带冷凝热回收的变容量恒温恒湿机组

普通恒温恒湿机组是将新风和回风混合后的空气冷却至足够低的露点温度,再通过二次加热、

加湿等手段分别处理温度和湿度。这种方法明显存在同时冷却、加热、加湿的现象,引起的能耗是很大的。如何在恒温恒湿类空调工程中改用合理的空气处理方式,减少冷热抵消的能耗就成为一个十分重要的课题。

带冷凝热回收的变容量恒温恒湿机组使用蒸发器来对空气作冷却除湿处理,通过水冷冷凝器对空气进行再热处理,充分利用了冷凝热,减少了由电加热造成的能源浪费。制冷循环系统原理与其他的制冷系统原理类似。本文主要进行带冷凝热回收的变容量恒温恒湿机组的性能研究。

1.带冷凝热回收的变容量恒温恒湿机组原理

蒸汽压缩式制冷系统主要由压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器4 大部件及一些辅助件组成。但不同的类型的制冷系统为达到不同的功能,又各有区别。如图1 所示,为本课题带冷凝热回收变容量恒温恒湿的系统原理图。本系统主要分为空气处理系统、制冷系统、冷凝热回收系统3 部分。

图1 带冷凝热回收变容量恒温恒湿空调原理

1.1空气处理系统

图2 所示为恒温恒湿机组空气处理箱示意图。本恒温恒湿机组适用于全年工况。夏季工况: 被处理空气先经过过滤网过滤,再经过蒸发器冷却除湿,然后依次经过再热盘管、辅助电加热、加湿器、风机。当需要再热时启动再热盘管,当需要加湿时启动加湿器,辅助电加热起辅助作用,需要使用时开启。冬季工况: 被处理空气经过冷凝器( 此时夏季工况的蒸发器已充当冬季工况恒温恒湿系统的冷凝器) 加热,然后依次经过再热盘管、辅助电加热、加湿器、风机。但冬季工况下,再热盘管不工作。当需要加湿时开启加湿器,需要使用辅助电加热时开启辅助电加热。

图2 空气处理示意

1.2制冷系统

本课题研究的恒温恒湿机组是一个热泵系统,分制冷和制热2 种运行模式。整个制冷系统的组件包括: 转子压缩机、四通换向阀、套管水冷冷凝器、风冷冷凝器、单向阀组、储液器、干燥过滤器、视液镜、电子膨胀阀、蒸发器、气液分离器等。制冷与制热模式的转换通过四通换向阀和单向阀组来实现。冷凝器采用双冷凝器串联模式,其套管水冷冷凝器除了起到冷凝器放热作用之外,还用作冷凝热回收,回收的冷凝热用作空气再热之用。系统的节流元件采用电子膨胀阀,电子膨胀阀的调节范围大,配合变频压缩机使用,其调节性能尤佳。

制冷模式的原理以及工质循环路线如图3 所示。

低压气态制冷工质吸入压缩机后,被压缩为高压高温气体状态,经过套管水冷冷凝器回收一部分冷凝热后,再经过风冷冷凝器冷却,有一定过冷度的液态制冷剂进入储液器,储液器出来的制

冷剂为纯的液态工质,经干燥过滤后通过电子膨胀阀节流,节流后制冷工质变成低压低温的状态 ( 可能为液态或气液共存状态) ,再经过蒸发器吸热之后变为低压气态( 并保证有一定过热度) ,最后经过气液分离器将带有的少量液态制冷剂分离后回到压缩机。

2.3 冷凝热回收系统

恒温恒湿机组采用双冷凝器,一个是套管冷凝器,另一个是风冷冷凝器,其中套管水冷冷凝器用作冷凝器热回收,而风冷冷凝器为恒温恒湿机组主冷凝器。其原理如图4 所示,套管冷凝器回收冷凝热,加热循环水送到再热盘管来进行空气再热处理。系统中设置三通比例调

节混水阀,根据再热量的需求不同,可以便捷、准确地调节再热盘管的水流量,具有控制精度高、控制速度快等优点。再热水循环系统为闭式循环系统,所以需要在系统中设置定压膨胀水罐,以起到水管路系统定压作用和防止水体积变化而涨裂水管。为了防止再热盘管和套管换热器结垢,在再热盘管和套管换热器入口处加设Y - 型过滤器。闭式循环水系统需要充水和泄水,所以需要加设一个铜球阀同时用作充水和泄水之用,其安装位置要求是该水路系统的最低点处,以保证泄水时,水路的水泄干净。在水系统的最高点处还需要设置一个排气阀或安全阀,以便充水时排出水系统中的空气和水压过大时自动打开安全阀。

图4 冷凝热回收、再热系统

2.带冷凝热回收变容量恒湿恒湿机组试验研究

对带冷凝热回收的变容量恒温恒湿机组进行性能测试。

2.1在最大运行频率工况下,显热量、潜热量、除湿量试验

图5 所示为压缩机运行频率为85Hz,进风温度为27℃,进风相对湿度分别为40%、50%、60%、70% 工况下的制冷量、显热量及潜热量数据。从图中可以看到,制冷量随进风相对湿度的增大而增大,潜热量也随进风相对湿度的增大而增大,而显热量随进风相对湿度的增大而减小。这是因为进风相对湿度增大,机组的潜热量增大,显热比减小。当相对湿度为40% 时,制冷量为4663W,显热量为3992.8W,潜热量为670.2W; 当相对湿度为70% 时,制冷量为5702.9W,显热量为2964.1W,潜热量为2738.8W。

图5 频率为85Hz,进风温度为27℃时显热、潜热量

图6 所示为压缩机运行频率为85Hz,进风温度为27℃,进风相对湿度分别为40%、50%、60%、70%工况下的除湿量数据。随着进风相对湿度的增大,除湿量增大。当进风温度为40%时,该恒温恒湿机组的除湿量只有0. 5kg /h。当进风相对湿度为70%时,除湿量为3. 3kg /h。

2.2不同运行频率下,显热量、潜热量、除湿量试验

恒温恒湿机组采用变频压缩机,在电气及控制设计时,限定压缩机运行频率为30 ~ 85Hz。为了测试不同的压缩机运行频率下恒温恒湿机组的制冷量、显热量及潜热量,需要将变频器的输出频率设置为手动档。

图7 所示为进风干球温度为27℃、进风湿球温度为19℃下,压缩机不同运行频率对应的制冷量、显热量、潜热量数据分析。当压缩机运行频率为50Hz 时,恒温恒湿机组的制冷量为3028. 6W,显热量为2527. 9W,潜热量为500. 7W。当压缩机运行频率为70Hz 时,恒温恒湿机组的制冷量为4902W,显热量为3698. 4W,潜热量为1203. 6W。当压缩机运行频率为85Hz 时,恒温恒湿机组的制冷量为5304W,显热量为3904W,潜热量为1400W。

图7 不同频率下的显热量及潜热量

图8 所示为进风干球温度为27℃、进风湿球温度为19℃下,压缩机不同运行频率对应的除湿量数据分析。当压缩机运行频率为50Hz 时,恒温恒湿机组的除湿量0. 389kg /h。当压缩机运行频率为70Hz 时,恒温恒湿机组的除湿量1. 228kg /h。当压缩机运行频率为85Hz 时,恒温恒湿机组的除湿量1. 475kg /h。

图8 不同频率下的除湿量

2.3 恒温恒湿机组再热能力试验

恒温恒湿机组再热部分不是采取电加热方式,而是回收冷凝热来再热空气。用水作为介质吸收冷凝热,通过水泵送入再热盘管。为了更好地调节再热量,在水管路上安装了三通调节混水阀,可以比例调节水流量,从而调节再热量。为了测试本恒温恒湿机组的再热能力,这里采用比较再热水泵开启前后的风室显热量来衡量。当再热水泵未开启时,蒸发器的显热就等于风室的显热; 当再热水泵开启并且三通调节水阀全开时,风室的显热量就等于蒸发器的显热量减去再热量。蒸发器的显热量可以参考未开启再热水泵时的数值,而开启水泵时的风室显热量可以用焓差法测量得到,故恒温恒湿机组的再热能力即可以计算出来。

如图9 所示,再热系统关闭时风室的显热量实际上就是蒸发器的显热量,从图中可以看到,再热能力与蒸发器显热量( 再热关闭时风室的显热量) 几乎接近。而一般情况下,恒温恒湿机组需要的再热量相对于蒸发器的显热量来说较小。因此,所设计的再热系统的再热能力足以满足系统再热量的需要,而再热量又可以通过比例三通调节阀来精确控制。

图9 不同频率下的再热能力

2.4温湿度控制范围及精度试验分析

恒温恒湿机组的温湿度控制范围与机组的性能有关,也与热湿负荷有关。理论上,温度控制范围比较大,当热负荷很小( 即使在低温环境下,机组的能力也能够达到热负荷的需要) ,温度甚至可以达到零度以下。而相对湿度在低温低湿环境下,微量的含湿量即对相对湿度影响很大。所以,低温低湿的环境难以控制住。本恒温恒湿机组主要针对常温下的恒温恒湿环境控制。

如表1 所示,当热湿负荷在该恒温恒湿机组热湿处理能力范围之内时,该恒温恒湿机组温湿度控制精度较高。一般情况下温湿度设定值较高的工况比较好控制,比如: 进风干球温度设定值为27℃、进风相对湿度设定值为60%,热负荷为2000W、湿负荷为2. 5kg /h 时,最终试验温度值为进风干球温度27. 2℃、进风相对湿度为60. 6%。而低温低湿的工况较难控制,比如: 进风干球温度设定值为15℃、进风相对湿度设定值为40%,热负荷为1500W、湿负荷为0. 2kg /h 时,最终试验温度值为进风干球温度15. 3℃、进风相对湿度为43. 1%。这时相对湿度温度值偏离设定值较大,达到± 3%。如果进风干球温度和进风相对湿度设定值再往下调,那么最终偏离值越大。因此,由表1 的试验数据结合夏季气候特点以及空气处理过程理论分析,可以给出温湿度控制范围及温湿度控制精度。得出的结果是温度控制范围为15~ 30℃,温度控制精度为± 0. 3℃; 相对湿度控制范围为40% ~ 70%,相对湿度控制精度为± 3%。即温度范围及精度15 ± 0. 3℃ ~ 30 ± 0. 3℃,相对湿度范围及精度40 ± 3% ~ 70 ± 3%。

表1 温湿度控制范围及精度试验数据

表1 的备注栏中,注明了每个试验工况下施加的热湿负荷。可想而知,只有当热湿负荷在该工况下恒温恒湿机组热湿处理能力范围之内时,温湿度才能稳定于设定值。否则,试验温湿度最终稳定值将偏离设定值。因此温湿度范围及精度控制,是在适当的热湿负荷前提下而言的。

3.结论

带冷凝热回收的变容量恒温恒湿机组主要使用了套管水冷冷凝器对空气进行再热处理,很好的利用了冷凝热,减少了普通恒温恒湿机组由于电加热造成的能源浪费。另外本机组通过使用变频压缩机实现了对机组的变容量控制。根据试验结果,本机组在对显热量、潜热量的处理能力都十分优秀,再热部分也完全可以满足需要。因此本机组具有不错的性能和优越节能优势。

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