空調用其冷凝水冷卻冷凝器的節能技術研究與分析

2022-02-26 05:08:18曹振華趙若焱

應用能源技術 2022年1期

曹振華，趙若焱，王芳

(陜西國防工業職業技術學院，西安 710302)

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，人民的生活水平和工作環境也越來越好，分體式家用空調已經進入每個普通家庭，分體式家用空調給人們帶來舒適和美好環境的同時，同樣也帶來了一些煩惱，諸如，浪費能源，冷凝水排放問題等等[1]。

目前，我國分體式家用空調在運行中產生的冷凝水排放方式一般都是無序無組織的直接排放到室外或收集起來排往下水道[2]，但隨著我國開始大力實施節能減排政策，居民們的節能的意識開始增強了，對空調系統產生的冷凝水是否能夠回收利用及怎么回收利用問題也漸漸開始關心和關注了。實際上，分體式家用空調產生的冷凝水完全可以不向室外排放，本文研究將其冷凝水用來冷卻自身的冷凝器再利用技術。設計冷凝器用冷凝水冷卻系統，通過該系統的運行，分析對冷凝器的傳熱效果的改善情況及對分體式空調的能耗改善情況，通過這種對冷凝水的利用方式，不僅解決了分體式家用空調冷凝水亂排放的環境污染，也有效的降低了空調的能耗，一舉兩得。希望本研究能對空調從業人員具有一定的參考價值，共同提高空調的節能效果。

1 冷卻系統的設計

如圖1所示，本系統在分體式家用空調的基礎上，在室外冷凝器上加裝了冷凝水水箱、冷凝水噴淋器、水管和輸送水泵。該系統的工作過程如下：首先當室內環境空氣進入室內機時，當室內機的蒸發溫度比環境空氣的露點溫度還低時，則室內蒸發器上就會有冷凝水產生，產生的冷凝水流入室外冷凝水水箱，然后，冷凝水經輸送水泵送入冷凝水噴淋器對冷凝器進行噴灑冷卻，從而達到冷卻冷凝器的目的。經噴淋的冷凝水有部分吸收冷凝器的熱量成為水蒸氣被室外空氣帶走，沒有變成水蒸氣的冷凝水落到冷凝水水箱循環利用。

1.輸送水泵;2.冷凝水水箱;3.室內蒸發器積水盤;4.水管;5.冷凝水噴淋器;6.室外冷凝器;7.室外風機;8.室內蒸發器;9.室內風機圖1 分體式家用空調利用冷凝水冷卻冷凝器的系統設計圖

2 分體式家用空調冷凝水產生的原因及水量大小分析

2.1 分體式家用空調冷凝水產生的原因

分體式家用空調在夏天使用時為什么會向室外流水呢？此水就是室內機產生的冷凝水。這是因為在夏天，室內機蒸發器的蒸發溫度都比室內環境空氣的露點溫度低，當室內空氣進入溫度較低的蒸發器時空氣中的水蒸氣就會冷凝成為水。在炎熱的夏天，由于室內環境溫度比較高，當空調正常工作后室內空氣被冷卻降溫，空氣的相對濕度就會升高，露點溫度也會相應升高，因此在夏天所有空調正常工作時都會有冷凝水產生[3]。

2.2 分體式家用空調冷凝水量大小的取決因素

分體式家用空調產生的冷凝水量的大小取決于三個參數，分別是室內環境空氣的溫度、室內環境空氣的相對濕度和空調的制冷量的大小。相對于一臺固定的分體式家用空調，產生的冷凝水量大小就主要取決于室內環境空氣的溫度和相對濕度的大小[4]。本文以一臺壓縮機型號為QXA-A085型，功率為1P的分體式家用空調進行計算和分析，如圖2所示，是該分體式家用空調產生的冷凝水量大小與室內環境空氣相對濕度及溫度之間的三者變化關系。如圖2所示，該空調產生的冷凝水量隨著室內環境空氣的相對濕度和溫度的升高而升高。例如，在室內環境溫度為28 ℃，相對濕度為90%時空調產生的冷凝水量為2.4 kg/h。

圖2 分體式家用空調冷凝水量與室內環境空氣溫度及相對濕度之間的變化關系

3 分體式家用空調用冷凝水冷卻冷凝器的運行情況分析

3.1 分體式家用空調用空氣冷卻冷凝器的散熱量計算

目前，我國分體式家用空調普遍采用的都是空氣冷卻冷凝器，此方法是用室外空氣直接吹向冷凝器，冷凝器的高溫熱量將全部被室外空氣帶走，其在h-d圖上是一條等濕線，如圖3所示過程為1點到2點.此時冷凝器散熱量：

圖3 空氣冷卻冷凝器過程圖

QL=G(h2一h1)

式中，QL為冷凝器散熱量，單位為W ；G為流經冷凝器空氣質量，kg/s；hl，h2為空氣進出冷凝器的焓值，KJ/kg。

Q=KFΔtm

式中，K為傳熱系數，W/m ·℃ ；F為冷凝器的傳熱面積，m；Δtm為冷凝器平均傳熱溫差，℃。

空氣流出冷凝器的溫度為：t2。

3.2 分體式家用空調用冷凝水冷卻冷凝器的散熱量計算

當用本文設計的冷凝水冷卻冷凝器時，其冷凝器的散熱量就分為兩個部分，其中一部分跟普通分體式家用空調一樣，其熱量QK被室外吹來的空氣帶走，這部分帶走的熱量同空氣冷卻冷凝器過程，可以被認為是一個等濕加熱過程，如圖3所示，其過程為1點到3點的一條等濕線；另一部分是冷凝水冷卻冷凝器所吸收的汽化潛熱QS，此過程為一個等溫過程，如圖3所示，其過程為3點到4點的一條等溫線。其中4點的焓值應與2點的焓值相等[5]。此時冷凝器散熱量為：

QL=QS+QK

其中：

QK=G(h3一h1)

QS=G(h4一h3)

QL=QS+QK=G(h4一h1)=G(h2一h1)

由以上公式可知，冷凝水吸收冷凝器的QS越大則用于空氣冷卻冷凝器的熱量QK就越小，根據傳熱方程：

QK=KFΔtmL

式中，ΔtmL為冷凝器平均傳熱溫差，℃；QK減小，但冷凝器的傳熱系數K和換熱面積F保持不變，因此ΔtmL將減小，冷凝溫度將降低，冷凝溫度降低會使得空調的壓縮機耗功量降低，從而增加制冷量。分體式家用空調的制冷量增加將會使得空調的運行總功率進一步降低，從而起到了節能作用。

3.3 分體式家用空調各種參數之間的運行關系分析

如圖4所示為冷凝水量與降低冷凝器的冷凝溫度的關系圖。從圖中可以看出冷凝水量越大，冷凝器降低的冷凝溫度就越大，此過程與室外環境空氣的相對濕度和溫度無關。

圖4 冷凝水量與降低冷凝器的冷凝溫度的關系

圖5為減少的分體式家用空調總功率與冷凝水量及室外環境空氣溫度的關系圖；圖6為制冷量的增加與冷凝水量及室外環境空氣溫度的關系圖；圖7為分體式家用空調總功率降低的百分比與冷凝水量及室外環境空氣溫度的關系圖[6]。從三個關系圖中可以看出，分體式家用空調冷凝水量越大，室外環境空氣溫度越低，則分體式家用空調的總功率減少的越多，制冷量增加的也越多，分體式空調總功率降低的百分比也越大。分體式家用空調總功率的減少量由兩部分組成：一部分組成是由于空調冷凝器的冷凝溫度的降低而導致的壓縮機功耗的降低，另一部分組成是由于增加的制冷量而使得空調在運行中減少了功率。