噴霧量對移動空調冷凝器噴霧冷卻性能的影響

張業強 李康利 焦向志 胡根 劉金平 秦小丁 金聽祥

(1 鄭州輕工業大學能源與動力工程學院 鄭州 450002；2 廣東志高空調有限公司 佛山 528244；3 華南理工大學電力學院 廣州 510640)

空調的出現和普及，給人們營造了舒適的生活和工作環境。空調在使用過程中會有大量的冷凝水產生[1]，可以利用這些冷凝水提高空調系統性能[2－5]。在大型的制冷和空調系統中，利用冷凝水的蒸發冷卻可以起到顯著的節能效果[6－7]，例如對三峽地下水電站的空冷制冷機組采用冷凝器進風蒸發冷卻時機組總節能達到15.8%[8]。E.Hajidavalloo[9]在家用窗式空調器的冷凝器進風口布置3 cm 厚的纖維墊，并將水噴在纖維墊上用以降低進入冷凝器空氣的溫度，空調器的耗電量降低16%，EER 提高了55%。J.Tissot等[10]在一臺熱泵空調的冷凝器布置4 只噴嘴進行噴霧降溫，噴霧量在4.29～6.68 L/h，噴霧增加耗電量5.3%～7.9%，同時空調耗電量降低7% ～16.7%，EER 提高22.4%。Yang Hua 等[11]將一臺分體式家用空調器的室外機風機布置在冷凝器的進風端，并在風扇主軸上設置一個霧化冷卻元件，當風扇高速旋轉時，冷凝水通過霧化冷卻元件霧化并均勻分布在冷凝器進口風道，從而使冷凝器出口風溫降低2.2 ℃，空調制冷量提高8.1%，耗電量降低9.5%，EER 提高20%。馮志明[12]對一臺3 匹的分體式家用空調器通過試驗測試了5 種空氣狀態、6 種噴霧狀態下的機組性能，并根據重慶沙坪壩區的典型氣候分析了加入噴霧系統后的節能性和經濟性；李莎等[13]對采用空調冷凝水對5 種不同工質的空調冷凝器進行噴霧降溫進行了理論分析，發現可以提高EER12.87% ～17.81%。王贊社等[14]針對濕熱地區家用空調提出用12 ℃的冷凝水對溫度為135 ℃的壓縮機排氣進行預冷卻，將冷凝器的出口溫度降低1.1～2℃，從而提高系統制冷量和COP 分別為0.93%和1.7%。楊華等[15]對一臺額定制冷量為7.2 kW 的分體落地式房間空調器進行噴霧降溫，對不同室外溫度和濕度條件下的制冷系統性能進行了測量和分析，制冷量可以增加6%～10%，EER 提高2.6%～7%。曹玉鵬等[16]用不同型號的噴嘴和調節水泵壓力的方法實現不同的噴霧量，研究了空調冷凝水對冷凝器進行噴霧冷卻的效果，在室外干球溫度30 ℃、35 ℃和40 ℃時，冷凝溫度分別降低了4.9 ℃、5.1 ℃和6.0 ℃，制冷量分別提高了3.2%、4.8%和6.1%。

移動空調是一種結構緊湊、安裝方便、可在房間內移動的空調器。由于移動空調的空間緊湊，能效比一般較低，在國家標準GB/T 22257—2008?移動式空調器通用技術要求?[17]中，要求在35 ℃/24 ℃(干球溫度/濕球溫度)時制冷量為2.5～4.5 kW 的整體式移動空調的EER 限定值為1.53，而在該國家標準的新版征求意見稿中，不同能效等級要求的EER 值大幅提高，具體見表1。因此，提高移動空調產品的能效比迫在眉睫。另外，在移動空調的使用過程中產生的冷凝水無法像分體空調及時排到室外，如何將冷凝水安全便捷的進行排放也是亟需解決的問題。本文提出一款雙風管布置的移動空調，并利用產生的冷凝水進行噴霧對冷凝器進行輔助降溫，在提高冷凝器能效比的同時解決了冷凝水的排放。本文將利用焓差實驗室，當室外溫度保持干球溫度35 ℃、濕球溫度24 ℃、室內溫度保持干球溫度27 ℃、濕球溫度19 ℃時，分析在不同孔徑的噴嘴對冷凝器噴霧輔助降溫條件下移動空調性能的變化規律。

表1 移動空調能效等級Tab.1 Energy efficiency grade of mobile air conditioner

1 實驗裝置及實驗方法

實驗裝置如圖1所示，該裝置由移動空調、噴霧系統和數據采集系統組成。移動空調放置在焓差實驗室室內側，移動空調風管的吸風口和排風口伸入室外側。噴霧系統的兩個儲水桶分別放置在室外側的電子稱上，用于計量噴霧系統的用水量和回水量。

圖1 實驗裝置Fig.1 Test device

1.1 移動空調

實驗用移動空調的原型號為CP－35C2A－N21A，額定功率為1 667 W，額定制冷量為3 500 W。該移動空調的冷凝器冷卻空氣為單風管設置，即利用室內空氣帶走冷凝器熱量后排向室外。文中移動空調被改造為雙風管設置，即通過風管利用室外空氣冷卻冷凝器，然后通過另一根風管將熱空氣排向室外，如圖2所示。

圖2 移動空調在焓差實驗室的布置Fig.2 Layout of mobile air conditioner in enthalpy difference laboratory

1.2 噴霧系統

噴霧系統由水泵、噴嘴、管道、儲水桶組成，儲水桶中的水經過水泵增壓和設置在冷凝器迎風面左下角和右下角的兩個噴嘴(距離冷凝器的距離約為3 cm，并向冷凝器傾斜5～8°)霧化(如圖3所示)，噴淋在冷凝器的迎風面，起到輔助冷凝器冷卻降溫的效果。

圖3 噴霧系統部件及噴嘴布置Fig.3 Spray system components and nozzle layout

1.3 焓差實驗室

焓差實驗室由室內側、和室外側以及測試控制系統組成。焓差實驗室室內側和室外側的溫度和濕度均能獨立設置和調節，并且布置在室內側的流量計量系統可以結合測量空氣經過空調蒸發器前后的干球溫度和濕球溫度計算空氣冷卻(加熱)后的焓差，可以計算空調的制冷量(制熱量)。根據實驗機型的額定制冷量為3 500 W，選擇適用于3 匹空調器的焓差實驗室，該實驗室制冷能力為500～8 000 W，重復精度在±1.0%，測試電功率偏差在±0.5%以內。

1.4 數據測試系統

焓差實驗室具有精確的數據采集模塊、電參數測試儀和計算分析模塊，可以測量室內側和室外側空氣的干球溫度、濕球溫度以及送風量和送風的干球溫度、濕球溫度，同時通過測量電壓電流計算空調機組的耗電量。根據實驗需要，在冷凝器的中段銅管表面、壓縮機的排氣和回氣銅管表面布置熱電偶。所有采集的溫度信號、電壓信號和電流信號均傳輸到數據采集模塊，采集的電壓和電流傳輸到電參數測試儀，從而計算耗電量。所有數據傳輸到計算機進行存儲。在實驗過程中的用水量和回水量采用電子稱進行稱重。具體的儀器設備如表2所示。

表2 測控儀表配置Tab.2 Test instrument specification

1.5 噴嘴規格及噴霧量

實驗選用4 種規格的噴嘴，每種規格的噴嘴直徑及噴霧量如表3所示。

表3 噴嘴噴嘴規格及噴霧量Tab.3 Nozzle specifications at different working conditions

2 數據分析

移動空調屬于蒸氣壓縮制冷裝置，主要由壓縮機、蒸發器、冷凝器和膨脹閥等部件組成。各狀態點如圖4所示，系統分析的灰箱模型如圖5所示。

2.1 制冷量

式中:QL為制冷量，W；ρ為空氣密度，kg/m3；V為空氣進氣量，m3/s；t為空氣干球溫度，℃；hN為回風口空氣焓值，kJ/kg；hL送風口空氣焓值，kJ/kg。

圖4 移動空調系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of mobile air conditioning system

圖5 分析灰箱模型Fig.5 Grey box model of exergy analysis

2.2 冷量

式中:T0為環境溫度，K；TL為室內溫度，K。

2.3 能效比

式中:WC為輸入功率，W。

2.4 系統效率

2.5 蒸發器

式中:Ex1為蒸發器出口，J；Ex4為蒸發器進口，J。

2.6 壓縮機

式中:Ex2為壓縮機出口，J。2)損失

2.7 冷凝器

式中:Ex3為冷凝器出口，J。

2.8 膨脹閥

3 實驗結果和分析

圖6所示為不同噴嘴下移動空調的冷凝溫度、蒸發壓力和冷凝壓力變化情況。從圖中可以發現，隨著噴霧量的增加，冷凝溫度先急劇下降，從55.5 ℃降至53.2 ℃、51.6 ℃，但在噴霧量為2.10 g/s 時冷凝溫度降至51.3 ℃，與噴霧量1.44 g/s 時只降低了0.3℃。從圖中還可以發現，不同噴霧量時的蒸發壓力均在1.0 MPa 左右，變化很小；而隨著噴霧量的增加冷凝壓力隨之降低，冷凝壓力分別為3.45 MPa、3.28 MPa、3.16 MPa 和3.14 MPa，而且在噴嘴3 和噴嘴4時，兩者的冷凝壓力差僅為0.63%。因此，噴霧量的增加有利于降低移動空調的冷凝溫度和冷凝壓力，但是噴霧量增加到2.10 g/s 后效果不明顯。

圖6 冷凝溫度、蒸發壓力和冷凝壓力隨噴霧量的變化Fig.6 Variation of condensation temperature，evaporation pressure and condensing pressure with spray quantity

圖7所示為移動空調的耗電量和制冷量在不同噴霧量時的變化情況。由圖7 可知，隨噴霧量的增加，移動空調的耗電量降低、制冷量增加，分別為1 582.95 W/3 090 W，1511.12 W/3 237 W，1 477.05 W/3 330 W，1 465.1 W/3 339 W。在噴霧量為1.44 g/s 和2.1 g/s 時，移動空調的耗電量和制冷量相差分別僅為12 W 和9 W。

圖7 耗電量與制冷量隨噴霧量的變化Fig.7 Variation of power consumption and refrigerating capacity with spray quantity

如圖8所示，由于移動空調的耗電量隨噴霧量的增加而降低，而制冷量隨之增加，因此移動空調的EER 隨著噴霧量的增加而顯著增大。從圖中可以看出，移動空調的EER 從1.95 增至2.14、2.25 和2.28，分別增加了9.74%、15.38%和16.92%。因此增大噴霧量可以提高移動空調的性能，但隨著噴霧量的增加，增加幅度降低。

圖8 制冷系數隨噴霧量的變化Fig.8 Variation of EER with spray quantity

圖9 冷量隨噴霧量的變化Fig.9 Variation of cold exergy with spray quantity

圖10 系統效率隨噴霧量的變化Fig.10 Variation of exergy efficiency with spray quantity

表4 不同部件的損失系數Tab.4 Loss coefficient of different components

表4 不同部件的損失系數Tab.4 Loss coefficient of different components

部件名稱images/BZ_151_1416_345_1462_391.png損失系數噴嘴1噴嘴2噴嘴3噴嘴4蒸發器0.1480.1720.1770.180壓縮機0.4960.4720.4780.476冷凝器0.1640.1580.1520.151膨脹閥0.1400.1400.1320.132

表5 不同噴嘴下的各部件效率Tab.5 Exergy efficiency of different components

表5 不同噴嘴下的各部件效率Tab.5 Exergy efficiency of different components

部件名稱images/BZ_151_1416_345_1462_391.png效率/%噴嘴1噴嘴2噴嘴3噴嘴4蒸發器26.0024.8525.2925.28壓縮機50.3952.8252.1552.36膨脹閥90.7091.1891.8991.94

4 結論

在室外溫度保持35 ℃/24 ℃(干球溫度/濕球溫度)、室內溫度保持27 ℃/19 ℃(干球溫度/濕球溫度)時，通過對雙風管移動空調的冷凝器迎風面進行噴霧降溫，分析了不同噴霧量對移動空調和各主要部件的性能影響，得到結論如下:

1)隨著噴霧量的增加，移動空調的蒸發壓力幾乎不變，而冷凝壓力和壓縮機壓比隨之降低。同時，移動空調的耗電量也隨之降低，制冷量增加。因此制冷系數EER 隨噴霧量的增加從1.95 增至2.28。