移動空調節能及冷凝水排除控制技術研究和應用

鹿紅偉 鄭學利 劉忠民

(海信科龍空調有限公司,廣東順德528303)

0 前言

由于移動式空調器 (以下簡稱移動空調)與傳統的分體式空調器、窗式空調器相比較,具有安裝、拆卸便捷的特點,其機殼底座安裝了4個方向腳輪,可使空調隨心所 “移”,讓涼爽跟著跑,使用起來極其方便,所以已越來越受到消費者們的青睞,市場前景十分廣闊,全球市場需求在300萬臺左右。目前,我國是世界上最大的移動空調的生產國和出口國,主銷北美、歐洲、澳洲、東南亞等國家及地區,其中主要品牌有:Delonghi、Whirlpool、GE、LG、Sunpentown、Sharp等等。

近年來面對環保及能源短缺問題,世界各國爭相推出和簽署相關協議,制定相關的產品標準。產品環保方面,許多發達國家都在 《蒙特利爾議定書》的基礎上提前實施空調環保工質的替代,歐洲率先,北美急追,直卷全球。產品節能方面,在歐洲推出實施EN14511標準及嚴格的能效等級劃分標準;在北美制定Energy-Star標準,并不斷地修訂提高要求,其移動空調標準正處于起草和咨詢階段;在中國實施 《房間空氣調節器能效限定值及能源效率等級》標準,關于移動空調的 《移動空調通用技術要求》已提上了審批程序,因此這些標準的出臺或提高都大幅度提高家電產品準入市場的門檻。有見及此,節能環保型的移動空調成為市場上極其需要的新寵兒。如今,移動空調如何合理利用蒸發器產生的冷凝水使整機能效提高,如何妥善處理冷凝水使整機連續工作,已成為各大制造廠商爭相研究和攻克的重要課題。

海信科龍空調有限公司對移動空調進行了 “冷凝水二次分流噴淋技術”、“冷凝水排除控制技術”、“水滿自溢設計”、“上、下風道優化技術”、“上導風腔優化技術”、“熱泵型制熱技術”多項技術的研究和應用,使移動空調的能效比和冷凝水排除能力得到了很大的提高。與此同時制冷系統采用R410A環保冷媒,滿足市場的要求。

1 冷凝水二次分流噴淋技術

目前市場上移動空調的冷凝水處理方式大體分為以下兩種:

第一種是移動空調的冷凝水直接或經過冷凝器一次蒸發后聚集在專門配備在空調器底部的水箱內,直至水箱內水位達到水滿水位后為止。該裝置的不足是:無法對水箱內聚集的冷凝水進行循環利用。

另一種是移動空調內配備一個冷凝水噴淋循環系統,利用水泵將接水盤中收集到的冷凝水循環噴淋到冷凝器進行蒸發。充分利用空調器自身在制冷時產生的大量冷凝水來提高冷凝器的換熱能力,從而達到提高整機的能效比的作用。該裝置的不足是:由于噴淋裝置只能對冷凝水進行一次噴淋分配,裝置如圖1,由于噴淋裝置對冷凝水的流向和范圍沒有規定,因而導致噴淋裝置對冷凝水的分配不均勻,從而較大地影響了室外熱交換器的換熱能力的提高。

本技術設計的噴淋裝置設有一個分流槽,這樣冷凝水進入進水口后首先通過一次分流槽進行分流后才進行二次分配,這樣從根本上避免了由于噴淋裝置內部的尺寸較大,而導致噴淋分配時的水壓分配不均勻的問題。而隔離筋則將噴淋裝置內的小孔分為幾塊區域,若干一次分流槽排水孔則對應著每一個由隔離筋隔離成的區域。這樣就從結構上規定了從一次分流槽排水孔排出的冷凝水的流向和區域,避免了冷凝水局部集中和部分沒水等分布不均的問題,從而最大程度上保證每塊區域內的噴淋小孔都能均勻地排水。

與現有技術相比,冷凝水二次分流噴淋技術具有以下優點:

1)通過結構上的創新設計,使用二次分流技術,有效地均勻了噴淋分配時的水壓。

圖1 普通一次噴淋裝置

圖2 海信科龍二次分流噴淋裝置

2)通過結構上的設計從根本上規定了冷凝水的流向和范圍。

3)在實現對冷凝水進行二次分配的同時又能均勻冷凝水的分配,并將室外熱交換器的換熱能力同比提高了15%。

該技術已申請了國家專利。

2 冷凝水排除控制技術

移動空調在制冷運行時蒸發器上會產生冷凝水。目前市場上的移動空調的冷凝水排除主要采用以下兩種方法:一種是直接采用水箱來收集空調器產生的冷凝水。由于水箱的體積有限,所以在水滿時需要經常人工排水才能正常工作,凝露工況時典型的水滿時間為1～2小時,用戶使用極為不便。另一種是安裝冷凝水處理裝置,使蒸發器產生的冷凝水通過噴淋裝置流經冷凝器后再進入水箱,并可通過水泵再將水箱中的冷凝水抽到噴淋裝置循環噴淋,使部分冷凝水在冷凝器上被蒸發并隨排風管排到室外。這一方案延長了水箱水滿時間,但凝露工況時冷凝水排出速度小于產生速度,最終仍將出現水箱水滿問題需要人工排水處理,典型的水滿時間為2～4小時。

本技術是一種通過對冷凝器風量進行調節來徹底解決冷凝水排除問題的移動空調。它根據水箱中貯水量的多少來改變移動空調冷凝器循環風量以調節冷凝溫度,進而控制冷凝水排出速度,使水箱不會出現水滿情況,不需要人工排水。

該系統主要由以下幾部分組成:制冷系統、噴淋循環系統、電控系統和風扇系統。

制冷系統包括壓縮機、冷凝器、節流部件和蒸發器。

噴淋循環系統包括水箱、水泵、水位控制器和水管。

風扇系統包括電機、風扇和排風管。

本技術方案的移動空調的蒸發器位于冷凝器的上方。蒸發器所產生的冷凝水自上而下流到冷凝器上,可以增強冷凝器的換熱效率。由于壓縮機排氣溫度和冷凝器的冷凝溫度較高,部分冷凝水被蒸發后隨排風管排到室外,未蒸發的冷凝水向下流入水箱。當水箱的水位達到設定的噴淋水位時,水位控制器啟動水泵將水箱中的水再泵送到冷凝器內進行循環。如前所述,雖然采用噴淋循環系統,但由于冷凝水排出速度小于產生速度,水箱水位仍然會不斷上升。

本技術方案的移動空調的水箱水位達到設定的排水水位時,或水位持續高于噴淋水位達到設定的時間后,水位控制器向電控系統發出信號,系統進入強排模式運行。電控系統啟動水泵進行噴淋循環,并通過調節冷凝器風扇電機轉速來減小冷凝器的進風量,使制冷系統的冷凝溫度上升,從而提高了冷凝水的蒸發和排出速度。當冷凝水的排出速度大于產生速度時,冷凝水不斷被蒸發并通過排風管排到室外,水箱水位逐漸下降。當水箱水位低于設定的噴淋水位時,系統退出強排模式轉為正常運行。因此,本技術所推廣的移動空調可以通過強排模式運行控制冷凝水排出速度,使水箱不會出現水滿情況,不需要人工排水。

本技術方案的移動空調,與現有技術相比具有以下優點:

1)通過對冷凝水排出速度的控制,使空調器不再發生水滿問題,徹底解決了需要人工排水的問題。使該款移動空調具備了在高溫、高濕等惡劣工況下正常運行的能力。根據在凝露工況下的數據表明:該機能連續運行超過72小時而不出現水滿報警的停機現象 (如圖3),極大地滿足了用戶全天候使用的要求。

2)通過冷凝水噴淋循環系統,可以增強冷凝器的換熱效率,降低空調器的運行功率,同比提高整機的能效比10%以上。

該技術已申請了國家專利。

A-系列1為10臺普通移動空調測試時間B-系列2為10臺新款移動空調測試時間

3 水滿自溢設計

為了保證移動空調在極度潮濕的環境也能夠長時間制冷運行,海信科龍公司在移動式空調器上設計了水箱用于儲存未能通過噴淋蒸發掉的多余水量。但機器如何識別極度潮濕的環境,冷凝水又如何 “智能”的流進水箱,成為各大制造廠研究和攻克的重要難題。

目前,現有的技術有兩種就是電子控制和機械控制。電子控制是通過濕敏電阻檢測環境的相對濕度,當相對濕度超過設定的值時打開水路中通往水箱的電子閥門,冷凝水進入水箱,該種控制精確可靠,但成本高。機械控制一般是通過底盤浮子的機械運動控制水路,當底盤水位高時,浮子通過連桿就觸動閥片,冷凝水進入水箱,該種控制雖然成本低,但可靠性差。

海信科龍公司設計了水滿自溢裝置 (如圖4),讓部分冷凝水先流進一個小水桶,再通過水桶的孔流進噴淋裝置。由于水桶底部出水孔徑小,移動空調在極度潮濕的環境下噴淋系統的水量會很大,此時水桶的進水量大于出水量使水位不斷上漲,當水桶水位高于水桶的邊緣時,水自動溢出,流向水箱。

水滿自溢設計的優點:

1)不采用電子閥門,成本低,耗材少,對環保有貢獻。

2)避免了復雜的機械運動,使產品可靠。

該技術已申請了國家專利。

圖4 水滿自溢設計示意圖

4 上、下風道優化技術

目前由于室內、外風量的限制,使得整機的能效比很難滿足國際能效的要求。

大家知道:我們現在的產品設計,其整機的外形尺寸必須嚴格滿足客戶以及整機裝箱量的要求。而如何在盡量保證現有整機裝箱量的基礎上,有效地提高室內、外側的風量,已成為我們設計中的一個難題。要保證整機的裝箱量,那么室內、外側進風面積,也就是蒸發器和冷凝器的大小就只能保持不變。所以我們只有把重點放在對風道曲線的優化上。

圖5 蝸殼流量計算用圖

我們首先繪制風道曲線,然后再做手板進行摸底測試。

曲線的推導基于基本假設:

1)蝸殼上不同截面上流過的流量Qφ與該截面和蝸殼起始截面之間所形成的夾角 φ成正比,如圖5所示,即

2)已知氣流進入蝸殼不再獲得能量,當不計壁面摩擦對氣流的作用時,則氣流的動量保持不變。即蝸殼內任意截面上的氣流圓周分速度V與其所在半徑R的乘積保持不變,即

根據上述假設來推導蝸殼內壁型線。蝸殼寬B保持不變,其間均為氣流所充滿,則在角度 φ截面上的流量等于該截面乘其速度,即

將式 (2)代入后,并解此方程,求出Rφ

將式 (1)代入上式,則得:

式 (4)表明:蝸殼內壁型線為一條對數螺旋線。對應于每一個角度 φ值,可得到一個相應的半徑Rφ值,將各點連接起來便是蝸殼壁型線。

上述曲線作圖時不夠簡便,因而設計中一般采用近似作圖法,即把蝸殼的型線用幾段圓弧構成的近似曲線代替。實際上,蝸殼的尺寸和張開度A有關。

對于我們的空調器,因等比轉數較低,采用第一項便可,因后面項數占的比例較少,即

式 (9)就是阿基米德螺旋線方程。

由式 (8),得蝸殼張開度A為:

根據以上的計算,并結合實際的經驗,我們采用9點圓劃法來模擬阿基米德螺旋線來設計蝸殼曲線,如圖7:

1)以A-為遞增半徑,化9個圓;

3)以3個相應圓與線的交點為頂點,化出4條弧線,即得出蝸殼曲線。

在確定風道曲線后,接下來我們再確定導流圈以及風道的厚度。

風扇前面的寬度越小越好,這樣進氣口的蝸流較小。一般采用套口形式比對口形式要好。但由于套口制作和裝配比對口工藝要求高。我們一般采用對口。考慮到零件的制作和裝配公差,對口前面的間隙設計一般為8～10mm。

后面的寬度也不宜過大,寬度小些,氣體離開葉輪后通道面積突然擴大程度小些,相應的損失也小些。而張開度A大時,螺旋平面的通道大,相應減少自葉輪拋出的顆粒質點對風道內壁的撞擊,我們一般取10mm。

圖6 九點法示意圖

完成蝸殼曲線的優化后,在結合使用大葉片的高效離心風扇和大直徑的通風管道,經過手板樣機測試后發現能有效地提高室內、外系統的風量。室內風量同比提高了50%,室外風量同比提高了60%。而同比整機的裝箱量僅減少不夠9%。

5 上導風腔優化技術

移動空調的上導風腔用于銜接上風道和出風口,由于其形狀直接影響風量和噪音,我們通過對上導風腔系統采用數值模擬,可以發現原有上導風腔存在明顯的渦流區。我們對上導風腔的結構進行優化,將現有的直排式結構改為弧線式結構,并通過手板樣機和使用煙塵示蹤試驗方法進行驗證,有效地減少了渦流區并提高了上導風腔的送風效率。與原型機相比,在噪音幾乎不變的情況下,風量提高近10%,顯著提高了換熱器空氣側的換熱效率,并為產品的開發積累了大量的數據,對普通機的生產開發提供了可靠的指導依據。

通過上導風腔的結構優化,我們減小了常見的亂流和紊流產生區,既有效地提高了上導風腔的送風效率,又有效地控制了噪音。

6 熱泵型制熱技術

目前市場上冷暖型的移動空調是以PTC電加熱為主,其制熱量和能效都很低。一般制熱量為1200W(即4094Btu/h),能效小于1(理論上等于1,發熱量與輸入功率相等)。熱泵型制熱技術是制冷系統通過四通閥切換冷媒流動的方向,使蒸發和冷凝器角色互換,實現室內側送熱風,其制熱量大,能效比高。

7 應用

對于以上多項技術和優化設計,我們海信科龍新開發的移動空調都得到很好的應用,同時其制冷系統采用了R410A環保冷媒。通過型式試驗和長時間的可靠性試驗驗證,運用了上述的新技術和優化設計后的移動空調各項主要的性能指標優于同行同類產品。

以下為海信科龍的新款移動空調與國內外同類產品的主要性能指標的比較:

1)室內、外側風量和整機能效EER的比較(見表2):

表2 風量和EER比較

2)在凝露工況下水滿報警時間的比較 (見表3):

表3 水滿報警時間的對比

3)制熱量與制熱能效COP比較 (見表4):

表4 制熱量和COP比較

8 總結

海信科龍通過對移動空調的 “冷凝水二次分流噴淋技術”、“冷凝水排除控制技術”、“水滿自溢設計”、“上、下風道優化技術”、“上導風腔優化技術”、“熱泵型制熱技術”多項技術的研究和應用,使移動空調的能效比和冷凝水排除能力得到了很大的提高,能效比達到歐洲A級,實現在不需要人工排水情況下機器超過72小時不間斷連續制冷運行。其技術領先同行,節能環保,引領移動空調的發展潮流。

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