两种非等温送风恒温恒湿机

恒温恒湿机通常用于电子工业、仪器仪表、印刷、邮电、通讯、计算机房等对空气温、湿度精度要求较高的场合。而多数需要降温的设备,其发热断面的发热量是不均匀的,恒温恒湿机的作用是保证发热量最大的某个断面得到应有的冷却,发热量较小的断面亦应得到有效的降温,这样才能确保被降温设备的正常工作。事实上,大多数恒温恒湿机的使用目的是满足设备降温需要,房间空气的降温是不得已的一个过渡。由于这个过渡的存在和为了满足设备某界面较大的用冷需求,必须过度地降低房间空气温度,从而造成冷量的浪费,电能消耗亦随之增加。如果去掉中间过渡并制造恒温恒湿机送风截面温度不同,直接将冷空气送入设备发热断面,设备的降温需求就可以得到满足,恒温恒湿机的能耗也会得到相应的降低。一种非等温截面制冷系统和两组蒸发器组成的两个不同送风温度的制冷系统。

  1. 制冷系统和实验方法

两种制冷系统的原理见图1 和图2。

图1 非等温送风制冷系统

图2 两个不同送风温度的制冷系统

非等温送风系统的蒸发器由三组独立的管组并列安装在共同的骨架上,三组结构可相同亦可不同,蒸发管长度可相同也可不同。上下两组供液和回汽管并联,中间一组单独供液,回汽经一个背压阀汇入压缩机吸气总管。这样设置的目的是想制造整个排风面中部1 /3 出风温度较高,上下部分出风温度较低的效果( 该设置可根据设备发热截面的状况进行调整) 。

两个不同送风温度的制冷系统由两组相同或不同结构与换热面积的蒸发器组成( 此组成需结合被冷却设备的实际发热量) 。需要制造较低出风温度的蒸发器应由热力膨胀阀直接供液,相对出风温度较高的蒸发器接在上述蒸发器之后,如图中蒸发器1 与蒸发器2 的供液回气管接法。

为了检验上述两种系统的性能,对自行组装的装置进行了测试。首先介绍非等温送风系统。蒸发器结构见图3。中间部分盘管管束分为2路,每路16 根,上下两部分各为2 路,每路12 根。紫铜盘管铝质平板套片式蒸发器沿气流方向为4排管,垂直气流方向每排20 根管,管间距25. 4mm,呈正三角形叉排排列,管外径9. 52mm,翅片间距为2mm,翅片厚度0. 105mm。外形尺寸是529mm × 380mm × 106mm。

图3 非等温蒸发器的结构

测试采用空气侧热平衡法,用电加热器平衡蒸发器的制冷量,保持保温体内空气温度为25℃。测试期间蒸发器以背压阀全开和背压阀部分开启两种方式运行。蒸发器出风截面的出风温度,用热电偶采集,测试位置如图4。蒸发器置于风道内,由轴流风机推动空气流动,出风侧测温面布置在“送风面2”的位置上。

图4 蒸发器和送风口测温点的位置

图5 两台蒸发器的布置结构

两个不同送风温度制冷系统中的两台蒸发器结构相同,采用串联方式,蒸发器在测试保温体内的安装情况见图5。轴流风机为吸风式,由于两组蒸发器串联工作,左侧低温蒸发器出风温度较低,右侧高温蒸发器出风温度较高。

  1. 实验数据与数据分析

2.1非等温蒸发器

实验分为背压阀全开和背压阀部分开启两种形式。背压阀全开时三组蒸发器并联工作,送风面2 的温度分布见图6,能够形成非等温送风面。

图6 非等温蒸发器送风面2 的温度分布

非等温送风面的形成可以定性的给予解释: 观察图3 中L1 = L2 的两个截面,这两个截面中管路长度相等,传热面积相等,但管内冷媒的干度不同。L1 所处的蒸发管组总长4. 56m,L2 所处的蒸发管组总长6. 08m,分别用各自的热力膨胀阀供液,由于回气管是共用的,蒸发管的出口压力是相同的,当蒸发管出口过热度相同时,过热段长度也是相同的,相当于单位长度蒸发管长所占的过热管段长度L1 段大于L2 段。对蒸发管而言过热段与非过热段冷媒侧的换热系数相差两位数之多,会引起冷却能力的大幅度下降。

背压阀部分开启时,中间的蒸发管组蒸发压力升高,与管外掠过空气的温差减小,使得降温幅度缩小。亦能形成非等温送风,送风面2 的温度分布是中部温度高,上下温度低,与图6 的分布相反。

图7 是背压阀全开和背压阀部分开启状态下制冷系统COP 随冷凝温度的变化规律。显然,由于背压阀部分开启状态下蒸发温度没有提高,反而由于低温蒸发器部分的传热面积减小,促使压缩机的吸气压力降低,系统的COP 低于背压阀全开的状况。

图7 COP 随冷凝温度的变化曲线

2.2两个不同送风温度的制冷系统

图8 蒸发器和双热源在保温体内的布置

按图5 所示,实验检测到的蒸发器出风温度的平均值分别为,左侧10℃、右侧12℃,二者相差两度。为了检测不同冷却要求情况下制冷装置的性能,设计了不等发热量双热源冷却过程实验,热源的布置情况见图8。在保证回风温度为25℃ ±1℃的情况下,调整热源1 和热源2 的加热量,当热源1 的加热量为710W、热源2 加热量为1900W时,加热量与制冷系统的制冷量达到平衡。当热源1 与热源2 的加热量分别为2090W 和920W时,达到另一个平衡点。两种状态下制冷系统的COP 见图9。显然,小热源置于低温蒸发器迎风

图9 两种状态下的COP

面、大热源置于高温蒸发器迎风面不利于制冷装置的节能。引起上述结果的原因有以下两个方面:

( 1) 对于低温蒸发器而言,进风温度始终保持25℃ ± 1℃,风量不变,出风温度也不会发生变化,由于热源1 发热量少,其周围的空气温度远低于回风; 对于高温蒸发器而言则相反。高低温空气在回风区域混合,形成回风温度。显然,在回风区域“高品位”的冷量被浪费。

( 2) 达到平衡时的加热量二者相差400W,该值等于制冷量之差。显然,小热源置于低温蒸发器一侧、大热源置于高温蒸发器一侧的做法,导致制冷系统蒸发温度降低。

3.结论

(1) 安装于同一平面骨架上的两个蒸发管组,如果管长不同并使用各自的膨胀机构供液就可以实现非等温送风。风温的差异决定于两个蒸发管组的管长差异,差异大则温差大。这种方式有比较高的系统效率。

(2) 安装于同一平面骨架上的两个蒸发管组,无论是否管长相等,只要一组出口安装背压阀,也可实现非等温送风。风温的差异决定于背压阀的开启度。这种方式的系统效率较低。

(3) 两组蒸发器串联,可以制造两个不同温度的送风截面,风温的差异取决于两组蒸发器的换热面积比。处于节流机构末端的蒸发器风温较低。

(4) 两个送风温度不同的制冷系统,应根据两组发热量不同的被冷却设备的实际发热量,配置蒸发器。通常是送风温度较低的蒸发器,负担较大的热负荷,这样设置可以增大制冷系统的制冷量,COP 也可以得到提高。

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