地下工程調溫除濕機的節能優化方案

1 前言

隨著地下工程的迅速發展,地下工程的空氣溫濕度的要求越來越高,調溫除濕機的應用也越來越廣泛。調溫除濕機是在高濕度變室內熱負荷條件下保障地下工程內部熱濕環境質量的一種重要設備,其性能直接影響地下工程的維護管理水平[1]。其原理是利用蒸發器為空氣降溫除濕,并回收冷凝熱來調節送風溫度,現已廣泛應用于各類地下潮濕工程中[2]。常用的調溫除濕機一般采用單蒸發器和雙冷凝器方案,蒸發器對空氣進行降溫除濕處理,風冷冷凝器對空氣進行調溫,水冷冷凝器把余熱排出[3~6]。在實際使用過程中,除濕機存在一些不足,特別是其能耗較大,約占整個維護管理期工程能耗的70%~80%,運行使用期能耗的50%~70%[7],因此研究調溫除濕機節能化非常要。

任守宇等發明了一種一機雙系統新型戶式新風除濕機,其特征是蒸發器前設置冷卻盤管,冷卻盤管與水冷冷凝器串聯,對空氣進行預冷,減小制冷系統的空氣處理范圍[8]。朱培根等針對地下建筑內的熱濕負荷特點,將熱管技術應用于調溫除濕機[9]。袁麗等分析了冷凍除濕機用于地下防護工程存在的問題,設計了一套節能型冷凍除濕機[10]。

調溫除濕機回收機組的部分冷凝熱,但是仍然存在著制冷量和加熱量的相互抵消問題[11]。調溫除濕機的應用越來越廣泛,其節能問題也變得日益重要,本文通過對調溫除濕機空氣處理過程中的火積分析,提出調溫除濕機的節能改造措施,化除濕方案。

2 性能分析

2.1 常規調溫除濕機的空氣處理過程

常規調溫除濕機原理如圖1所示。常規調溫除濕機空氣處理過程如圖2所示,空氣從狀態點1經過蒸發器冷卻除濕后,變成狀態點2,空氣再經過室內風冷冷凝器加熱,通過三通閥調節制冷劑的流量,使送風調溫范圍在狀態點2與狀態點3之間。

圖1 常規調溫除濕機原理示意

圖2 常規調溫除濕機的空氣處理焓濕圖

空氣處理過程中,需要將空氣直接冷卻至露點,在熱濕耦合狀態下進行降溫除濕,要求蒸發溫度低于露點溫度。

理想逆卡諾循環的制冷系數:

ε=T1/(T2-T1)

(1)

式中 T1——蒸發溫度 T2——冷凝溫度

由式(1)可知,提高壓縮機的制冷系數,則需要提高蒸發溫度。單一蒸發器只有一個蒸發溫度,無法提高制冷系數。提高蒸發溫度成為提高制冷系數和能效的一種思路。

2.2 理想調溫除濕機的空氣處理過程

理想調溫除濕機的空氣處理焓濕圖如圖3所示。

圖3 理想調溫除濕機的空氣處理焓濕圖

根據顯熱火積、濕火積轉換原理[12~15],整個系統輸入顯熱火積,獲得濕火積,由于整個流程不存在傳遞損失,因此實現了顯熱火積向濕火積的理想可逆轉換。

系統總的濕火積(出口-進口):

ΔJW,d=ΔJa,W+Δ

(2)

式中 ΔJa,W——空氣的濕火積變化 ΔJL,W——水蒸汽膜的濕火積變化 QL,d——除濕量所對應的汽化潛熱 r0——水的汽化潛熱 d0——參考點0的含濕量

系統為獲得式(2)所示的濕火積所需輸入的顯熱火積(進口-出口):

ΔΔ

(3)

式中 TN——濕空氣的進口含濕量所對應的露點溫度

T1——濕空氣的出口含濕量所對應的露點溫火積

式(3)所示的顯熱火積是實現空氣等溫除濕過程所需的zui小顯熱火積,而這部分顯熱火積實際是制冷機輸入的功轉換而來的,根據功火積之間的轉換關系,有:

ΔJWE-S=Q(TY-TH)+TYWE=WE(TY+TH)

(4)

(5)

式中 ΔJWE-S——功WE轉換成的顯熱火積TY——熱源的溫度 TH——熱匯的溫度 WE——功

由式(5)結合式(3)可得系統所需輸入的功為:

(6)

WE,d即為濕空氣的除濕過程所需的zui小功??梢?,應用濕空氣熱濕火積轉換的原理,構建出理想的濕空氣除濕過程,并在此過程中得到理論上濕空氣除濕的zui小能耗,在減少能耗方面,為化方案提供了思路。

3 化方案

根據上一節理論分析,提出調溫除濕機的節能改造措施,在空氣進入蒸發器前,通過冷卻盤管適當降低空氣溫度,再通過蒸發器進行除濕;另外利用風冷冷凝器的余熱進行調溫。該改造思路提高了通過蒸發器的能量利用率,同時提高調溫除濕機的能效?;脑旌蟮恼{濕除濕機系統如圖4所示。

圖4 節能型調溫除濕機系統示意

該節能型調溫除濕機的系統工作原理如下:

(1)由壓縮機加壓后的制冷劑通過三通閥,一部分流向室內的風冷冷凝器,一部分流向室外的水冷冷凝器,根據室內調溫范圍,通過三通閥調節制冷劑流量。風冷冷凝器和水冷冷凝器中的制冷劑再匯集在儲液罐,經過膨脹閥流向蒸發器。zui后流向壓縮機,形成一個完整的循環。

(2)水冷冷凝器中,溫度在室內露點溫度與室溫之間的冷水進入冷卻盤管對空氣進行降溫處理;再進入水冷冷凝器,冷水和制冷劑逆流,達到對制冷劑降溫的效果。

(3)濕空氣通過冷卻盤管,進行預冷降溫;再通過蒸發器降至露點,進行除濕;zui后進入風冷冷凝器,進行加熱調溫,調溫范圍在3~4之間,焓濕圖見圖5。系統出風空氣的溫度和濕度可以根據需求單調節,可以提高調溫除況機組的適應性。

圖5 節能型調溫除濕機焓濕圖

4 仿真模擬試驗

基于分布參數方法,建立了完備的調溫除濕機的系統模型,包括針對渦旋壓縮機、管殼式水冷冷凝器、翅片管式風冷冷凝器、翅片管式蒸發器和管道附件等分別建立了穩態仿真模型,所建立的模型具有通用性。利用Celand方法與zui小二乘擬合相結合的顯式擬合方法,建立了工質R22和空氣物性的快速仿真程序。利用向前差分格式分別對各組件的偏微分方程組進行了數值離散,在保證一定的精度及運算速度的同時,避了隱式方法帶來的分叉等求解隱患[16~21]。

4.1 水冷冷凝器

圖6為水冷冷凝器管壁及制冷和水側的沿程溫度分布。

圖6 水冷冷凝器管壁及制冷劑和水側的沿程溫度分布

從圖6中可以看出,在單管長0.5 m內,制冷劑呈現過熱狀態,管長0.5~5 m范圍內,制冷劑呈兩相凝結狀態,且換熱與水側相當,當單管長大于5 m時,制冷劑開始呈現過冷,此后水側換熱系數起決定性作用。對于室內溫度高于18 ℃的情況下,可以使用溫度在18~25 ℃范圍內的冷水,在冷卻盤管中對空氣進行預冷。

4.2 風冷冷凝器

圖7為風冷冷凝器管壁及制冷劑和風側的沿程溫度分布。從圖7中可以看出,在單管長2 m內,制冷劑呈現過熱狀態,管長2~10 m范圍內,制冷劑呈兩相凝結狀態,當單管長大于10 m時,制冷劑開始呈現過冷,此后風側換熱系數起決定性作用。從蒸發器出來的空氣溫度較低,進入風冷冷凝器進行升溫,風冷冷凝器的調溫范圍在15~37.5 ℃。袁麗等利用除濕后的空氣與新風進行換熱,對空氣進行預冷,達到節能的目的,但是在調溫過程中,增加了冷凝器壓力,使壓縮機的功耗增加[10]。

圖7 風冷冷凝器管壁及制冷劑和風側的沿程溫度分布

4.3 蒸發器

圖8為蒸發器的兩側流體及管壁的溫度分布。

圖8 蒸發器的兩側流體及管壁的溫度分布

從圖8中可以看出,空氣經過蒸發器,在預冷降溫的基礎上繼續降溫除濕,通過蒸發器的空氣溫度變化范圍15~27 ℃。從圖中也可以看出,干度較低的制冷劑進入蒸發器換熱管后,逐漸受熱氣化,局部沸騰換熱系數逐步增加,直至制冷劑干度達到80%左右,均屬濕壁區,通常此區呈環狀流。當制冷劑干度大于80%,則進入蒸干區,呈霧狀流,管內基本無液膜,局部沸騰換熱系數急劇降低,接下來制冷劑進入過熱區,屬于單相流動換熱,其換熱系數基本保持穩定。

5 模擬結果與分析

5.1 參數計算

制冷量Qe:

Qe=qma(hcomi′-hcono)

(7)

式中 Qe——制冷量 qma——輸氣量 hcomi′——壓縮機吸氣口比焓 hcono——冷凝器出口比焓

性能系數COP:

COP=Qe/Pe

(8)

式中 Pe——壓縮機軸功率

除濕量W:

(9)

式中 ρa——空氣密度 G——經過除濕機的風量 Δd——空氣經過蒸發器后,單位質量的空氣除濕量

出口空氣的含濕量ds:

(10)

式中 d1——蒸發器前的空氣含濕量

5.2 參數模擬

在蒸發器空氣進口干球溫度為27 ℃,相對濕度60%,制冷劑流量0.22 kg/s,制冷劑入口焓值245000 J/kg時對不同進風風量下進風溫度與相對濕度的變化進行模擬,得出對出口參數的影響曲線,如圖9~16所示。從圖9~12可以看出,隨著進風干球溫度增加,制冷量與除濕量均增加,出風口的含濕量也相應增加。隨著進風量降低,制冷量增長幅度明顯的降低。另外進風量較低時,COP會有所下降。

圖9 不同風量下進風干球溫度對制冷量的影響

圖10 不同風量下進風干球溫度對COP的影響

圖11 不同風量下進風干球溫度對出風含濕量的影響

圖12 不同風量下進風干球溫度對除濕量的影響

圖13 不同風量下進風相對濕度對制冷量的影響

圖14 不同風量下進風相對濕度對COP的影響

圖15 不同風量下進風相對濕度對出風含濕量的影響

圖16 不同風量下進風相對濕度對除濕量的影響

從圖13~16中可以看出,當進風相對濕度增加,除濕量增加,制冷量在風量較大時,隨著進風相對濕度的增加而增加,而風量較小時,則出現制冷量下降的趨勢。COP也有相應的下降趨勢。

從模擬試驗結果可以得出,在一定的范圍內,此化方案具有可行性。

6 結語

本文根據顯熱、濕火積轉換原理,對熱濕傳遞過程進行了分析,發現在焓濕圖中濕空氣沿飽和狀態線進行除濕,功耗zui小。提出了調溫除濕機的節能化方案,即在調溫除濕機中,在蒸發器前增加一個冷卻盤管,對濕空氣進行預冷降溫,使濕空氣沿接近飽和狀態線進行除濕。通過仿真模擬,得出模型適用工況為冷水溫度在18~25 ℃之間時,冷水可以通過冷卻盤管對空氣進行預冷降溫,風冷冷凝器的調溫溫度范圍在15~37.5 ℃之間。此化方案對濕空氣進行降溫再除濕,且系統出風空氣的溫度和濕度可以根據需求單調節,從而減少能耗,提高調溫除濕機的適應性,達到節能的目的。


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