能效率達到了7.80%，但是沒有考慮到空調(diào)外機實際溫度的變化，會導(dǎo)致過多的水霧噴出，容易引起空調(diào)外機冷凝器結(jié)垢和水資源浪費。對于變量噴霧系統(tǒng)的設(shè)計，文獻[3]采用了開環(huán)控制，系統(tǒng)不具備抗干擾能力。在變量噴霧過程中，文獻[4]通過自動控制調(diào)節(jié)閥，使實際施藥量與設(shè)定值相一致，此噴霧方法對于噴灑處于水平地面的農(nóng)作物具有良好的效果，但是對于大多處于豎直方向上的空調(diào)外機來說，調(diào)節(jié)閥的改變會使水霧受重力的影響而不能準(zhǔn)確噴灑至冷凝器表面。為了解決噴霧過程中的水資源浪費問題，文獻[5]提出了利用水霧降低環(huán)境溫度的辦法，對水達到了較高的利用率，但是相比于水霧直接作用在冷凝器上的方法，降溫效果較差。

1 系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)

1.1 霧化降溫的理論依據(jù)

根據(jù)卡諾定理，室內(nèi)外的溫差越小，則耗電量越小。據(jù)相關(guān)研究表明：室外機工作溫度每降低1 ℃，得到單位制冷量的耗電量將下降3%～4%[1]。通過加壓水泵對水進行加壓處理，高壓水流在噴嘴內(nèi)部形成高壓渦流，再經(jīng)微小噴孔高速噴出，產(chǎn)生圓錐形螺旋水霧與冷凝器進行熱交換。由于水霧的比表面積較大，使得其霧化蒸發(fā)的速度比一般水滴快300倍以上。并且，水從液態(tài)到氣態(tài)的相變吸熱為水每升高1 ℃所吸收熱量的539倍左右[1]，吸熱效果顯著提高。因此，通過加壓水泵使水從噴頭霧化成細小微粒噴灑在空調(diào)外機冷凝器表面，提高了空調(diào)的工作效率。

1.2 變量噴霧方法分析

噴霧降溫過程中，如果噴霧量控制不合適，會浪費水資源，采用多組噴頭分步工作的方法，通過改變工作噴頭的數(shù)量來實現(xiàn)變量噴霧，具有以下優(yōu)點：（1）多組噴頭分布在冷凝器表面，對于面積較大的冷凝片，可以根據(jù)實際情況對其實現(xiàn)全覆蓋噴霧。（2）當(dāng)通過對噴頭所對應(yīng)閥門的開關(guān)進行控制，可以對噴霧流量變化信號做出及時反應(yīng)。（3）當(dāng)噴霧量減小時，處于工作狀態(tài)的噴頭的噴霧流量基本保持不變，不會影響噴霧效果。

2 變噴量降溫方法的控制實現(xiàn)

鑒于采用大噴角霧化噴頭實現(xiàn)變量噴霧方法的缺點，主要介紹通過改變工作噴頭的數(shù)量來實現(xiàn)變量噴霧的辦法。

采用PWM控制高速電磁開關(guān)閥的打開與關(guān)閉進行控制噴霧噴頭的工作數(shù)量，進而控制系統(tǒng)噴霧量的大小，同時調(diào)整加壓水泵，使噴頭工作數(shù)量改變前后，噴頭噴霧流量保持不變。噴霧控制原理圖如圖1所示。

為了保證適宜的噴霧量，不造成水資源的浪費，控制器根據(jù)溫度傳感器傳來的冷凝器表面的溫度進行分析，然后控制加壓水泵的工作狀態(tài)以及打開相應(yīng)組數(shù)的電磁閥閥門。當(dāng)溫度下降時，逐步關(guān)閉電磁閥，減小噴霧壓力，形成反饋閉環(huán)控制。控制框圖如圖2所示。

噴霧量的控制過程為：要輸入的溫度信號經(jīng)過控制器，輸出控制信號給加壓水泵和電磁閥，改變加壓水泵所施加水壓的大小和打開的組數(shù)，進而使水霧噴灑在冷凝器表面，溫度傳感器作為反饋信號輸入控制器，實時調(diào)節(jié)噴霧量，使之穩(wěn)定在合理范圍之內(nèi)。

3 實現(xiàn)變噴量效果對噴頭分布的設(shè)計

設(shè)所噴水霧的起始溫度為Tx0，且冷凝器表面溫度每變化△T，對應(yīng)改變一組噴頭的工作狀態(tài)，其對應(yīng)關(guān)系可用圖3進行表示。

4 系統(tǒng)實驗驗證

由溫度傳感器檢測到實驗設(shè)置的溫度信號，將其傳給控制器，控制器控制加壓水泵工作，并控制打開相應(yīng)組數(shù)的噴頭，其中，系統(tǒng)誤差和時間滯后現(xiàn)象影響到了系統(tǒng)精度[6]，系統(tǒng)誤差包括溫度測量誤差、流量測量誤差、數(shù)據(jù)計算誤差，水壓誤差等，滯后時間包括溫度傳感器測溫時間、控制器處理數(shù)據(jù)的時間、電磁閥開啟時間、加壓水泵反應(yīng)時間等。為驗證系統(tǒng)理論工作的正確性，測試了含有5組噴頭的系統(tǒng)在工作過程中，5個溫度點與檢測到的加壓水泵的流量之間的關(guān)系如圖4所示，整個系統(tǒng)的流量使用流量計測定，測得量作為反饋信息發(fā)送到控制器完成系統(tǒng)的閉環(huán)控制[6]。

由系統(tǒng)實驗可知，由于系統(tǒng)誤差和時間滯后問題的存在，導(dǎo)致在達到實驗溫度設(shè)置點時，加壓水泵流量沒有準(zhǔn)時達到理論流量，存在微小誤差，同時在溫度區(qū)間內(nèi)流量穩(wěn)定后，實測流量與理論流量也都存在微小誤差，但都在誤差允許范圍內(nèi)，說明理論系統(tǒng)的正確性。

5 結(jié)語

研究了在改變電磁閥工作數(shù)量和改變加壓水泵相結(jié)合的情況下進行變噴量噴霧系統(tǒng)的設(shè)計，通過實驗驗證了該系統(tǒng)較為優(yōu)化的噴霧降溫效果，使得噴霧量能夠隨冷凝器溫度的變化而自動調(diào)節(jié)，在對外機冷凝器實現(xiàn)自動控制降溫的同時，達到了節(jié)約能源資源的目的。

參考文獻

[1] 劉靜，盧振，羅春燕.多聯(lián)機室外機霧化噴淋技術(shù)節(jié)能實測研究[J].建筑節(jié)能，2015（12）：87-90.

[2] 彥啟森，陳華俊，石文星，等.家用小型中央空調(diào)的行業(yè)現(xiàn)狀分析與展望[J].供熱制冷，2002（1）：5-7.

[3] 王偉，唐傳茵，張宏，等.變量噴霧系統(tǒng)的設(shè)計與仿真[J].農(nóng)業(yè)機械，2010（S1）：79-81.

[4] 玄子玉，楊方，劉立意.基于單片機的變量噴霧控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009（18）：110-112.

[5] 葉明哲.新型機房空調(diào)散熱方式解決方案[J].通信電源技術(shù)，2014（S1）：15-21.

[6] 邱白晶，李會芳，吳春篤，等.變量噴霧裝備及關(guān)鍵技術(shù)的探討[J].江蘇大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004（2）：97-101.