傅俊萍+劉哲宇+何葉從+石沛

摘 要：當(dāng)室外氣溫較高時(shí)，風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)冷凝器存在換熱效果下降的問題，而蒸發(fā)式冷凝器可以改善此問題，蒸發(fā)式冷凝器因此逐步得到廣泛重視。為研究采用蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)的能耗情況，通過正交實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)比研究了蒸發(fā)式冷凝器與風(fēng)冷式冷凝器在相同工況下壓縮機(jī)能耗情況，并對(duì)影響其性能的因素進(jìn)行了分析。研究表明，各因素對(duì)壓縮機(jī)耗功量的影響能力依次為：冷凝器進(jìn)口空氣溫度、速度及冷凝器噴水量。壓縮機(jī)耗功量隨進(jìn)口空氣溫度的升高、進(jìn)風(fēng)空氣速度降低而增大，隨噴水量增加存在先減小后保持不變的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：冷凝器；能耗分析；節(jié)能；傳熱傳質(zhì)

中圖分類號(hào)：TU831.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-4764（2018）01-0129-05

Experimental analysis on energy consumption of air-conditioning evaporative condenser

Fu Junping， Liu Zheyu， He Yecong， Shi Pei

（College of Energy and Power Engineering， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410114， P. R. China）

Abstract：The heat transfer efficiency of air-cooled heat pump system would decrease in high outdoor temperature. Evaporative condenser gradually get wide attention due to its contribution to solve the problem. In order to study the energy consumption of heat pump with evaporative condenser， it was made a comparative study about compressor power consumption of evaporative condenser and air cooling condenser under the same conditions by orthogonal experiment and analyzed factors of efficiency. The results show that the influence of factors on power consumption and energy efficiency of compressor are as follows： inlet air temperature of condenser water volume， air velocity. Compressor power consumption increases with the increase of inlet air temperature and the decrease of air velocity. The compressor energy consumption decreases at first and then is constant with the increase of water volume.

Keywords：condenser；energy consumption analysis ； energy saving；heat and mass transfer

風(fēng)冷式冷凝器熱泵系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠 [1]，是空調(diào)系統(tǒng)中廣泛使用的一種設(shè)備。但當(dāng)室外氣溫升高時(shí)，風(fēng)冷式冷凝器的散熱環(huán)境變差，導(dǎo)致壓縮機(jī)耗能增大。蒸發(fā)式冷凝器因換熱效率高，并具有節(jié)能、節(jié)水、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)，在暖通空調(diào)行業(yè)越來越受到關(guān)注。

Ala等[2]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在蒸發(fā)式冷凝器中翅片管束比光管管束傳遞熱量多92%～140%。Hosoz等[3]、莊友明[4]、王少為等[5]、張建一等[6]、王軍等[7]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)式冷凝器系統(tǒng)能耗比風(fēng)冷式、水冷式少31%和14.3%。Ertunc等[8-9]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建立了蒸發(fā)式冷凝器系統(tǒng)性能的預(yù)測(cè)模型。Vrachopoulos等[10]、Wang等[11]、Liu等[12]分別通過整合蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，降低壓縮機(jī)的操作溫差，系統(tǒng)性能系數(shù)最大可提高211%，利用蒸發(fā)冷卻式冷凝器預(yù)冷空氣，系統(tǒng)COP從6.1%增加至18%，壓縮機(jī)的能耗降低了14.3%。朱冬升等[13]、李元希等[14]研究了噴淋水蒸發(fā)式冷凝器傳熱傳質(zhì)性能，發(fā)現(xiàn)噴淋密度滿足最小值時(shí)，改變噴淋密度對(duì)其傳熱傳質(zhì)性能影響不大。高煌等[15]、葉軍等[16]通過實(shí)驗(yàn)研究得出了蒸發(fā)式冷凝器傳熱系數(shù)的擬合經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。李元希等[17-18]對(duì)板式蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)行了傳熱性能的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)板式蒸發(fā)式冷凝器存在最佳入口風(fēng)速和噴淋密度。

在對(duì)蒸發(fā)式冷凝器的已有研究中，由于側(cè)重點(diǎn)不同以及實(shí)驗(yàn)條件各異，研究結(jié)果通用性不強(qiáng)。而且，蒸發(fā)式冷凝器性能受多種因素的影響，空氣參數(shù)及噴淋水參數(shù)是其中的兩個(gè)重要因素。參數(shù)值選取不當(dāng)或者風(fēng)量與水量間的配比關(guān)系不合理，都會(huì)對(duì)蒸發(fā)式冷凝器的換熱效果產(chǎn)生很大影響。為深入研究噴水量、進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)風(fēng)速度等參數(shù)的耦合情況對(duì)蒸發(fā)式冷凝器壓縮機(jī)能耗的影響，筆者設(shè)計(jì)并搭建了風(fēng)冷蒸發(fā)式冷凝器換熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在風(fēng)冷式翅片管冷凝器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，增加了噴淋裝置，構(gòu)成風(fēng)冷式與蒸發(fā)式兩用型冷凝器換熱性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由空氣處理系統(tǒng)、空調(diào)制冷系統(tǒng)、噴淋水系統(tǒng)以及相關(guān)測(cè)試設(shè)備組成，如圖1所示?？諝馓幚硐到y(tǒng)主要由變頻風(fēng)機(jī)、表冷器、電加熱器、加濕裝置和測(cè)量?jī)x器組成，通過對(duì)各設(shè)備進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)控制，提供實(shí)驗(yàn)段入口所需的空氣參數(shù)?？照{(diào)制冷系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)組成，壓縮機(jī)最大輸入功率1 900 W，吸排氣側(cè)最高壓力4.2 MPa，冷凝器的換熱面積為15.19 m2。蒸發(fā)器置于保溫密閉性能很好的人工環(huán)境室中，并在環(huán)境室內(nèi)放置恒定功率的熱源，用以模擬房間熱負(fù)荷。噴淋水系統(tǒng)則是為蒸發(fā)式冷凝器提供水源，主要由膨脹水箱、變頻加壓水泵、噴嘴、布水管道以及相關(guān)測(cè)試儀器等設(shè)備組成，其中，由膨脹水箱出來的自來水經(jīng)變頻水泵加壓后，經(jīng)管道至噴嘴均勻噴灑到冷凝器上表面，噴嘴之間間距為102.5 mm，噴嘴與冷凝器的距離為80 mm時(shí)，冷凝器水膜分布較均勻。蒸發(fā)式冷凝器噴淋水系統(tǒng)如圖2所示。endprint

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 空調(diào)用蒸發(fā)式冷凝器能耗正交實(shí)驗(yàn)研究

影響蒸發(fā)式冷凝器性能的因素主要有：噴水量、噴水溫度、進(jìn)風(fēng)溫度、空氣進(jìn)口相對(duì)濕度、進(jìn)風(fēng)速度、制冷劑流量、制冷劑溫度、蒸發(fā)器的主體結(jié)構(gòu)和表面狀況等。實(shí)驗(yàn)中，由于噴淋水的作用，使得空氣流到蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)口附近時(shí)濕度增加很大，而空氣濕度的變化對(duì)蒸發(fā)式冷凝器的換熱影響不大。蒸發(fā)式冷凝器的制冷劑流量和溫度，蒸發(fā)器的主體結(jié)構(gòu)和表面狀況對(duì)冷凝器的換熱系數(shù)均有一定的影響，但上述因素在風(fēng)冷式空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)均已考慮，因此，不做為本次實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)。綜上原因，在影響蒸發(fā)式冷凝器性能的因素中，主要考慮：進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)風(fēng)速度、噴水量3個(gè)因素。噴淋水直接采用長(zhǎng)沙地區(qū)夏季自來水，水溫為23 ℃，實(shí)驗(yàn)中取相對(duì)濕度60%。運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法確定冷凝器進(jìn)口空氣溫度、速度、噴水量3個(gè)因素的最佳水平以及對(duì)換熱性能的影響。正交實(shí)驗(yàn)因素水平如表1所示，選用正交實(shí)驗(yàn)表L9（34）安排實(shí)驗(yàn)，壓縮機(jī)節(jié)能效率φ可由式（1）計(jì)算得出。

式中：φ為節(jié)能效率，%；W1為不噴水時(shí)壓縮機(jī)耗功量，W；W2為噴水時(shí)壓縮機(jī)耗功量，W。

通過直接觀察表2中的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，可知實(shí)驗(yàn)序號(hào)3即進(jìn)風(fēng)溫度為1水平、進(jìn)風(fēng)速度為3水平、噴水量為3水平時(shí)，蒸發(fā)式冷凝器耗功量最小，為418 W。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)序號(hào)5即進(jìn)風(fēng)溫度為2水平、進(jìn)風(fēng)速度為2水平、噴水量為3水平時(shí)，蒸發(fā)式冷凝器節(jié)能效率最大，為36.92%。

以各因子的水平為橫坐標(biāo)，壓縮機(jī)耗功量為縱坐標(biāo)，繪制直觀分析趨勢(shì)圖，如圖4所示。

從圖4可以看出，壓縮機(jī)耗功量隨著進(jìn)風(fēng)溫度的升高或者噴水量的減小而增大；而隨著進(jìn)風(fēng)速度的增大，壓縮機(jī)耗功量先減小后增大，可見，風(fēng)速并不是越大越好，而是存在一最佳風(fēng)速值。

為了進(jìn)一步分析各因素對(duì)冷凝器換熱性能的影響程度，運(yùn)用方差分析法對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，如表3所示。

由表3可知，進(jìn)風(fēng)速度的離差平方和小于誤差的離差平方和，進(jìn)風(fēng)速度對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)影響較小，因而將進(jìn)風(fēng)速度項(xiàng)歸入誤差進(jìn)行分析。通過計(jì)算得到的F值與F檢驗(yàn)的臨界值比較可知，影響壓縮機(jī)耗功量的因素主次關(guān)系依次為：進(jìn)風(fēng)溫度、噴水量、進(jìn)風(fēng)速度，這與直觀分析得到的結(jié)論一致。

2.2 空調(diào)用蒸發(fā)式冷凝器能耗單因素實(shí)驗(yàn)研究

由2.1內(nèi)容可知，啟用噴淋裝置比不啟用噴淋裝置更加節(jié)能，而且，各因素的最佳水平分別為：進(jìn)風(fēng)溫度33 ℃、進(jìn)風(fēng)速度2.5 m/s、噴水量22 L/h，各最佳水平組合時(shí)節(jié)能效率最大，達(dá)36.92%。 分別對(duì)噴水量、進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)風(fēng)速度3個(gè)因素進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)，即保持其他兩個(gè)因素條件不變，只改變另外一個(gè)因素的值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖4（a）可知， 同樣條件下，啟用噴水裝置比不啟用噴水裝置時(shí)壓縮機(jī)耗功量少，且隨著噴水量的增加，壓縮機(jī)耗功量從594 W減小到451 W后保持不變，這是因?yàn)椋淠魃细采w的水膜的汽化潛熱降低了冷凝器內(nèi)制冷劑的溫度，因而，壓縮機(jī)耗功量變小。當(dāng)噴水量達(dá)到一定程度后，覆蓋在冷凝器表面的水膜較均勻，此后再增加噴水量，冷凝器的傳熱傳質(zhì)能力不會(huì)增加，壓縮機(jī)耗功量保持不變。由圖4（b）可知，同等條件下，壓縮機(jī)的耗功量隨著進(jìn)風(fēng)溫度的升高而增加，且噴水時(shí)的耗功量更小。這是因?yàn)椋M(jìn)風(fēng)溫度與冷凝器內(nèi)制冷劑的傳熱溫差是冷凝器傳熱的推動(dòng)力，因此，進(jìn)風(fēng)溫度的升高會(huì)使得壓縮機(jī)消耗更多的功。由圖4（c）可知，保持進(jìn)風(fēng)溫度33℃不變，壓縮機(jī)的耗功量隨著進(jìn)風(fēng)速度的升高而減小，且噴水時(shí)的耗功量小。不噴水時(shí)，進(jìn)風(fēng)速度的增加會(huì)強(qiáng)化空氣與冷凝器的對(duì)流換熱；噴水時(shí)，風(fēng)速的增加使得空氣與水膜間的對(duì)流換熱以及傳質(zhì)過程增強(qiáng)，達(dá)到相同的制冷效果，壓縮機(jī)耗功量減少。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)研究得出：冷凝器是否采用噴淋均存在同一進(jìn)風(fēng)速度下壓縮機(jī)耗功量隨進(jìn)風(fēng)溫度的升高而增大；而在同一進(jìn)風(fēng)溫度下，壓縮機(jī)耗功量隨進(jìn)風(fēng)速度的增加而降低，且采用噴淋后的壓縮機(jī)能耗比不采用噴淋時(shí)有所下降。通過正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀分析與方差分析得出，影響壓縮機(jī)耗功量的主次關(guān)系均為：進(jìn)風(fēng)溫度、噴水量、進(jìn)風(fēng)速度，且當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度為28 ℃、進(jìn)風(fēng)速度為2.5 m/s、噴水量為22 L/h時(shí)，壓縮機(jī)耗功量最小，為418 W。

筆者只對(duì)選定的參數(shù)及其水平進(jìn)行了研究，若要得出更為全面的研究結(jié)論，還需要另外選定參數(shù)及水平，在其他工況條件進(jìn)行深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭賢德.制冷原理與裝置[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

ZHENG X D.Refrigeration principle and device [M].2ed. Beijing：Machinery Industry Press，2008.（in Chinese）

[2] ALA H， KAI S R. Performance investigation of plain and finned tube evaporative cooled heat exchangers [J].Applied Thermal Engineering， 2003， 23（3）：325-340.

[3] HOSOZ M， KILICARSLAN A. Performance evaluations of refrigeration systems with air-cooled， water-cooled and evaporative condensers [J].International Journal of Energy Research， 2004， 28：683-696.

[4] 莊友明.蒸發(fā)式冷凝器和水冷式冷凝器的能耗比較及經(jīng)濟(jì)性分析[J].制冷，2001，20（1）：48-51.endprint

ZHUANG Y M.Energy consumption comparison and economical analysis of evaporative condenser and water-cooled condenser [J].Refrigeration，2001，20（1）：48-51. （in Chinese）

[5] 王少為，于立強(qiáng).蒸發(fā)式冷凝器應(yīng)用于戶式空調(diào)的實(shí)驗(yàn)研究[J].節(jié)能，2003（3）：9-12.

WANG S W， YU L Q.Experimental study on the application of evaporative condenser in residential air conditioner [J].Energy Saving，2003（3）：9-12. （in Chinese）

[6] 張建一，秘文濤.工業(yè)用蒸發(fā)式和水冷式冷凝器的循環(huán)水量和能耗研究[J].制冷技術(shù)，2007，35（3）：253-256.

ZHANG J Y， MI W T.Study on circulating water and energy consumption of industrial evaporative and water-cooled condensers [J].Refrigeration Technology，2007，35（3）：253-256. （in Chinese）

[7] 王軍，王海霞，畢文峰.氨用制冷系統(tǒng)蒸發(fā)式冷凝器的能耗研究[J].制冷技術(shù)，2011，39（10）：74-77.

WANG J， WANG H X，BI W F.Study on energy consumption of evaporative condenser in ammonia refrigeration system [J].Refrigeration Technology，2011，39（10）：74-77. （in Chinese）

[8] ERTUNC H M，HOSOZ M. Artificial neural network analysis of a refrigeration system with an evaporative condenser [J].Applied Thermal Engineering，2006，26：627-635.

[9] ERTUNC H M，HOSOZ M. Comparative analysis of an evaporative condenser using artificial neural network and adaptive neuro-fuzzy inference system [J].International Journal of Refrigeration， 2008， 31：1426-1436.

[10] VRACHOPOULOS M G，F(xiàn)ILIOS A E， KOTSIOVELOS G T. Incorporated evaporative condenser [J].Applied Thermal Engineering，2007， 27：823-828.

[11] WANG T W， SHENG C G， NNANNA A G A. Experimental investigation of air conditioning system using evaporative cooling condenser [J].Energy and Buildings， 2014， 81：435-443.

[12] LIU H W， ZHOU Q S， LIU Y L . Experimental study on cooling performance of air conditioning system with dual independent evaporative condenser [J].International Journal of Refrigeration，2015， 55：85-92.

[13] 朱冬生，沈家龍，唐廣棟，等.水分布對(duì)蒸發(fā)式冷凝器傳熱傳質(zhì)的影響[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2007，28（1）：83-85

ZHU D S， SHENG J L， TANG G D， et al.Effect of water distribution on heat and mass transfer in evaporative condenser [J].Journal of Engineering Thermophysics，2007，28（1）：83-85. （in Chinese）

[14] 李元希，蔣翔，吳治將，等.板式蒸發(fā)式冷凝器水膜傳熱特性研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（13）：131-134.

LI Y X， JIANG X， WU Z J，et al.Study on water film heat transfer characteristics of plate evaporative condenser [J].Journal of Wuhan University of Technology，2010，32（13）：131-134. （in Chinese）

[15] 高煌，張歡，由世俊，等.利用蒸發(fā)式冷凝器再生除濕溶液時(shí)傳質(zhì)系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[J].暖通空調(diào)，2012，42（1）：65-68.

GAO H，ZHANG H，YOU S J，et al.Experimental study on mass transfer coefficient of regenerative desiccant solution by evaporative condenser [J].Heating Ventilation & Air Conditioning，2012，42（1）：65-68. （in Chinese）

[16] 葉軍，章立新，沈艷，等.氨蒸發(fā)式冷凝器性能測(cè)試與計(jì)算[J].大眾科技，2013，163（15）：76-79.

YE J， ZHANG L X， SHENG Y，et al.Performance test and calculation of ammonia evaporative condenser [J].Popular Science and Technology，2013，163（15）：76-79. （in Chinese）

[17] 李元希，蔣翔，吳治將，等.板式蒸發(fā)式冷凝器水膜傳熱特性研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（13）：131-134.

LI Y X， JIANG X， WU Z J，et al.Study on water film heat transfer characteristics of plate evaporative condenser [J].Journal of Wuhan University of Technology，2010，32（13）：131-134. （in Chinese）

[18] 李元希，黃河，楊永峰，等.板式蒸發(fā)式冷凝器的性能實(shí)驗(yàn)[J].制冷與空調(diào)，2011，11（4）：43-48.

LI Y X， HUANG H， YANG Y F，et al.Performance experiment of plate evaporative condenser [J].Refrigeration and Air Conditioning，2011，11（4）：43-48. （in Chinese）endprint