利用冷凝水喷雾冷却冷凝器的实验研究

曹玉鹏 雷 波

利用冷凝水喷雾冷却冷凝器的实验研究

曹玉鹏 雷 波

（西南交通大学机械工程学院 成都 610031）

采用空调冷凝水对冷凝器进行喷雾冷却，研究不同室外温度和不同喷淋量对空调节能效果的影响。研究结果表明：将雾化冷凝水喷淋至冷凝器表面，可以提高空调机组制冷量和COP，且室外干球温度越高提升越明显。实验喷雾量范围内（6.72L/h～33.54L/h），室外干球温度分别为30℃、35℃和40℃工况下，COP最大值与未喷雾状态下相比分别提高了11.0%、15.2%和17.9%。

空调冷凝水；冷凝器；喷雾冷却；实验研究

0 引言

空调制冷运行过程中产生的冷凝水温度较低，且制冷量越大、室内湿负荷越大，产生的冷凝水也越多，如果能够将空调中排出的冷凝水收集起来加以利用，可以达到良好的节能效果。

目前空调冷凝水的回收利用方式主要分为两类，一是利用冷凝水作为水资源；二是利用冷凝水低温热源的属性，既节约了水资源，同时又利用其自身的冷量，达到节能的目的，使冷凝水的利用达到最大化。Kevin Teller在2002年发明了一种使用空调冷凝水余冷进入冷凝器空气的装置，这种装置可以很好的降低新风温度，并且可以达到节能的目的[1]。陈楠等[2,3]将低温的冷凝水直接喷淋在冷凝器翅片表面，发现节能效果良好。张华廷等提出将回收的空调冷凝水用于冷却冷凝器是目前最有效的节能措施[4]。以上这些研究大多停留在理论研究层面，实验研究工况的单一，对冷凝水回收应用技术没有指导意义。本文设计喷雾系统将空调冷凝水雾化后均匀地喷至风冷冷凝器表面，研究不同喷雾量和不同室外空气参数对空调系统性能的影响，从而为冷凝水回收应用技术提供设计参考。

1 理论分析

夏季空调室外温度较高，高温条件下，风冷冷凝器的换热效率较低，空调系统性能降低，制冷效果差。LIU H等[5]研究表明：提升空调系统能效比的最佳方式，就是降低系统的冷凝温度。

空调冷凝水温度较低，一般在15℃左右，且水的汽化潜热巨大，常温下约为2260kJ/kg。利用回收的冷凝水的显热和潜热来降低冷凝器换热管和翅片的温度，可以有效地提高冷凝器的换热效率，降低空调系统的冷凝温度，进而提高空调系统的COP。

图1 蒸汽压缩式制冷循环的压焓图

2 实验设计

2.1 实验方法

本实验室内温、湿度采用机房空调国标测试温湿度，即干球温度24℃，湿球温度17℃。室外侧选取了干球温度分别为30℃、35℃和40℃三组工况做测试，同时选取了6组喷雾量，分别为6.72L/h，9.02L/h，16.8L/h，22.32L/h，26.34L/h，33.54L/h，与未喷雾工况进行对比实验。

需要进行测量的数据包括室内机进出风温湿度和风量，室外机送排风温湿度和风量，喷雾量，耗电量，冷凝水量，未蒸发回水量以及制冷系统各测点温度压力。

2.2 实验装置

本实验在焓差实验室进行，焓差实验室由室内侧环境室和室外侧环境室两个相对独立的空间组成，能够分别建立起符合测试要求并相对稳定的环境。

实验装置由测试空调机组、喷雾装置以及焓差实验室的数据测量仪器组成，实验装置系统图见图2。

（1）实验测试机组

本实验选用的是一台分体落地式机房空调器，分体落地式机房空调器的具体参数见表1。

表1 测试空调机组额定参数

（2）喷雾装置

喷雾系装置由水箱、水泵、喷头、定位装置、过滤器、管路、压力表、电子秤等组成，见图2室外侧部分。

骨折是常发生的一种意外事故，对于患者的身心健康、以及日常生活都带了极大的影响。患者在治疗过程中会产生较大的疼痛感，药物镇痛难以完全缓解患者的这种疼痛，为了一定程度上缓解患者的疼痛感，我院特对骨科患者实施了无痛护理，经临床研究发现，应用无痛护理效果极佳。具体的研究分析报告如下。

喷头和水泵的选取对喷雾效果的影响较大。实验对不同的喷头进行了比选，确定选用实心圆锥高压雾化喷头，喷头型号有四种，分别对应不同的流量。雾化水泵采用型号为JDT-0.5A（0.5L）的高压雾化水泵，最大流量0.5L/min，压力调节范围为4～7MPa，功率150W。喷雾量的调节采用更换不同型号喷头及调节水泵压力来实现。

图2 实验装置系统图

（3）数据测量仪器

焓差实验室数据测量仪器主要包括：温湿度测定仪、铂电阻温度传感器、风量测量系统及压力传感器等，参数见表2。

表2 测量仪器参数

测点布置见图2，A为室外机进风空气状态测点，测量其干湿球温度；B为室外机出风空气状态测点，测量其干湿球温度，以及风量；C为室内机进风空气状态测点，测量其干湿球温度；D为室内机出风空气状态测点，测量其干湿球温度，以及风量；P为制冷系统专用压力表，测量制冷系统各点压力；T为热电偶，测量制冷系统各点温度。喷雾温度用水银温度计测量，喷雾量、冷凝水产生量和未蒸发回水量采用计时称重计量。

2.3 实验内容

本实验的主要内容包括：

（1）对冷凝水喷雾系统进行优化设计，主要包括喷淋量、喷淋方式（喷嘴形式以及喷嘴的布置），使其节能效果最大化；

（2）对比测试不同喷雾量和不同室外空气参数对空调系统性能的影响。

3 实验结果与分析

3.1 冷凝温度

冷凝温度与冷凝压力之间有一定的对应关系，本实验通过测量冷凝器进口压力，查制冷剂R410a的温度压力对应表，得到不同室外干球温度下冷凝温度与喷雾量之间的关系。如图3所示，冷凝温度受室外干球温度和喷雾量的影响较大。室外干球温度越低，冷凝器的换热效率越高，冷凝温度越低。随着喷雾量的增加，冷凝器的换热效率随之提高，冷凝温度随之降低，喷雾量达到最大（33.54L/h）时，30℃、35℃和40℃三种室外干球温度工况下的冷凝温度分别下降了4.9℃、5.3℃和6.0℃。

图3 喷雾量对冷凝温度的影响

3.2 空调机组制冷量

图4是不同室外干球温度下喷雾量对空调机组制冷量的影响。制冷量受室外干球温度和喷雾量的影响。室外干球温度越高冷凝器换热效率越低，进而影响空调的制冷量；喷雾量的增加加强了冷凝器的换热，制冷剂的过冷度增加，空调制冷量随之增加，同时可以看出室外干球温度为35℃和40℃时，喷雾量增加到9.02L/h过程中，空调制冷量增加的速率较快，分别提高了2.4%和4.3%，喷雾量从9.02L/h增加到33.54L/h过程中，空调制冷量增加速率变缓，分别提高4.8%和6.1%。室外干球温度为30℃时，喷雾量增加到16.8L/h时，空调制冷量达到最大值，提高了3.2%，当喷雾量继续增大，制冷量反而缓慢降低。分析原因，发现室外干球温度为30℃的工况下，当喷雾量增加到22.32L/h时制冷循环高低压差骤减，压缩机进、出口温度明显升高，制冷剂克服节流装置阻力的能力下降，最终造成系统制冷剂循环流量下降，制冷量下降。此现象说明冷凝温度过低反而导致空调制冷量下降。

图4 喷雾量对空调机组制冷量的影响

3.3 空调机组能效

图5是不同室外干球温度下喷雾量对空调机组功率的影响。由图中可以看出室外干球温度越低，空调机组功率越小，这与冷凝温度的降低有一定关系。室外干球温度为35℃和40℃工况下，随着喷雾量增大至9.02L/h过程中，空调功率减小速率较快，分别减小了4.5%和6.0%，继续增大喷雾量时，空调功率减小速率变缓，喷雾量达到最大时，功率分别减小了9.2%和10%。室外干球温度为30℃工况下，当喷雾量增加到22.32L/h时，空调功率减小到最小值，减小了7.6%，当喷雾量继续增大，空调功率缓慢增大，这是由于制冷剂循环流量下降，导致压缩机进、出口温度明显升高，压缩机功率增大，进而使空调的功率增大。

图5 喷雾量对空调机组功率的影响

图6为不同室外干球温度下喷雾量与空调机组能效比的关系。由图可以看出能效比随室外干球温度和喷雾流量的变化趋势与制冷量十分相似，不同之处在于30℃工况下喷雾量增加至22.32L/h时，COP达到最大值。三种温度工况下COP的最大值比未喷雾状态下分别提高了11.0%、15.2%和17.9%。三种温度工况下COP变化率最大点对应的喷雾量均为9.02L/h，分别提高了8.1%、8.6%和10.9。

图6 喷雾量对空调机组能效比的影响

4 结论

本文通过设计喷雾系统将空调冷凝水雾化后均匀地喷至风冷冷凝器表面，研究不同喷雾量和不同室外空气参数对空调系统性能的影响，得到以下结论：

（1）室外干球温度分别为30℃、35℃和40℃的工况下，冷凝器的冷凝温度随喷雾量的增加不断降低，最大流量（33.54L/h）下分别降低了4.9℃、5.3℃和6.0℃。

（2）三种室外干球温度工况下，随着喷雾量的增大，制冷量最大分别提高了3.2%、4.8%和6.1%，空调机组输入功率最小分别降低了7.6%、9.2%和10%，COP最大分别提高了11.0%、15.2%和17.9%。制冷量和COP的提高速率随喷雾量的增大由快变慢，提升速率最大点对应的喷雾量为9.02 L/h左右。30℃工况下，当喷雾量增大到26.34L/h时，空调机组COP反而降低。说明当冷凝温度过低时，机组COP反而减小。

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

[2] 陈恩,史敏,郭建,等.利用空调冷凝水冷却冷凝器节能效果的分析[J].制冷与空调,2004,(5):75-77.

[3] 金听祥张彩荣,李改莲,等.带超声波雾化冷凝水装置的家用空调节能效果实验研究[J].轻工学报,2016, 31(6):74-79.

[4] 张华廷,吴蔚兰,向灵均.空调冷凝水在电子工业园区中的回收利用[J].暖通空调,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] 彦启森.空气调节用制冷技术[M].北京:中国建筑工业出版社,1985.

[7] 郑慧明,邹磊,徐祯祥,等.论蒸发温度和冷凝温度对制冷效率的影响[J].发电与空调,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

曹玉鹏（1991.11-），男，在读硕士研究生，E-mail：caoyupeng1991@icloud.com

雷 波（1961.05-），男，博士，教授，E-mail：leibo@home.swjtu.edu.cn

2019-03-27