喷雾量对移动空调冷凝器喷雾冷却性能的影响

张业强 李康利 焦向志 胡根 刘金平 秦小丁 金听祥

(1 郑州轻工业大学能源与动力工程学院 郑州 450002；2 广东志高空调有限公司 佛山 528244；3 华南理工大学电力学院 广州 510640)

空调的出现和普及，给人们营造了舒适的生活和工作环境。空调在使用过程中会有大量的冷凝水产生[1]，可以利用这些冷凝水提高空调系统性能[2－5]。在大型的制冷和空调系统中，利用冷凝水的蒸发冷却可以起到显著的节能效果[6－7]，例如对三峡地下水电站的空冷制冷机组采用冷凝器进风蒸发冷却时机组总节能达到15.8%[8]。E.Hajidavalloo[9]在家用窗式空调器的冷凝器进风口布置3 cm 厚的纤维垫，并将水喷在纤维垫上用以降低进入冷凝器空气的温度，空调器的耗电量降低16%，EER 提高了55%。J.Tissot等[10]在一台热泵空调的冷凝器布置4 只喷嘴进行喷雾降温，喷雾量在4.29～6.68 L/h，喷雾增加耗电量5.3%～7.9%，同时空调耗电量降低7% ～16.7%，EER 提高22.4%。Yang Hua 等[11]将一台分体式家用空调器的室外机风机布置在冷凝器的进风端，并在风扇主轴上设置一个雾化冷却元件，当风扇高速旋转时，冷凝水通过雾化冷却元件雾化并均匀分布在冷凝器进口风道，从而使冷凝器出口风温降低2.2 ℃，空调制冷量提高8.1%，耗电量降低9.5%，EER 提高20%。冯志明[12]对一台3 匹的分体式家用空调器通过试验测试了5 种空气状态、6 种喷雾状态下的机组性能，并根据重庆沙坪坝区的典型气候分析了加入喷雾系统后的节能性和经济性；李莎等[13]对采用空调冷凝水对5 种不同工质的空调冷凝器进行喷雾降温进行了理论分析，发现可以提高EER12.87% ～17.81%。王赞社等[14]针对湿热地区家用空调提出用12 ℃的冷凝水对温度为135 ℃的压缩机排气进行预冷却，将冷凝器的出口温度降低1.1～2℃，从而提高系统制冷量和COP 分别为0.93%和1.7%。杨华等[15]对一台额定制冷量为7.2 kW 的分体落地式房间空调器进行喷雾降温，对不同室外温度和湿度条件下的制冷系统性能进行了测量和分析，制冷量可以增加6%～10%，EER 提高2.6%～7%。曹玉鹏等[16]用不同型号的喷嘴和调节水泵压力的方法实现不同的喷雾量，研究了空调冷凝水对冷凝器进行喷雾冷却的效果，在室外干球温度30 ℃、35 ℃和40 ℃时，冷凝温度分别降低了4.9 ℃、5.1 ℃和6.0 ℃，制冷量分别提高了3.2%、4.8%和6.1%。

移动空调是一种结构紧凑、安装方便、可在房间内移动的空调器。由于移动空调的空间紧凑，能效比一般较低，在国家标准GB/T 22257—2008«移动式空调器通用技术要求»[17]中，要求在35 ℃/24 ℃(干球温度/湿球温度)时制冷量为2.5～4.5 kW 的整体式移动空调的EER 限定值为1.53，而在该国家标准的新版征求意见稿中，不同能效等级要求的EER 值大幅提高，具体见表1。因此，提高移动空调产品的能效比迫在眉睫。另外，在移动空调的使用过程中产生的冷凝水无法像分体空调及时排到室外，如何将冷凝水安全便捷的进行排放也是亟需解决的问题。本文提出一款双风管布置的移动空调，并利用产生的冷凝水进行喷雾对冷凝器进行辅助降温，在提高冷凝器能效比的同时解决了冷凝水的排放。本文将利用焓差实验室，当室外温度保持干球温度35 ℃、湿球温度24 ℃、室内温度保持干球温度27 ℃、湿球温度19 ℃时，分析在不同孔径的喷嘴对冷凝器喷雾辅助降温条件下移动空调性能的变化规律。

表1 移动空调能效等级Tab.1 Energy efficiency grade of mobile air conditioner

1 实验装置及实验方法

实验装置如图1所示，该装置由移动空调、喷雾系统和数据采集系统组成。移动空调放置在焓差实验室室内侧，移动空调风管的吸风口和排风口伸入室外侧。喷雾系统的两个储水桶分别放置在室外侧的电子称上，用于计量喷雾系统的用水量和回水量。

图1 实验装置Fig.1 Test device

1.1 移动空调

实验用移动空调的原型号为CP－35C2A－N21A，额定功率为1 667 W，额定制冷量为3 500 W。该移动空调的冷凝器冷却空气为单风管设置，即利用室内空气带走冷凝器热量后排向室外。文中移动空调被改造为双风管设置，即通过风管利用室外空气冷却冷凝器，然后通过另一根风管将热空气排向室外，如图2所示。

图2 移动空调在焓差实验室的布置Fig.2 Layout of mobile air conditioner in enthalpy difference laboratory

1.2 喷雾系统

喷雾系统由水泵、喷嘴、管道、储水桶组成，储水桶中的水经过水泵增压和设置在冷凝器迎风面左下角和右下角的两个喷嘴(距离冷凝器的距离约为3 cm，并向冷凝器倾斜5～8°)雾化(如图3所示)，喷淋在冷凝器的迎风面，起到辅助冷凝器冷却降温的效果。

图3 喷雾系统部件及喷嘴布置Fig.3 Spray system components and nozzle layout

1.3 焓差实验室

焓差实验室由室内侧、和室外侧以及测试控制系统组成。焓差实验室室内侧和室外侧的温度和湿度均能独立设置和调节，并且布置在室内侧的流量计量系统可以结合测量空气经过空调蒸发器前后的干球温度和湿球温度计算空气冷却(加热)后的焓差，可以计算空调的制冷量(制热量)。根据实验机型的额定制冷量为3 500 W，选择适用于3 匹空调器的焓差实验室，该实验室制冷能力为500～8 000 W，重复精度在±1.0%，测试电功率偏差在±0.5%以内。

1.4 数据测试系统

焓差实验室具有精确的数据采集模块、电参数测试仪和计算分析模块，可以测量室内侧和室外侧空气的干球温度、湿球温度以及送风量和送风的干球温度、湿球温度，同时通过测量电压电流计算空调机组的耗电量。根据实验需要，在冷凝器的中段铜管表面、压缩机的排气和回气铜管表面布置热电偶。所有采集的温度信号、电压信号和电流信号均传输到数据采集模块，采集的电压和电流传输到电参数测试仪，从而计算耗电量。所有数据传输到计算机进行存储。在实验过程中的用水量和回水量采用电子称进行称重。具体的仪器设备如表2所示。

表2 测控仪表配置Tab.2 Test instrument specification

1.5 喷嘴规格及喷雾量

实验选用4 种规格的喷嘴，每种规格的喷嘴直径及喷雾量如表3所示。

表3 喷嘴喷嘴规格及喷雾量Tab.3 Nozzle specifications at different working conditions

2 数据分析

移动空调属于蒸气压缩制冷装置，主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀等部件组成。各状态点如图4所示，系统分析的灰箱模型如图5所示。

2.1 制冷量

式中:QL为制冷量，W；ρ为空气密度，kg/m3；V为空气进气量，m3/s；t为空气干球温度，℃；hN为回风口空气焓值，kJ/kg；hL送风口空气焓值，kJ/kg。

图4 移动空调系统示意图Fig.4 Schematic diagram of mobile air conditioning system

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

2.2 冷量

式中:T0为环境温度，K；TL为室内温度，K。

2.3 能效比

式中:WC为输入功率，W。

2.4 系统效率

2.5 蒸发器

式中:Ex1为蒸发器出口，J；Ex4为蒸发器进口，J。

2.6 压缩机

式中:Ex2为压缩机出口，J。2)损失

2.7 冷凝器

式中:Ex3为冷凝器出口，J。

2.8 膨胀阀

3 实验结果和分析

图6所示为不同喷嘴下移动空调的冷凝温度、蒸发压力和冷凝压力变化情况。从图中可以发现，随着喷雾量的增加，冷凝温度先急剧下降，从55.5 ℃降至53.2 ℃、51.6 ℃，但在喷雾量为2.10 g/s 时冷凝温度降至51.3 ℃，与喷雾量1.44 g/s 时只降低了0.3℃。从图中还可以发现，不同喷雾量时的蒸发压力均在1.0 MPa 左右，变化很小；而随着喷雾量的增加冷凝压力随之降低，冷凝压力分别为3.45 MPa、3.28 MPa、3.16 MPa 和3.14 MPa，而且在喷嘴3 和喷嘴4时，两者的冷凝压力差仅为0.63%。因此，喷雾量的增加有利于降低移动空调的冷凝温度和冷凝压力，但是喷雾量增加到2.10 g/s 后效果不明显。

图6 冷凝温度、蒸发压力和冷凝压力随喷雾量的变化Fig.6 Variation of condensation temperature，evaporation pressure and condensing pressure with spray quantity

图7所示为移动空调的耗电量和制冷量在不同喷雾量时的变化情况。由图7 可知，随喷雾量的增加，移动空调的耗电量降低、制冷量增加，分别为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。在喷雾量为1.44 g/s 和2.1 g/s 时，移动空调的耗电量和制冷量相差分别仅为12 W 和9 W。

图7 耗电量与制冷量随喷雾量的变化Fig.7 Variation of power consumption and refrigerating capacity with spray quantity

如图8所示，由于移动空调的耗电量随喷雾量的增加而降低，而制冷量随之增加，因此移动空调的EER 随着喷雾量的增加而显著增大。从图中可以看出，移动空调的EER 从1.95 增至2.14、2.25 和2.28，分别增加了9.74%、15.38%和16.92%。因此增大喷雾量可以提高移动空调的性能，但随着喷雾量的增加，增加幅度降低。

图8 制冷系数随喷雾量的变化Fig.8 Variation of EER with spray quantity

图9 冷量随喷雾量的变化Fig.9 Variation of cold exergy with spray quantity

图10 系统效率随喷雾量的变化Fig.10 Variation of exergy efficiency with spray quantity

表4 不同部件的损失系数Tab.4 Loss coefficient of different components

表4 不同部件的损失系数Tab.4 Loss coefficient of different components

部件名称images/BZ_151_1416_345_1462_391.png损失系数喷嘴1喷嘴2喷嘴3喷嘴4蒸发器0.1480.1720.1770.180压缩机0.4960.4720.4780.476冷凝器0.1640.1580.1520.151膨胀阀0.1400.1400.1320.132

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

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

部件名称images/BZ_151_1416_345_1462_391.png效率/%喷嘴1喷嘴2喷嘴3喷嘴4蒸发器26.0024.8525.2925.28压缩机50.3952.8252.1552.36膨胀阀90.7091.1891.8991.94

4 结论

在室外温度保持35 ℃/24 ℃(干球温度/湿球温度)、室内温度保持27 ℃/19 ℃(干球温度/湿球温度)时，通过对双风管移动空调的冷凝器迎风面进行喷雾降温，分析了不同喷雾量对移动空调和各主要部件的性能影响，得到结论如下:

1)随着喷雾量的增加，移动空调的蒸发压力几乎不变，而冷凝压力和压缩机压比随之降低。同时，移动空调的耗电量也随之降低，制冷量增加。因此制冷系数EER 随喷雾量的增加从1.95 增至2.28。