作者简介:谷雅秀(1980-),女,博士,副教授,主要从事制冷与暖通空调系统节能与优化方面的研究.E-mail:guyaxiu@chd.edu.cn
(1.长安大学 建筑工程学院,陕西 西安 710061; 2.中国建筑上海设计研究院有限公司,上海 200063; 3.中铁第一勘察设计院集团有限公司, 陕西 西安 710043)
(1.School of Civil Engineering, Chang'an University, Xi'an 710061, China; 2.China Architecture Shanghai Design & Research Institute Co., Ltd., Shanghai, China; 3.China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi'an 710043, China)
ice slurry; flash evaporator; temperature and humidity; independent control; exergy analysis
DOI: 10.15986j.1006-7930.2018.03.020
备注
作者简介:谷雅秀(1980-),女,博士,副教授,主要从事制冷与暖通空调系统节能与优化方面的研究.E-mail:guyaxiu@chd.edu.cn
常规温湿度独立控制空调系统要由两套子系统组成,其结构复杂、占用空间大.为了改善常规系统的缺点,探讨了动态冰浆生成技术在温湿度独立控制空调系统中应用的可行性,设计了一套加入闪蒸蒸发器的新系统.采用分析的方法,分析了制冷机组中各个部件的能量损失,并设计实验计算了本系统的损失.结果表明,本系统的设计能有效利用损失的,利用闪蒸生成动态冰浆,能简化系统结构,减少系统成本.
The conventional temperature and humidity independent control air conditioning system has two subsystems, which leads to a complex construction and a need of more space. In order to solve this problem, the feasibility of the application of dynamic ice slurry generation technology in temperature and humidity independent controlled air conditioning system is discussed, and a new type of system with flash evaporator is designed. The exergy loss of each component in the refrigeration unit is analyzed by using the method of exergy analysis. The exergy loss of the system is calculated by designing an experiment. The design concept of reducing the exergy loss of the system is analyzed, and the improvement of the system is provided.
引言
动态冰浆具有相变潜热和低温显热巨大、流动性好、换热面积大、能源形式环保等优势[1],被广泛应用于食品冷藏、工业冷却、建筑供冷等各个领域.自1999年国际制冷学会成立冰浆研究小组后,诸多学者致力于对冰浆这种新型载冷剂的研究.W. Ma Z, Zhang P.等[2]总结了近年来在冰浆制取方面的发展及专利; Bédécarrats J P, David T等[3]通过数值模拟及实验对使用过冷法制备的冰浆其冰晶生成的影响因素进行研究; Kim B S, Shin H T等[4]研制了一套在0.44 kPa真空室压力时喷射制取冰浆的装置.
在建筑空调领域,温湿度独立空调系统正受到广泛关注及应用,其用两套独立的空调系统分别处理室内潜热和显热,分别控制和调节室内温湿度,从而避免了使用常规空调系统造成的热湿联合处理的能量损失及难以同时满足室内温湿度参数要求的弊端[5].虽然温湿度独立系统在节能及舒适性上具有优势,但是该系统中需要设置分别控制和调节室内温度与湿度的两套独立的控制处理系统,即一套由高温冷源和余热消除末端装置(夏季使用)或供热热源(冬季使用)组成、采用水作为传送媒介的温度控制(处理显热)的系统,以及一套由新风机组组成、采用新风或水作为能量输送的媒介的湿度控制(处理潜热)的系统[6].在夏季,两套系统的存在使系统中必然要相应地涉及两种冷源方案的冷水机组和两套末端装置,从而导致系统结构较复杂、占用空间较大、设置难度较大且设置成本高等不足之处.
结合闪蒸动态制冰,介绍一种新型自带高低温冷源的温湿度独立控制空调系统——带闪蒸制冷的温湿度独立控制空调系统,本系统在传统制冷机组的蒸发器处并联另一个闪蒸蒸发装置,利用在真空环境下将随雾化闪蒸,一部分水滴汽化带走热量,大部分水滴被冷却冻结,形成冰浆,使机组能在夜间制备冰浆、在白天使用冰浆并制备高温冷水,并且利用冷凝散热产生的余热制备一定温度的生活热水.从而,达到一机三用,削峰填谷,温湿度独立控制及能量梯级利用的效果.
通过对带闪蒸制冷的温湿度独立控制空调系统进行分析及实验,对本系统各个主制冷部件及整体制冷机组系统的损失进行理论分析,并通过合理的实验对本系统的损失进行计算与分析,为今后对系统的进一步优化提供依据.
1 动态制冰
冰浆,即二元冰,是指一种含有大量悬浮冰晶粒子的固液两相溶液,又称“流体冰”或“可泵冰”,其中冰晶粒子的平均尺寸不超过1 mm[7].由于冰浆具有相变潜热和低温显热巨大、流动性好、换热面积大、能源形式环保等优势[8],使得动态冰浆在深矿井降温、食品加工、医疗保护、消 防等领域都有很广泛的发展[9],然而在建筑空调供冷上的应用相对较少.
冰浆的制取方法很多,包括过冷法,刮削法,流化床法,直接接触法,真空法等.其中真空法制备冰浆的本质是三相点原理[10],即:当水的温度为0.01 ℃时,水到达液、固、气三相平衡点,若平衡破坏,水则趋于单相或者两相.
由于真空法(闪蒸)制备冰浆相较于冰浆制取的其他方法有如下优点:换热效率高,不存在传热间壁; 控制简单,运动装置少,部件加工要求精度低,噪音小; 不易发生冰堵[11].因此,真空法较适用于建筑空调供冷系统.
2 带闪蒸制冷的温湿度独立控制空调系统
3 带闪蒸制冷的温湿度独立控制空调系统分析
带闪蒸制冷的温湿度独立控制空调系统,其制冷机组主要由压缩机、冷凝器、节流阀、高温冷源蒸发器及闪蒸蒸发器等组成,其流程如图2所示.采用灰箱分析模型对空调系统制冷机组进行分析,系统中各主要设备可看作各个黑箱单元[15].分别以各部件为独立系统,计算各部件的损失.
3.1 压缩机损失建立压缩机计算模型,如图3所示.单位制冷剂进入和离开压缩机的分别为ex1、ex2,得压缩机平衡方程[16]:
ex1+w=ex2+elcomp(1)
又由稳定流动工质焓的计算式[14]:
ex=(h-h0)-T0(s-s0)(2)
式中:下角标0为环境参数; h为焓; s为熵; T为温度.
则:
ex1-ex2=(h1-h2)-T0(s1-s2)(3)
将式(3)代入(1)得:
elcomp=T0(s2-s1)(4)
3.2 冷凝器损失建立冷凝器计算模型,如图4所示.单位制冷剂进入和离开冷凝器的分别为ex2'、ex3,排放给冷却水的热量为eq[17],内部elin,外部为elout,冷凝器的总损失为elcon,则:
ec2'=ex3+elout+elin(5)
其中:
elout=eq=(1-(T0)/(Tk))(h2'-h3)(6a)
elcon=ex2'-ex3-eq=(h2'-h3)-
T0(s2'-s1)-(1-(T0)/(Tk))(h2'-h3)(6b)
式中,Tk为冷凝温度.
结合式(5)、(6)得:
elcon=elout+elin=ex2'-ex3=(h2'-h3)-
T0(s2'-s3)(7)
3.3 节流阀损失对节流阀A建立节流阀计算模型,如图5所示.节流前后的分别为ex3'、ex4,又因制冷剂流过节流阀的过程为绝热过程,焓值保持不变[18],则得节流阀A损失:
elexp=ex3'-ex4=-T0(s3'-s4)(8)
同理,得节流阀B损失:
Elexp=ex3'-ex5=-T0(s3'-s5)(9)
3.4 高温冷源蒸发器损失建立高温冷源蒸发器计算模型,如图6所示.单位制冷剂进入和离开高温冷源蒸发器的分别为ex4、ex1',蒸发器吸收热量的为eqr[19],得:
ex4'=ex1'+eqr+elre(10)
其中
eqr=((T0)/(Tr)-1)(h1'-h4')(11)
则:
elre=(T0)/(Tf)(h4'-h1')-T0(s4'-s1')(12)
同理,得到闪蒸蒸发器的损失
elf=(T0)/(Tf)(h5'-h1″)-T0(s5'-s1″)(13)
式中:qr为单位制冷量; Tr、Tf为与蒸发器换热的溶液温度,对于变化的T取热力学平均值.
4 带闪蒸制冷的温湿度独立控制空调系统实验
4.1 实验设计本实验将原有的小型制冷机组改造,加入闪蒸蒸发设备,实验制冷机组成原理图如图2所示.由前文分析的系统各部分计算方法,在实验中分别测得图2中所示高温冷源蒸发器运行时制冷机组的运行回路1-2-3-4-1和闪蒸蒸发器运行时制冷机组的运行回路1-2-3-5-1的各测点的温度和压力.已知,环境温度为30 ℃,冷凝温度为40 ℃,高温冷源蒸发器运行时,与蒸发器换热的溶液平均温度为17.5 ℃,蒸发温度为12 ℃; 闪蒸蒸发器运行时,与蒸发器换热的蒸汽平均温度为0 ℃,蒸发温度为-2 ℃.测点压力测量方法为从管道测点处引出测压管接压力表; 测点温度测量方法为在管道测点上设置盲管,放入温度计读数.为了保证温度和压力真实准确,减少测量误差,应在测点附近多次测量,取均值.
4.2 实验测量结果及计算在测得各点温度和压力后,根据R22的物性可查的各点对应的比焓和比熵,分别列于表1和表2中.由式(1)~式(15),可算出制冷机组各部分的损失和其相对于全系统的损率(局部损失相对于总损失的比重),结果分别列于表3和表4.
表1 高温冷源蒸发器运行时制冷机组各状态点参数
Tab.1 The parameters of each state point of the refrigerating unit during the operation of the high temperature evaporator表2 闪蒸蒸发器运行时制冷机组各状态点参数
Tab.2 The parameters of each state point of the refrigerating unit during the operation of the flash evaporator表3 高温冷源蒸发器运行时制冷机组损失
Tab.3 The exergy loss of the refrigerating unit during the operation of the high temperature evaporator4.3 实验结果分析制冷机组的损失主要发生在压缩机、冷凝器和节流阀.
对于高温冷源的循环,压缩机是损失最大的部件; 而低温冷源的循环,由于压缩机吸气温度较低,压缩机的损失相对前者较少.
而由式(5)—式(7)可计算得到两个循环冷凝器的损率均为30%以上,其损失由内部损失和外部损失组成.其中内部损失仅占总损失的3%左右,主要由冷却介质和制冷剂的传热温差造成,通过强化传热可减少其内部损失[16]; 而外部损失占总损失的97%左右,即大多数损失是由于冷凝散热形成的,本系统设计了生活热水循环,从而将这些变为有用.
对于节流阀,由表3、4中节流阀的损失可得,由于闪蒸蒸发器的蒸发温度更低,与冷凝温度的温差更大,其节流阀的损失相较于高温冷源蒸发器系统的更大.
对于蒸发器, 由表3、4中蒸发器的损失可得,两个循环蒸发器的损率均最小.对于两个系统的总损失,带闪蒸蒸发器的系统略低于带高温冷源蒸发器的系统.
5 结论与展望
通过对本系统进行理论分析及实验可得到以下结论:
(1)带闪蒸制冷的温湿度独立控制空调系统能提高制冷效率、减小换热面积、节约投资成本,同时采用低温除湿易于满足新风深度除湿的要求,提供足够干燥的低温新风.
(2)对于用闪蒸蒸发器的系统,压缩机的损失比用高温冷源蒸发器的低,但节流阀损失较高,总系统损失略低.
(3)带闪蒸制冷的温湿度独立控制空调系统能利用冷凝器的外部损失来制备生活热水,进一步减少了系统的损失,实现能量梯级利用.
带闪蒸制冷的温湿度独立控制空调系统,旨在克服现有温湿度独立控制空调机组所存在的不足,提供一种结构简单且合理、设置方便且成本低、能在一套冷水机组上同时实现提供高温冷水、低温冷水和生活热水的温湿度独立控制空调系统.但本系统的运行模式及运行参数的确定,仍需结合具体应用进行改进,需要继续研究与完善.
2.1 系统结构图1所示为带闪蒸制冷的温湿度独立控制空调系统的原理图,主体包含有冰槽1、闪蒸蒸发装置2、蒸发器3、冷凝器4、压缩机5、温湿度独立控制空调机6.其中闪蒸蒸发装置2具有快速制取冰浆及确保冰槽提供0~5 ℃低温冷冻水的功能,由闪蒸蒸发器、闪蒸器和设置在闪蒸蒸发器和闪蒸器之间的连通管构成,在闪蒸蒸发器的制冷剂管
2.2 运行策略在工作时的连接状态下,上文所述的温湿度独立控制空调机的降温处理段与蒸发器上的15~20 ℃高温冷源供回水管道A管路相连,所述的除湿处理段与冰槽上的0~5 ℃低温冷源的冷冻水供回水管道B管路相连.
工作时,包括来自室外的空气或房间循环空气在内的被处理空气先由调节风阀按需调节控制两处理段(降温处理段和除湿处理段)处理风量的比例,然后同时由高温冷水在降温处理段内、低温冷冻水在除湿处理段内分别进行降温和深度除湿处理,之后混合至送风状态点,最后送入室内.
2.3 实际应用优势2.3.1 提高制冷效率,减小换热面积,节约投资成本采用高效的真空法制冰,仅用一套系统可以同时达到提供高温冷水和低温冷水的双重目的,从而到达提高制冷效率、减小换热面积、节约机组成本的目的.
2.3.2 易于满足新风深度除湿的要求,提供足够干燥的低温新风干燥的新风目前的获取主要有转轮除湿、溶液除湿、低温冷水除湿三种方式[12].对于民用建筑转轮除湿和溶液除湿受建筑空间和维护水平的限制,难以推广应用.对于常规的7 ℃冷水除湿又不能完全满足新风深度除湿的要求,本设备利用闪蒸原理,可以低成本提供0~1 ℃的冷水,完全可以满足新风深度除湿的要求,提供干燥低温新风.
2.3.3 对冷凝热进行余热回收,制备生活热水,实现能量梯级利用根据《建筑给水排水设计手册》,卫生器具所需热水温度在30~50 ℃之间,大多器具所需热水温度小于40 ℃[13].制冷剂的冷凝温度一般大于40 ℃,而压缩机的出口温度更高可达70 ℃以上[14].所以,理论上,利用空调冷凝散热的余热完全能满足对生活热水的制备,实现了余热利用.若冷凝散热与生活热水使用时间不统一,也可采用蓄热水箱等蓄热装置解决.
2.3.4 利用冰槽蓄冰,移峰填谷,节约运营成本本系统的闪蒸蒸发器在夜间开始运行进行蓄冰,与传统的冰柱或冰球蓄冰技术相比,更节能更可靠且寿命更长,克服了传统冰蓄冷机组运行效率低、COP低、防腐成本高等问题.
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