一种变喷量降温节能系统的设计

刘召柱　李宝　张帝　占学宽　姚潘涛　张家俊

摘 要：基于水雾化蒸发吸热的原理，使水从喷头雾化成细小微粒喷洒在空调外机冷凝器表面，相比较利用空气冷却外机冷凝器的方法，冷凝器表面的温度迅速降低，制冷剂蒸汽的冷凝速度加快，提高了空调的工作效率。针对空调外机进行变量喷雾过程中对水雾合理利用的问题，为保证喷雾效果，避免水资源浪费，采用改变工作喷头的数量和控制加压水泵工作状态相结合的方法以实现变量喷雾，采用闭环控制系统，根据冷凝片温度的高低实现自动调节喷雾效果的功能，设计了一种对空调外机进行变喷量降温节能的系统。

关键词：雾化吸热 变喷量控制 喷头分布

中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（a）-0006-03

目前，市場上空调外机的工作原理是通过冷凝器与室外风进行热交换，从而带走空调产生的热量。但是由于南方夏季室外风温度高，热量交换较为有限[1]，这不仅增加了压缩机的能耗，还使空调外机的使用寿命缩短，对资源能源的浪费十分严重。空调节能关键技术中的变流量技术主要包括：变制冷剂流量技术；变水量技术；变风量技术[2]。其中，节能效果较佳成本较低且较为容易实现的是变水量技术。文献[1]所提出的对空调外机进行雾化喷淋降温的方式，平均节能效率达到了7.80%，但是没有考虑到空调外机实际温度的变化，会导致过多的水雾喷出，容易引起空调外机冷凝器结垢和水资源浪费。对于变量喷雾系统的设计，文献[3]采用了开环控制，系统不具备抗干扰能力。在变量喷雾过程中，文献[4]通过自动控制调节阀，使实际施药量与设定值相一致，此喷雾方法对于喷洒处于水平地面的农作物具有良好的效果，但是对于大多处于竖直方向上的空调外机来说，调节阀的改变会使水雾受重力的影响而不能准确喷洒至冷凝器表面。为了解决喷雾过程中的水资源浪费问题，文献[5]提出了利用水雾降低环境温度的办法，对水达到了较高的利用率，但是相比于水雾直接作用在冷凝器上的方法，降温效果较差。

1 系统设计依据

1.1 雾化降温的理论依据

根据卡诺定理，室内外的温差越小，则耗电量越小。据相关研究表明：室外机工作温度每降低1 ℃，得到单位制冷量的耗电量将下降3%～4%[1]。通过加压水泵对水进行加压处理，高压水流在喷嘴内部形成高压涡流，再经微小喷孔高速喷出，产生圆锥形螺旋水雾与冷凝器进行热交换。由于水雾的比表面积较大，使得其雾化蒸发的速度比一般水滴快300倍以上。并且，水从液态到气态的相变吸热为水每升高1 ℃所吸收热量的539倍左右[1]，吸热效果显著提高。因此，通过加压水泵使水从喷头雾化成细小微粒喷洒在空调外机冷凝器表面，提高了空调的工作效率。

1.2 变量喷雾方法分析

喷雾降温过程中，如果喷雾量控制不合适，会浪费水资源，采用多组喷头分步工作的方法，通过改变工作喷头的数量来实现变量喷雾，具有以下优点：（1）多组喷头分布在冷凝器表面，对于面积较大的冷凝片，可以根据实际情况对其实现全覆盖喷雾。（2）当通过对喷头所对应阀门的开关进行控制，可以对喷雾流量变化信号做出及时反应。（3）当喷雾量减小时，处于工作状态的喷头的喷雾流量基本保持不变，不会影响喷雾效果。

2 变喷量降温方法的控制实现

鉴于采用大喷角雾化喷头实现变量喷雾方法的缺点，主要介绍通过改变工作喷头的数量来实现变量喷雾的办法。

采用PWM控制高速电磁开关阀的打开与关闭进行控制喷雾喷头的工作数量，进而控制系统喷雾量的大小，同时调整加压水泵，使喷头工作数量改变前后，喷头喷雾流量保持不变。喷雾控制原理图如图1所示。

为了保证适宜的喷雾量，不造成水资源的浪费，控制器根据温度传感器传来的冷凝器表面的温度进行分析，然后控制加压水泵的工作状态以及打开相应组数的电磁阀阀门。当温度下降时，逐步关闭电磁阀，减小喷雾压力，形成反馈闭环控制。控制框图如图2所示。

喷雾量的控制过程为：要输入的温度信号经过控制器，输出控制信号给加压水泵和电磁阀，改变加压水泵所施加水压的大小和打开的组数，进而使水雾喷洒在冷凝器表面，温度传感器作为反馈信号输入控制器，实时调节喷雾量，使之稳定在合理范围之内。

3 实现变喷量效果对喷头分布的设计

设所喷水雾的起始温度为Tx0，且冷凝器表面温度每变化△T，对应改变一组喷头的工作状态，其对应关系可用图3进行表示。

4 系统实验验证

由温度传感器检测到实验设置的温度信号，将其传给控制器，控制器控制加压水泵工作，并控制打开相应组数的喷头，其中，系统误差和时间滞后现象影响到了系统精度[6]，系统误差包括温度测量误差、流量测量误差、数据计算误差，水压误差等，滞后时间包括温度传感器测温时间、控制器处理数据的时间、电磁阀开启时间、加压水泵反应时间等。为验证系统理论工作的正确性，测试了含有5组喷头的系统在工作过程中，5个温度点与检测到的加压水泵的流量之间的关系如图4所示，整个系统的流量使用流量计测定，测得量作为反馈信息发送到控制器完成系统的闭环控制[6]。

由系统实验可知，由于系统误差和时间滞后问题的存在，导致在达到实验温度设置点时，加压水泵流量没有准时达到理论流量，存在微小误差，同时在温度区间内流量稳定后，实测流量与理论流量也都存在微小误差，但都在误差允许范围内，说明理论系统的正确性。

5 结语

研究了在改变电磁阀工作数量和改变加压水泵相结合的情况下进行变喷量喷雾系统的设计，通过实验验证了该系统较为优化的喷雾降温效果，使得喷雾量能够随冷凝器温度的变化而自动调节，在对外机冷凝器实现自动控制降温的同时，达到了节约能源资源的目的。

参考文献

[1] 刘静，卢振，罗春燕.多联机室外机雾化喷淋技术节能实测研究[J].建筑节能，2015（12）：87-90.

[2] 彦启森，陈华俊，石文星，等.家用小型中央空调的行业现状分析与展望[J].供热制冷，2002（1）：5-7.

[3] 王伟，唐传茵，张宏，等.变量喷雾系统的设计与仿真[J].农业机械，2010（S1）：79-81.

[4] 玄子玉，杨方，刘立意.基于单片机的变量喷雾控制系统的设计[J].东北农业大学学报，2009（18）：110-112.

[5] 叶明哲.新型机房空调散热方式解决方案[J].通信电源技术，2014（S1）：15-21.

[6] 邱白晶，李会芳，吴春笃，等.变量喷雾装备及关键技术的探讨[J].江苏大学学报：自然科学版，2004（2）：97-101.