利用冷凝水噴霧冷卻冷凝器的實驗研究

曹玉鵬 雷 波

利用冷凝水噴霧冷卻冷凝器的實驗研究

曹玉鵬 雷 波

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

采用空調冷凝水對冷凝器進行噴霧冷卻，研究不同室外溫度和不同噴淋量對空調節(jié)能效果的影響。研究結果表明：將霧化冷凝水噴淋至冷凝器表面，可以提高空調機組制冷量和COP，且室外干球溫度越高提升越明顯。實驗噴霧量范圍內（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%。

空調冷凝水；冷凝器；噴霧冷卻；實驗研究

0 引言

空調制冷運行過程中產生的冷凝水溫度較低，且制冷量越大、室內濕負荷越大，產生的冷凝水也越多，如果能夠將空調中排出的冷凝水收集起來加以利用，可以達到良好的節(jié)能效果。

目前空調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熱源的屬性，既節(jié)約了水資源，同時又利用其自身的冷量，達到節(jié)能的目的，使冷凝水的利用達到最大化。Kevin Teller在2002年發(fā)明了一種使用空調冷凝水余冷進入冷凝器空氣的裝置，這種裝置可以很好的降低新風溫度，并且可以達到節(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)現節(jié)能效果良好。張華廷等提出將回收的空調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，實驗研究工況的單一，對冷凝水回收應用技術沒有指導意義。本文設計噴霧系統(tǒng)將空調冷凝水霧化后均勻地噴至風冷冷凝器表面，研究不同噴霧量和不同室外空氣參數對空調系統(tǒng)性能的影響，從而為冷凝水回收應用技術提供設計參考。

1 理論分析

夏季空調室外溫度較高，高溫條件下，風冷冷凝器的換熱效率較低，空調系統(tǒng)性能降低，制冷效果差。LIU H等[5]研究表明：提升空調系統(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，降低空調系統(tǒng)的冷凝溫度，進而提高空調系統(tǒng)的COP。

圖1 蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的壓焓圖

2 實驗設計

2.1 實驗方法

本實驗室內溫、濕度采用機房空調國標測試溫濕度，即干球溫度24℃，濕球溫度17℃。室外側選取了干球溫度分別為30℃、35℃和40℃三組工況做測試，同時選取了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，與未噴霧工況進行對比實驗。

需要進行測量的數據包括室內機進出風溫濕度和風量，室外機送排風溫濕度和風量，噴霧量，耗電量，冷凝水量，未蒸發(fā)回水量以及制冷系統(tǒng)各測點溫度壓力。

2.2 實驗裝置

本實驗在焓差實驗室進行，焓差實驗室由室內側環(huán)境室和室外側環(huán)境室兩個相對獨立的空間組成，能夠分別建立起符合測試要求并相對穩(wěn)定的環(huán)境。

實驗裝置由測試空調機組、噴霧裝置以及焓差實驗室的數據測量儀器組成，實驗裝置系統(tǒng)圖見圖2。

（1）實驗測試機組

本實驗選用的是一臺分體落地式機房空調器，分體落地式機房空調器的具體參數見表1。

表1 測試空調機組額定參數

（2）噴霧裝置

噴霧系裝置由水箱、水泵、噴頭、定位裝置、過濾器、管路、壓力表、電子秤等組成，見圖2室外側部分。

骨折是常發(fā)生的一種意外事故，對于患者的身心健康、以及日常生活都帶了極大的影響?；颊咴谥委熯^程中會產生較大的疼痛感，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，我院特對骨科患者實施了無痛護理，經臨床研究發(fā)現，應用無痛護理效果極佳。具體的研究分析報告如下。

噴頭和水泵的選取對噴霧效果的影響較大。實驗對不同的噴頭進行了比選，確定選用實心圓錐高壓霧化噴頭，噴頭型號有四種，分別對應不同的流量。霧化水泵采用型號為JDT-0.5A（0.5L）的高壓霧化水泵，最大流量0.5L/min，壓力調節(jié)范圍為4～7MPa，功率150W。噴霧量的調節(jié)采用更換不同型號噴頭及調節(jié)水泵壓力來實現。

圖2 實驗裝置系統(tǒng)圖

（3）數據測量儀器

焓差實驗室數據測量儀器主要包括：溫濕度測定儀、鉑電阻溫度傳感器、風量測量系統(tǒng)及壓力傳感器等，參數見表2。

表2 測量儀器參數

測點布置見圖2，A為室外機進風空氣狀態(tài)測點，測量其干濕球溫度；B為室外機出風空氣狀態(tài)測點，測量其干濕球溫度，以及風量；C為室內機進風空氣狀態(tài)測點，測量其干濕球溫度；D為室內機出風空氣狀態(tài)測點，測量其干濕球溫度，以及風量；P為制冷系統(tǒng)專用壓力表，測量制冷系統(tǒng)各點壓力；T為熱電偶，測量制冷系統(tǒng)各點溫度。噴霧溫度用水銀溫度計測量，噴霧量、冷凝水產生量和未蒸發(fā)回水量采用計時稱重計量。

2.3 實驗內容

本實驗的主要內容包括：

（1）對冷凝水噴霧系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，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）對比測試不同噴霧量和不同室外空氣參數對空調系統(tǒng)性能的影響。

3 實驗結果與分析

3.1 冷凝溫度

冷凝溫度與冷凝壓力之間有一定的對應關系，本實驗通過測量冷凝器進口壓力，查制冷劑R410a的溫度壓力對應表，得到不同室外干球溫度下冷凝溫度與噴霧量之間的關系。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，噴霧量達到最大（33.54L/h）時，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 噴霧量對冷凝溫度的影響

3.2 空調機組制冷量

圖4是不同室外干球溫度下噴霧量對空調機組制冷量的影響。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，進而影響空調的制冷量；噴霧量的增加加強了冷凝器的換熱，制冷劑的過冷度增加，空調制冷量隨之增加，同時可以看出室外干球溫度為35℃和40℃時，噴霧量增加到9.02L/h過程中，空調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過程中，空調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，噴霧量增加到16.8L/h時，空調制冷量達到最大值，提高了3.2%，當噴霧量繼續(xù)增大，制冷量反而緩慢降低。分析原因，發(fā)現室外干球溫度為30℃的工況下，當噴霧量增加到22.32L/h時制冷循環(huán)高低壓差驟減，壓縮機進、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。此現象說明冷凝溫度過低反而導致空調制冷量下降。

圖4 噴霧量對空調機組制冷量的影響

3.3 空調機組能效

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

圖5 噴霧量對空調機組功率的影響

圖6為不同室外干球溫度下噴霧量與空調機組能效比的關系。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，COP達到最大值。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變化率最大點對應的噴霧量均為9.02L/h，分別提高了8.1%、8.6%和10.9。

圖6 噴霧量對空調機組能效比的影響

4 結論

本文通過設計噴霧系統(tǒng)將空調冷凝水霧化后均勻地噴至風冷冷凝器表面，研究不同噴霧量和不同室外空氣參數對空調系統(tǒng)性能的影響，得到以下結論：

（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%，空調機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，提升速率最大點對應的噴霧量為9.02 L/h左右。30℃工況下，當噴霧量增大到26.34L/h時，空調機組COP反而降低。說明當冷凝溫度過低時，機組COP反而減小。

[1] Kevin Teller. AC System Utilizing Condensate Water to Precool Hot Gas [P]. United State Patent: US006463751B1, Oct. 15, 2002.

[2] 陳恩,史敏,郭建,等.利用空調冷凝水冷卻冷凝器節(jié)能效果的分析[J].制冷與空調,2004,(5):75-77.

[3] 金聽祥張彩榮,李改蓮,等.帶超聲波霧化冷凝水裝置的家用空調節(jié)能效果實驗研究[J].輕工學報,2016, 31(6):74-79.

[4] 張華廷,吳蔚蘭,向靈均.空調冷凝水在電子工業(yè)園區(qū)中的回收利用[J].暖通空調,2013,(1):173.

[5] LIU, ZHOU Q, LIU Y, et al. Experimental study on cooling performance of air conditioning system with dual independent evaporative con-denser[J]. International Journal of Refrigeration, 2015,55:85.

[6] 彥啟森.空氣調節(jié)用制冷技術[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1985.

[7] 鄭慧明,鄒磊,徐禎祥,等.論蒸發(fā)溫度和冷凝溫度對制冷效率的影響[J].發(fā)電與空調,2013,34(2):32-35.

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