进口水量对新型家用纯净水机制冷系统及产水性能的影响

马毅煜 武卫东 华若秋 汪力

(上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093)

水是自然界中生命赖以生存的物质，因此水资源问题一直受到高度关注[1]。2003年世界卫生组织估计约有12 亿人无法获得安全饮用水，全球每年有218 万人死于因水质问题引发的疾病[2]。工业及生活污水的直接排放导致我国水体污染问题日益加剧[3]。随着经济发展及生活品质提升，人们对饮用水品质的要求也进一步提升，多种净水工艺得到发展。

目前采用滤芯过滤技术的小型净水机市场占比最高，达90%以上[4]，技术核心是使用各种滤芯的过滤装置，过滤方法主要为吸附法(约占比55%)和膜过滤法(约占比36%)。其他常见的净水技术还有物化消毒法和水质调节法等[5]。目前家用净水器主要以反渗透膜等膜过滤技术为主，使用滤芯过滤自来水得到纯净水。缺点是需要定期清洗和更换滤芯，提高了用户的使用成本[6]，另一方面是在实际使用中常出现忽略滤芯情况，造成饮用水二次污染。因此开发不需要更换和清洗滤芯的纯净水制备系统对家用净水技术具有重要意义。

增湿除湿原理(HDH，humidification dehumidification)是将空气先加湿再除湿，当空气流经潮湿表面，若表面温度高于空气露点温度，则表面水分蒸发，空气被加湿；当表面温度低于露点温度，有冷凝水析出，空气被除湿，从而获得净化水[7]。Li Xinhua 等[8－9]的研究表明，利用相变过程制取的净化水几乎可以除去水中所有的有机物和盐类。R.J.Moffat[10－11]对增湿除湿技术进行了系统性的总结，指出HDH 过程是基于空气与大量水蒸气的混合，通过加热干空气可以提高其最大携湿能力，研究显示1 kg 干空气可携带0.5 kg 水蒸气，同时表明该技术是最适合生产淡水的脱盐工艺。

M.Farid 等[12]基于HDH 设计了一套海水淡化装置，利用太阳能加热海水使之蒸发并利用加热后的海水来加热空气，该过程中空气被加热和加湿(加湿过程)，在鼓风机的驱动下，加湿升温后的空气在蒸发器处以液态纯净水的形式析出(除湿过程)。该装置在不使用反渗透膜等滤芯装置的条件下实现了对海水的净化，但存在冷凝水产量低、废水率高的问题。P.Byrne 等[13]基于HDH 设计了一套海水净化装置，利用太阳能发电供给热泵系统，其中热端含有膜蒸馏系统，只有具有温度梯度的水蒸气可以通过，而常压下液态水无法通过。当膜两侧存在一定温差时，此时热端的水蒸气会因蒸汽压的升高透过膜进入冷端，并在冷端冷凝得到纯净水，但存在产水量低的缺点。A.Mahmoud 等[14]研究表明加强太阳辐射强度、较高的环境温度可以促进冷凝水的产量。Xu H.等[15]提出了一种应用于饮用水的太阳能－热泵式海水净化装置，利用太阳能辅助热泵快速加热海水使其蒸发，弥补了太阳能不能快速提高海水温度的缺点，并进一步提高海水温度，使得冷凝水产量提高；但存在系统部件过多及开式空气回路易带来污染等问题。A.S.Abdullah 等[16]搭建了一套集成虹吸太阳能蒸馏系统，利用太阳能直接加热海水(进口)，并将光伏系统产生的电量供给水泵使用，实验研究了不同进口水量对系统产水性能的影响，结果表明随着进口水量从2.5 kg/min 升至4 kg/min 时，系统产水效率提升15.7%。

综上所述，目前海水淡化领域中HDH 的应用已较为广泛，但多为HDH 与太阳能相结合系统，该类系统相对复杂，应用场合也较为局限，特别在家用领域更为少见。Li Kun 等[17－18]提出了一种利用HDH与传统压缩式制冷相结合的家用纯净水生产系统。该系统具有结构简单、水利用率高、受环境影响小等优势。本文将进一步探究进口水量对上述系统各部件运行工况参数、制冷量、系统总功耗、制冷COP、单位时间产水量及单位能耗产水量等参数的影响。

1 新型家用纯净水机工作原理

图1所示为新型家用纯净水机的工作原理。该装置主要由制冷系统、喷淋装置、填料、风机、水循环管路等组成。工作过程主要分为增湿和除湿两部分。首先，启动风机形成循环风，循环风经过主冷凝器，换热后形成吸湿能力较强的高温循环风，高温循环风沿风道进入多孔填料并与喷淋孔滴下的自来水进行热湿交换，由此完成循环风的加湿过程。此时循环风处于高湿高温状态，随后流经低温蒸发器表面，在此过程循环风中的水蒸气不断冷凝成液态水析出，此为循环风的除湿过程。被除湿的循环风再进入主冷凝器中加热，并继续完成下一次闭式风路循环。

在忽略闭式风路循环系统漏热的前提下，为保证系统产水的稳定性，系统中风机和冷凝器的散热量理论上应等于蒸发器的制冷量，而实际上制冷系统高温侧的散热量大于蒸发器处吸收的热量，所以需要一个辅助冷凝器，来带走系统中多余的冷凝热(本文采用将辅助冷凝器串联在主冷凝器和压缩机之间的形式)。辅助冷凝器(辅冷)的具体换热过程为:在加湿过程中，填料处未被空气吸收的自来水落入填料下方的集水槽中，并在重力的作用下流入辅助冷凝器中，被加热后作为生活热水使用。

2 实验系统

2.1 系统测点布置与参数测量方法

如图1所示，本实验的数据采集分为3 部分:压缩式制冷循环、空气循环以及水循环。压缩式制冷循环测点布置包括:蒸发器、压缩机、辅助冷凝器制冷剂进出口温度以及压缩机功耗；空气循环测点布置包括:蒸发器进出口风温和湿度、风机功耗和风速；水循环温度测点位置包括:装置进水口和辅助冷凝器进出水口。

图1 新型家用纯净水机工作原理Fig.1 Principle of a new household water purifier

本文需要研究的水量包括进口水量、纯净水产水量。纯净水是指蒸发器处空气冷凝得到的液态水；高温热水是指与辅助冷凝器换热后排出的水；进口水量等于纯净水产水量加高温热水产量，也即单位时间内在喷淋孔处滴入填料的自来水。当系统在各个制冷循环参数均达到稳定状态后1 小时内，用电子秤以称重法测量纯净水产量及高温热水产量。对于实验中制取得到的纯净水，通过TDS 测试仪进行溶解性固体总量水质检测，TDS 值越小，说明所制取水的脱盐率(喷淋水与制得纯净水TDS 值之差除以喷淋水进口的TDS 值)越高，水的纯净度越高。

2.2 系统性能评价指标

本文涉及的性能参数主要包括:制冷量Q0、辅助冷凝器换热量Q1、系统总功耗Pt、制冷性能系数COP、单位时间产水量Vw以及单位能耗产水量Ve。

制冷量:

式中:Q0为制冷量，W；v为循环风风速，m/s；A0为风道面积，m2；ρf为循环风密度，kg/m3；Δh为循环风进出口焓差，kJ/kg。

系统总功耗:

式中:Pt为系统总功耗，W；Pc为压缩机功耗，W；Pf为风机功耗，W；If为风机直流电流，A；Uf为风机直流电压，V。

制冷性能系数:

单位时间产水量:

式中:Vw为单位时间产水量，L/h；m为系统稳定1 小时后测得一段时间内产生纯净水的质量，g；t为稳定运行的时间，h；ρw为纯净水的密度，g/cm3[18]。

单位能耗产水量:

式中:Ve为单位能耗产水量，L/(kW·h)；Vw为单位时间产水量，L/h；Pt为系统总功耗，W[18]。

辅助冷凝器换热量:

式中:Q1为辅冷换热量，W；K1为辅冷传热系数，W/(m2·℃)；A1为辅冷传热面积，m2；Δtm1为辅助冷凝器对数平均温差，℃。

蒸发器潜热交换量(与单位时间产水量成正比):

式中:Q2为蒸发器处潜热交换量，W；Cp为循环风比热，kJ/(kg·℃)；Δt为进出口风温之差，℃。

2.3 不确定度分析

因实验用测量仪表具有一定误差，使得各关键参数存在测量不确定度，为确保实验准确度，对各参数进行不确定度分析。表1所示为测量仪表及参数，系统中温度、压力、风速以及功耗等参数由仪器仪表直接测量。根据文献[18]计算可得各测量参数的标准不确定度；总功耗、制冷量、COP、单位时间产水量、单位能耗产水量的相对不确定度，结果分别为±1.12%、±0.84%、±0.85%、±1.33%、±1.74%。

表1 测量仪表及参数Tab.1 Measuring instrument and parameters

2.4 实验方法

进口水量对系统的性能有着重要影响，进口水量过少会导致填料处喷淋水和循环空气的增湿不够充分，即蒸发器进口空气相对湿度偏低，进而影响产水量；进口水量过多会造成自来水利用效率低，造成高温热水无法及时排出。因此本文研究了进口水量变化对系统运行工况参数、压缩机功耗、制冷量、COP、系统总功耗、单位时间产水量、单位能耗产水量的影响。

本文采用控制变量法进行实验，进口水量为唯一变量，即只改变进口水量，保持循环风量、环境温度和进水温度不变。循环风量的大小是通过控制风机频率而实现，实验中进水温度通过恒温水槽进行控制，进口水量的调节是通过高精度计量泵的开度和频率旋钮实现。

表2所示为具体实验工况，其中进口水量和进水温度分别是指进入系统喷淋装置入口处单位时间内喷入自来水的体积流量和温度，根据前期研究结果，取进水温度和循环风量分别为25 ℃和100 m3/h[17－18]。根据实际应用情况，进口水量大小按2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 L/h 这5 个工况依次进行。

表2 实验工况Tab.2 Experimental conditions

3 实验结果分析

3.1 进口水量对系统运行工况参数的影响

图2所示为不同进口水量对蒸发器制冷剂侧和风侧温度的影响。当进口水量从2.5 L/h 增至4.5 L/h 时，蒸发器处制冷剂进出口温度从20.2 ℃、29.5℃分别降至7.1 ℃、16.0 ℃；循环风进出口温度从40.5 ℃、25.6 ℃分别降至37.0 ℃、20.8 ℃。随着进口水量的增加，喷淋水与循环风的热湿交换效果加强，填料处喷淋水蒸发量增大，导致蒸发器处进口风温降低；同时填料处未被循环风吸收的水增加，即进入辅助冷凝器的水流量增加，辅助冷凝器换热效果加强，使得冷凝压力和冷凝温度降低，在节流效果一定的条件下，蒸发压力下降，因此蒸发器制冷剂进出口温度下降，同时导致蒸发器出口风温降低。此外，蒸发压力和蒸发温度的下降导致压缩机的进口制冷剂的比体积增大，而压缩机的排气量一定，则制冷剂的质量流量随之降低。其中由于蒸发器制冷剂的出口过热度较大导致制冷剂进出口温差较大。

图2 进口水量对蒸发器制冷剂侧和风侧温度的影响Fig.2 Influence of inlet water flow rate on refrigerant temperature and air temperature at evaporator

图3所示为进口水量对压缩机吸排气温度及压力的影响。当进口水量的上升时，蒸发器出口制冷剂温度和压力降低，压缩机吸气温度和压力降低，进而导致压缩机排气压力和温度都下降，压缩机排气压力的下降幅度大于吸气压力，故压比逐渐减小，有利于压缩机功耗的减少。

图3 进口水量对压缩机吸排气温度和压力的影响Fig.3 Influence of inlet water flow rate on suction/discharge temperature and pressure of compressor

图4所示为不同进口水量下辅助冷凝器制冷剂侧和水侧的温度变化情况。当进口水量增大，辅助冷凝器制冷剂进出口温度从91.7 ℃、75.0 ℃分别降至76.3 ℃、55.3 ℃，进出口水温从42.9 ℃、78.5 ℃分别降至31.8 ℃、62.9 ℃。随着进口水量增大，填料处喷淋水蒸发量和未被循环风吸收的水流量均增大，导致未被吸收的自来水(即辅助冷凝器进口)水温下降，辅助冷凝器出口水温也随之降低，同时辅助冷凝器制冷剂的进出口温度相应降低。经计算可得，辅助冷凝器处对数平均温差Δtm1随进口水量的增大而减小，但此时流速(流量)增大使得换热系数K1呈上升趋势。当水量小于3.5 L/h，K1的上升幅度大于Δtm1的下降幅度；当水量大于3.5 L/h，K1的上升幅度小于Δtm1的下降幅度。由此可知，辅助冷凝器的换热量Q1随进口水量的增加呈先增大后减小的趋势，且在3.5 L/h 时换热量达到最大。在本文实验工况范围内，辅助冷凝器出口水温在62.9～78.5 ℃之间，可作为高温生活热水使用。

图4 进水口量对辅助冷凝器制冷剂侧和水侧温度的影响Fig.4 Influence of inlet water flow rate on refrigerant temperature and water temperature at auxiliary condenser

3.2 进口水量对压缩机功耗、制冷量及COP的影响

图5所示为不同进口水量对系统制冷量、压缩机功耗和COP 的影响。随着进口水量的增加，制冷量和COP 均存在一个峰值，分别为699 W 和2.44，而压缩机功耗则是逐渐减小，从313 W 降至258 W。

图5 不同进口水量对压缩机功耗、制冷量及COP 的影响Fig.5 Influence of inlet water flow rate on refrigerating capacity，compressor power consumption and COP

经计算可得蒸发器的对数平均温差Δtm3先增大后减小，由公式Q3＝K3A3Δtm3(Q3为制冷量，W；K3为蒸发器换热系数，W/(m2·℃)；A3为蒸发器换热面积，m2；Δtm3为蒸发器处对数平均温差，℃)可知:A3与K3不变，则制冷量Q3随着进口水量的上升呈先增大后减小的趋势，且在3.5 L/h 的水量时达到峰值。由图3 与图2 的分析可知压缩机的流量和压比均在减小，所以压缩机功耗随着进口水量的升高而降低。基于上述分析，在进口水量为2.5 ～3.5 L/h 时，制冷量与压缩机功耗分别随着进口水量的增加而增大和减小，而在进口水量为3.5 ～ 4.5 L/h 时，两者均呈下降趋势且前者降幅大于后者，所以系统COP 值先增大后减小。

3.3 进口水量对单位时间产水量及单位能耗产水量的影响

图6所示为不同进口水量下单位时间产水量、单位能耗产水量以及总功耗的变化情况。当进口水量增加时，制冷量呈现先增后减的变化，由公式(7)可得蒸发器处潜热交换量先增后减，从而导致系统单位时间产水量先增后减。当进口水量为3.5 L/h 时，系统获得最佳单位时间产水量0.682 L/h。当进口水量由2.5 L/h 升至3.5 L/h 时，单位时间产水量呈现上升趋势，因此单位能耗产水量呈较大上升趋势；当进口水量由3.5 L/h 进一步上升时，由于单位时间产水量下降且其下降幅度(4.25%，3.37%)小于系统总功耗的下降幅度(5.40%，3.67%)，所以单位能耗产水量仍保持上升趋势，但是上升趋势变缓(最大为2.058 L/(kW·h))。

同时由图6 可知，在本文实验工况下，单位时间产水量最低为0.612 L/h，日产水量可达12 L 以上，可以满足普通家庭的日常使用。对于实验中制取的纯净水，为了检测洁净度，利用TDS 测量仪进行了测量，结果显示TDS 值小于3，表明经过增湿除湿原理净化后的水洁净度较高，脱盐率达到98%，符合国家饮用水卫生标准的相关要求[19]。

图6 不同进口水量对单位时间产水量及单位能耗产水量的影响Fig.6 Influence of inlet water flow rate on water production per unit time and water production per unit energy consumption

4 结论

本文基于蒸气压缩制冷和空气增湿除湿原理，针对所提出的新型家用纯净水生产系统，通过实验研究了进口水量对制冷系统及产水性能的影响，得出如下结论:

1)进口水量对该新型家用纯净水机制冷系统运行工况及其产水性能会产生较大影响。当进口水量在2.5～ 4.5 L/h 范围内，系统总功耗呈下降趋势，制冷量、COP、系统单位时间产水量均随进口水量的增加先增大后减小。当进口水量在3.5 L/h 时，单位时间产水量达最大为0.682 L/h，此时系统COP 也达到最大为2.44；单位能耗产水量随着进口水量的上升呈上升趋势，在进口水量大于3.5 L/h 后上升幅度变缓。

2)综合产水量、COP 及单位能耗产水量，在本文实验工况下，存在一个最佳进口水量为3.5 L/h，其单位能耗产水量为2.058 L/(kW·h)。同时，在本文实验工况范围内，产生的生活热水温度(辅冷出口水温)在62.9～78.5 ℃之间，满足GB 5055—2010«民用建筑节水设计标准»[20]中规定的生活热水温度不低于45 ℃要求。

3)在本文不同进口水量下，纯净水的产水量不低于0.612 L/h，日产水量不低于12 L。纯净水TDS值小于3 mg/L，脱盐率达98%，满足GB/T 30306—2013«家用和类似用途饮用水处理内芯»[21]中规定的脱盐率要求(规定要求大于等于90%)，可替代膜过滤式净水器，应用前景广阔。