進口水量對新型家用純凈水機制冷系統及產水性能的影響

馬毅煜 武衛東 華若秋 汪力

(上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093)

水是自然界中生命賴以生存的物質，因此水資源問題一直受到高度關注[1]。2003年世界衛生組織估計約有12 億人無法獲得安全飲用水，全球每年有218 萬人死于因水質問題引發的疾病[2]。工業及生活污水的直接排放導致我國水體污染問題日益加劇[3]。隨著經濟發展及生活品質提升，人們對飲用水品質的要求也進一步提升，多種凈水工藝得到發展。

目前采用濾芯過濾技術的小型凈水機市場占比最高，達90%以上[4]，技術核心是使用各種濾芯的過濾裝置，過濾方法主要為吸附法(約占比55%)和膜過濾法(約占比36%)。其他常見的凈水技術還有物化消毒法和水質調節法等[5]。目前家用凈水器主要以反滲透膜等膜過濾技術為主，使用濾芯過濾自來水得到純凈水。缺點是需要定期清洗和更換濾芯，提高了用戶的使用成本[6]，另一方面是在實際使用中常出現忽略濾芯情況，造成飲用水二次污染。因此開發不需要更換和清洗濾芯的純凈水制備系統對家用凈水技術具有重要意義。

增濕除濕原理(HDH，humidification dehumidification)是將空氣先加濕再除濕，當空氣流經潮濕表面，若表面溫度高于空氣露點溫度，則表面水分蒸發，空氣被加濕；當表面溫度低于露點溫度，有冷凝水析出，空氣被除濕，從而獲得凈化水[7]。Li Xinhua 等[8－9]的研究表明，利用相變過程制取的凈化水幾乎可以除去水中所有的有機物和鹽類。R.J.Moffat[10－11]對增濕除濕技術進行了系統性的總結，指出HDH 過程是基于空氣與大量水蒸氣的混合，通過加熱干空氣可以提高其最大攜濕能力，研究顯示1 kg 干空氣可攜帶0.5 kg 水蒸氣，同時表明該技術是最適合生產淡水的脫鹽工藝。

M.Farid 等[12]基于HDH 設計了一套海水淡化裝置，利用太陽能加熱海水使之蒸發并利用加熱后的海水來加熱空氣，該過程中空氣被加熱和加濕(加濕過程)，在鼓風機的驅動下，加濕升溫后的空氣在蒸發器處以液態純凈水的形式析出(除濕過程)。該裝置在不使用反滲透膜等濾芯裝置的條件下實現了對海水的凈化，但存在冷凝水產量低、廢水率高的問題。P.Byrne 等[13]基于HDH 設計了一套海水凈化裝置，利用太陽能發電供給熱泵系統，其中熱端含有膜蒸餾系統，只有具有溫度梯度的水蒸氣可以通過，而常壓下液態水無法通過。當膜兩側存在一定溫差時，此時熱端的水蒸氣會因蒸汽壓的升高透過膜進入冷端，并在冷端冷凝得到純凈水，但存在產水量低的缺點。A.Mahmoud 等[14]研究表明加強太陽輻射強度、較高的環境溫度可以促進冷凝水的產量。Xu H.等[15]提出了一種應用于飲用水的太陽能－熱泵式海水凈化裝置，利用太陽能輔助熱泵快速加熱海水使其蒸發，彌補了太陽能不能快速提高海水溫度的缺點，并進一步提高海水溫度，使得冷凝水產量提高；但存在系統部件過多及開式空氣回路易帶來污染等問題。A.S.Abdullah 等[16]搭建了一套集成虹吸太陽能蒸餾系統，利用太陽能直接加熱海水(進口)，并將光伏系統產生的電量供給水泵使用，實驗研究了不同進口水量對系統產水性能的影響，結果表明隨著進口水量從2.5 kg/min 升至4 kg/min 時，系統產水效率提升15.7%。

綜上所述，目前海水淡化領域中HDH 的應用已較為廣泛，但多為HDH 與太陽能相結合系統，該類系統相對復雜，應用場合也較為局限，特別在家用領域更為少見。Li Kun 等[17－18]提出了一種利用HDH與傳統壓縮式制冷相結合的家用純凈水生產系統。該系統具有結構簡單、水利用率高、受環境影響小等優勢。本文將進一步探究進口水量對上述系統各部件運行工況參數、制冷量、系統總功耗、制冷COP、單位時間產水量及單位能耗產水量等參數的影響。

1 新型家用純凈水機工作原理

圖1所示為新型家用純凈水機的工作原理。該裝置主要由制冷系統、噴淋裝置、填料、風機、水循環管路等組成。工作過程主要分為增濕和除濕兩部分。首先，啟動風機形成循環風，循環風經過主冷凝器，換熱后形成吸濕能力較強的高溫循環風，高溫循環風沿風道進入多孔填料并與噴淋孔滴下的自來水進行熱濕交換，由此完成循環風的加濕過程。此時循環風處于高濕高溫狀態，隨后流經低溫蒸發器表面，在此過程循環風中的水蒸氣不斷冷凝成液態水析出，此為循環風的除濕過程。被除濕的循環風再進入主冷凝器中加熱，并繼續完成下一次閉式風路循環。

在忽略閉式風路循環系統漏熱的前提下，為保證系統產水的穩定性，系統中風機和冷凝器的散熱量理論上應等于蒸發器的制冷量，而實際上制冷系統高溫側的散熱量大于蒸發器處吸收的熱量，所以需要一個輔助冷凝器，來帶走系統中多余的冷凝熱(本文采用將輔助冷凝器串聯在主冷凝器和壓縮機之間的形式)。輔助冷凝器(輔冷)的具體換熱過程為:在加濕過程中，填料處未被空氣吸收的自來水落入填料下方的集水槽中，并在重力的作用下流入輔助冷凝器中，被加熱后作為生活熱水使用。

2 實驗系統

2.1 系統測點布置與參數測量方法

如圖1所示，本實驗的數據采集分為3 部分:壓縮式制冷循環、空氣循環以及水循環。壓縮式制冷循環測點布置包括:蒸發器、壓縮機、輔助冷凝器制冷劑進出口溫度以及壓縮機功耗；空氣循環測點布置包括:蒸發器進出口風溫和濕度、風機功耗和風速；水循環溫度測點位置包括:裝置進水口和輔助冷凝器進出水口。

圖1 新型家用純凈水機工作原理Fig.1 Principle of a new household water purifier

本文需要研究的水量包括進口水量、純凈水產水量。純凈水是指蒸發器處空氣冷凝得到的液態水；高溫熱水是指與輔助冷凝器換熱后排出的水；進口水量等于純凈水產水量加高溫熱水產量，也即單位時間內在噴淋孔處滴入填料的自來水。當系統在各個制冷循環參數均達到穩定狀態后1 小時內，用電子秤以稱重法測量純凈水產量及高溫熱水產量。對于實驗中制取得到的純凈水，通過TDS 測試儀進行溶解性固體總量水質檢測，TDS 值越小，說明所制取水的脫鹽率(噴淋水與制得純凈水TDS 值之差除以噴淋水進口的TDS 值)越高，水的純凈度越高。

2.2 系統性能評價指標

本文涉及的性能參數主要包括:制冷量Q0、輔助冷凝器換熱量Q1、系統總功耗Pt、制冷性能系數COP、單位時間產水量Vw以及單位能耗產水量Ve。

制冷量:

式中:Q0為制冷量，W；v為循環風風速，m/s；A0為風道面積，m2；ρf為循環風密度，kg/m3；Δh為循環風進出口焓差，kJ/kg。

系統總功耗:

式中:Pt為系統總功耗，W；Pc為壓縮機功耗，W；Pf為風機功耗，W；If為風機直流電流，A；Uf為風機直流電壓，V。

制冷性能系數:

單位時間產水量:

式中:Vw為單位時間產水量，L/h；m為系統穩定1 小時后測得一段時間內產生純凈水的質量，g；t為穩定運行的時間，h；ρw為純凈水的密度，g/cm3[18]。

單位能耗產水量:

式中:Ve為單位能耗產水量，L/(kW·h)；Vw為單位時間產水量，L/h；Pt為系統總功耗，W[18]。

輔助冷凝器換熱量:

式中:Q1為輔冷換熱量，W；K1為輔冷傳熱系數，W/(m2·℃)；A1為輔冷傳熱面積，m2；Δtm1為輔助冷凝器對數平均溫差，℃。

蒸發器潛熱交換量(與單位時間產水量成正比):

式中:Q2為蒸發器處潛熱交換量，W；Cp為循環風比熱，kJ/(kg·℃)；Δt為進出口風溫之差，℃。

2.3 不確定度分析

因實驗用測量儀表具有一定誤差，使得各關鍵參數存在測量不確定度，為確保實驗準確度，對各參數進行不確定度分析。表1所示為測量儀表及參數，系統中溫度、壓力、風速以及功耗等參數由儀器儀表直接測量。根據文獻[18]計算可得各測量參數的標準不確定度；總功耗、制冷量、COP、單位時間產水量、單位能耗產水量的相對不確定度，結果分別為±1.12%、±0.84%、±0.85%、±1.33%、±1.74%。

表1 測量儀表及參數Tab.1 Measuring instrument and parameters

2.4 實驗方法

進口水量對系統的性能有著重要影響，進口水量過少會導致填料處噴淋水和循環空氣的增濕不夠充分，即蒸發器進口空氣相對濕度偏低，進而影響產水量；進口水量過多會造成自來水利用效率低，造成高溫熱水無法及時排出。因此本文研究了進口水量變化對系統運行工況參數、壓縮機功耗、制冷量、COP、系統總功耗、單位時間產水量、單位能耗產水量的影響。

本文采用控制變量法進行實驗，進口水量為唯一變量，即只改變進口水量，保持循環風量、環境溫度和進水溫度不變。循環風量的大小是通過控制風機頻率而實現，實驗中進水溫度通過恒溫水槽進行控制，進口水量的調節是通過高精度計量泵的開度和頻率旋鈕實現。

表2所示為具體實驗工況，其中進口水量和進水溫度分別是指進入系統噴淋裝置入口處單位時間內噴入自來水的體積流量和溫度，根據前期研究結果，取進水溫度和循環風量分別為25 ℃和100 m3/h[17－18]。根據實際應用情況，進口水量大小按2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 L/h 這5 個工況依次進行。

表2 實驗工況Tab.2 Experimental conditions

3 實驗結果分析

3.1 進口水量對系統運行工況參數的影響

圖2所示為不同進口水量對蒸發器制冷劑側和風側溫度的影響。當進口水量從2.5 L/h 增至4.5 L/h 時，蒸發器處制冷劑進出口溫度從20.2 ℃、29.5℃分別降至7.1 ℃、16.0 ℃；循環風進出口溫度從40.5 ℃、25.6 ℃分別降至37.0 ℃、20.8 ℃。隨著進口水量的增加，噴淋水與循環風的熱濕交換效果加強，填料處噴淋水蒸發量增大，導致蒸發器處進口風溫降低；同時填料處未被循環風吸收的水增加，即進入輔助冷凝器的水流量增加，輔助冷凝器換熱效果加強，使得冷凝壓力和冷凝溫度降低，在節流效果一定的條件下，蒸發壓力下降，因此蒸發器制冷劑進出口溫度下降，同時導致蒸發器出口風溫降低。此外，蒸發壓力和蒸發溫度的下降導致壓縮機的進口制冷劑的比體積增大，而壓縮機的排氣量一定，則制冷劑的質量流量隨之降低。其中由于蒸發器制冷劑的出口過熱度較大導致制冷劑進出口溫差較大。

圖2 進口水量對蒸發器制冷劑側和風側溫度的影響Fig.2 Influence of inlet water flow rate on refrigerant temperature and air temperature at evaporator

圖3所示為進口水量對壓縮機吸排氣溫度及壓力的影響。當進口水量的上升時，蒸發器出口制冷劑溫度和壓力降低，壓縮機吸氣溫度和壓力降低，進而導致壓縮機排氣壓力和溫度都下降，壓縮機排氣壓力的下降幅度大于吸氣壓力，故壓比逐漸減小，有利于壓縮機功耗的減少。

圖3 進口水量對壓縮機吸排氣溫度和壓力的影響Fig.3 Influence of inlet water flow rate on suction/discharge temperature and pressure of compressor

圖4所示為不同進口水量下輔助冷凝器制冷劑側和水側的溫度變化情況。當進口水量增大，輔助冷凝器制冷劑進出口溫度從91.7 ℃、75.0 ℃分別降至76.3 ℃、55.3 ℃，進出口水溫從42.9 ℃、78.5 ℃分別降至31.8 ℃、62.9 ℃。隨著進口水量增大，填料處噴淋水蒸發量和未被循環風吸收的水流量均增大，導致未被吸收的自來水(即輔助冷凝器進口)水溫下降，輔助冷凝器出口水溫也隨之降低，同時輔助冷凝器制冷劑的進出口溫度相應降低。經計算可得，輔助冷凝器處對數平均溫差Δtm1隨進口水量的增大而減小，但此時流速(流量)增大使得換熱系數K1呈上升趨勢。當水量小于3.5 L/h，K1的上升幅度大于Δtm1的下降幅度；當水量大于3.5 L/h，K1的上升幅度小于Δtm1的下降幅度。由此可知，輔助冷凝器的換熱量Q1隨進口水量的增加呈先增大后減小的趨勢，且在3.5 L/h 時換熱量達到最大。在本文實驗工況范圍內，輔助冷凝器出口水溫在62.9～78.5 ℃之間，可作為高溫生活熱水使用。

圖4 進水口量對輔助冷凝器制冷劑側和水側溫度的影響Fig.4 Influence of inlet water flow rate on refrigerant temperature and water temperature at auxiliary condenser

3.2 進口水量對壓縮機功耗、制冷量及COP的影響

圖5所示為不同進口水量對系統制冷量、壓縮機功耗和COP 的影響。隨著進口水量的增加，制冷量和COP 均存在一個峰值，分別為699 W 和2.44，而壓縮機功耗則是逐漸減小，從313 W 降至258 W。

圖5 不同進口水量對壓縮機功耗、制冷量及COP 的影響Fig.5 Influence of inlet water flow rate on refrigerating capacity，compressor power consumption and COP

經計算可得蒸發器的對數平均溫差Δtm3先增大后減小，由公式Q3＝K3A3Δtm3(Q3為制冷量，W；K3為蒸發器換熱系數，W/(m2·℃)；A3為蒸發器換熱面積，m2；Δtm3為蒸發器處對數平均溫差，℃)可知:A3與K3不變，則制冷量Q3隨著進口水量的上升呈先增大后減小的趨勢，且在3.5 L/h 的水量時達到峰值。由圖3 與圖2 的分析可知壓縮機的流量和壓比均在減小，所以壓縮機功耗隨著進口水量的升高而降低。基于上述分析，在進口水量為2.5 ～3.5 L/h 時，制冷量與壓縮機功耗分別隨著進口水量的增加而增大和減小，而在進口水量為3.5 ～ 4.5 L/h 時，兩者均呈下降趨勢且前者降幅大于后者，所以系統COP 值先增大后減小。

3.3 進口水量對單位時間產水量及單位能耗產水量的影響

圖6所示為不同進口水量下單位時間產水量、單位能耗產水量以及總功耗的變化情況。當進口水量增加時，制冷量呈現先增后減的變化，由公式(7)可得蒸發器處潛熱交換量先增后減，從而導致系統單位時間產水量先增后減。當進口水量為3.5 L/h 時，系統獲得最佳單位時間產水量0.682 L/h。當進口水量由2.5 L/h 升至3.5 L/h 時，單位時間產水量呈現上升趨勢，因此單位能耗產水量呈較大上升趨勢；當進口水量由3.5 L/h 進一步上升時，由于單位時間產水量下降且其下降幅度(4.25%，3.37%)小于系統總功耗的下降幅度(5.40%，3.67%)，所以單位能耗產水量仍保持上升趨勢，但是上升趨勢變緩(最大為2.058 L/(kW·h))。

同時由圖6 可知，在本文實驗工況下，單位時間產水量最低為0.612 L/h，日產水量可達12 L 以上，可以滿足普通家庭的日常使用。對于實驗中制取的純凈水，為了檢測潔凈度，利用TDS 測量儀進行了測量，結果顯示TDS 值小于3，表明經過增濕除濕原理凈化后的水潔凈度較高，脫鹽率達到98%，符合國家飲用水衛生標準的相關要求[19]。

圖6 不同進口水量對單位時間產水量及單位能耗產水量的影響Fig.6 Influence of inlet water flow rate on water production per unit time and water production per unit energy consumption

4 結論

本文基于蒸氣壓縮制冷和空氣增濕除濕原理，針對所提出的新型家用純凈水生產系統，通過實驗研究了進口水量對制冷系統及產水性能的影響，得出如下結論:

1)進口水量對該新型家用純凈水機制冷系統運行工況及其產水性能會產生較大影響。當進口水量在2.5～ 4.5 L/h 范圍內，系統總功耗呈下降趨勢，制冷量、COP、系統單位時間產水量均隨進口水量的增加先增大后減小。當進口水量在3.5 L/h 時，單位時間產水量達最大為0.682 L/h，此時系統COP 也達到最大為2.44；單位能耗產水量隨著進口水量的上升呈上升趨勢，在進口水量大于3.5 L/h 后上升幅度變緩。

2)綜合產水量、COP 及單位能耗產水量，在本文實驗工況下，存在一個最佳進口水量為3.5 L/h，其單位能耗產水量為2.058 L/(kW·h)。同時，在本文實驗工況范圍內，產生的生活熱水溫度(輔冷出口水溫)在62.9～78.5 ℃之間，滿足GB 5055—2010?民用建筑節水設計標準?[20]中規定的生活熱水溫度不低于45 ℃要求。

3)在本文不同進口水量下，純凈水的產水量不低于0.612 L/h，日產水量不低于12 L。純凈水TDS值小于3 mg/L，脫鹽率達98%，滿足GB/T 30306—2013?家用和類似用途飲用水處理內芯?[21]中規定的脫鹽率要求(規定要求大于等于90%)，可替代膜過濾式凈水器，應用前景廣闊。