流體通過風(fēng)機(jī)和水泵等動力輸送裝置溫升問題探討

趙雷昌

中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司

風(fēng)機(jī)、水泵等流體輸送設(shè)備是通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中使用最為廣泛的動力裝置[1]。空氣、水等流體在輸送時，即使不考慮機(jī)殼傳熱導(dǎo)致的冷（熱）量傳遞下，經(jīng)過輸送裝置時也會有一定溫升。在輸送熱空氣、熱水等熱媒時，經(jīng)過輸送裝置的溫升是正效應(yīng)，可以忽略不計。在輸送冷空氣、冷水等冷媒時，經(jīng)過輸送裝置的流體溫升，尤其是為恒溫恒濕空調(diào)或者較高換氣次數(shù)的潔凈空調(diào)服務(wù)時，冷媒經(jīng)過輸送設(shè)備的溫升就不可忽略，需要納入該區(qū)域冷負(fù)荷，在冷源配置時進(jìn)行考慮。

1 經(jīng)過通風(fēng)機(jī)的溫升

風(fēng)機(jī)輸送空氣時，風(fēng)機(jī)機(jī)組的輸入功率為Pi，根據(jù)能量守恒定律，轉(zhuǎn)化能量共分為三部分。第一部分為有效功Pe，使得設(shè)計體積流量的空氣克服沿程阻力和局部阻力，送入設(shè)計房間或區(qū)域內(nèi)。第二部分為風(fēng)機(jī)的能量損失，主要分為機(jī)械損失、容積損失以及流動損失，能量轉(zhuǎn)化路徑為機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能。最后一部分為電動機(jī)轉(zhuǎn)化損失，能量轉(zhuǎn)化路徑為機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能。電動機(jī)與風(fēng)機(jī)之間的傳動損失忽略不計，第一部分與第二部分能量之和為風(fēng)機(jī)的軸功率Ps，軸功率與最后一部分之和為風(fēng)機(jī)機(jī)組的輸入功率，即電機(jī)的輸入功率

根據(jù)上述，假定風(fēng)機(jī)風(fēng)量L，全壓H，得出輸送風(fēng)機(jī)軸功率、配置電機(jī)的輸入功率如下：

式中：p—通風(fēng)機(jī)全壓，P a；L—輸送流體的體積流量，m3/ h；ρ— 空氣的密度，常溫下輸送的空氣取1.2 kg/m3；c a— 空氣比熱容，一般可取1.01 kJ/(kg·℃)；η1－ 通風(fēng)機(jī)的全壓效率；η2－ 電動機(jī)效率；η－電動機(jī)安裝位置修正系數(shù)，當(dāng)電動機(jī)在氣流內(nèi)時為η＝1.0，當(dāng)電動機(jī)在氣流外時，η＝η2。

在不考慮機(jī)殼傳熱導(dǎo)致的冷（熱）量損耗下，假定轉(zhuǎn)化的熱能被經(jīng)過的流體全部吸收轉(zhuǎn)化為溫升。風(fēng)機(jī)電動機(jī)在氣流外時，被空氣吸收的熱量為：

如風(fēng)機(jī)電動機(jī)在氣流內(nèi)時，被空氣吸收的熱量具體為：

單位時間內(nèi)流體吸收的熱量為：

引入電機(jī)位置修正系數(shù)η，單位時間經(jīng)過風(fēng)機(jī)的空氣溫升為：

根據(jù)以上分析，計算出不同風(fēng)壓時，空氣通過風(fēng)機(jī)的溫升值，見表1：

表1 空氣通過通風(fēng)機(jī)的溫升值（℃）

2 通過水泵的溫升

水泵輸送流體時，假定流經(jīng)水泵的質(zhì)量流量為G，揚程為H，得出輸送流體時水泵的軸功率、電機(jī)的輸入功率如下：

式中：H—水泵揚程，m ；G—輸送流體的質(zhì)量流量，（kg/h；c w— 水的比熱容，一般取 4.2×103k J/(kg·℃)；η1－水泵效率；η2－ 電動機(jī)效率；η－電動機(jī)安裝位置修正系數(shù)，當(dāng)電動機(jī)發(fā)熱量不需流體冷卻時η＝η2，當(dāng)電動機(jī)發(fā)熱量需輸送流體冷卻時為η＝1.0。

根據(jù)上節(jié)分析，可以得出，冷水經(jīng)過水泵的溫升情況為：

根據(jù)以上分析，計算出不同揚程時，冷水通過水泵的溫升值，見表 2：

表2 冷水通過水泵的溫升值（℃）

3 流體通過輸送管網(wǎng)的溫升

以上為經(jīng)過風(fēng)機(jī)或水泵的流體溫升，雖然最終而言，風(fēng)機(jī)或水泵電動機(jī)的輸入能耗都轉(zhuǎn)化為輸送流體的溫升，但這是分布在整個輸送管網(wǎng)上。而經(jīng)過輸送設(shè)備的溫升和整個輸送管網(wǎng)的溫升應(yīng)進(jìn)行區(qū)分，空氣經(jīng)過風(fēng)機(jī)或水通過水泵的溫升只是整體溫升的一部分。以冷凍水輸送而言，冷水泵電動機(jī)的輸入功率最終都轉(zhuǎn)化冷水的溫升，即“ 冷水泵的高電耗導(dǎo)致了管網(wǎng)的冷損失”[3]，需要冷水機(jī)組選型時作為附加因素考慮。因此在計算設(shè)備冷負(fù)荷時，需計入整個通風(fēng)系統(tǒng)的空氣溫升。在選擇冷源時，需考慮冷媒在整個管網(wǎng)的溫升。熱媒流經(jīng)動力裝置的溫升為正向效應(yīng)，一般情況下可不予考慮。

經(jīng)過通風(fēng)管網(wǎng)空氣的溫升為：

經(jīng)過計算，在不同風(fēng)壓下，空氣通過通風(fēng)管網(wǎng)的溫升值，見表3：

表3 空氣通過通風(fēng)管網(wǎng)的溫升值（℃）

經(jīng)過計算，在水泵不同揚程下，冷水通過整個輸送管網(wǎng)的溫升值，見表4：

表4 冷水通過輸送管網(wǎng)的溫升值（℃）

4 通過輸送設(shè)備引起的系統(tǒng)冷負(fù)荷附加

4.1 冷風(fēng)經(jīng)過通風(fēng)機(jī)引起的系統(tǒng)冷負(fù)荷附加

對于舒適性空調(diào)的冷風(fēng)的輸送，經(jīng)過通風(fēng)機(jī)引起的冷負(fù)荷一般較小，可以按照表 5 進(jìn)行選用和確定。對于室內(nèi)有溫濕度精度要求的恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)、以及潔凈度要求較高、房間換氣次數(shù)較高的房間，這部分就不能忽略，需要根據(jù)項目參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計算。

本文給出當(dāng)風(fēng)機(jī)效率η1＝ 0.5、電動機(jī)位于輸送氣流內(nèi)時，經(jīng)過通風(fēng)機(jī)引起的冷負(fù)荷附加率，見表5。

表5 經(jīng)過通風(fēng)機(jī)引起的系統(tǒng)冷負(fù)荷附加率（%）

4.2 冷凍水通過水泵引起的系統(tǒng)冷負(fù)荷附加

本文給出當(dāng)水泵效率η1＝ 0.6、電動機(jī)發(fā)熱不需要冷凍水冷卻時，通過水泵引起的冷負(fù)荷附加率，具體見表6。

表6 通過水泵引起的系統(tǒng)冷負(fù)荷附加率（%）

5 總結(jié)

1）本文分析了流體經(jīng)過輸送動力裝置（水泵、風(fēng)機(jī)等）的能量轉(zhuǎn)化及溫升，并給出了計算公式。

2）分析了流體經(jīng)過風(fēng)機(jī)、水泵的溫升和經(jīng)過輸送管網(wǎng)的溫升值的不同，并給出了系統(tǒng)輸送指定溫差下的冷負(fù)荷附加值。

3）對于大風(fēng)量、小溫差的空氣輸送系統(tǒng)，由于經(jīng)過通風(fēng)機(jī)引起的冷負(fù)荷附加不可忽略，需要引起注意。