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对空调扇帘布式水气化制冷效果的分析

2017年2月24日 上午7:28

空调扇是介于电扇与空调之间的一种通风产品适合于在炎夏季节使用,尤其是在干燥酷热的北方地区使用。空调扇虽有风量小、制冷量小的缺点;但具有增加湿度、过滤除尘、清凉送风等优点,所以空调扇虽几经沉浮尚有顽强的市场生命力。从目前市售的空调扇产品上来看,虽外形各异而致冷的方法基本相同,即采用帘布式水气化制冷的方法。那么影响帘布式水气化制冷效果的因素有哪些?如何改进可以提高空调扇的水气化制冷效果呢?下面笔者就此问题作如下一些分析。 2空调扇帘布式水气化制冷的概念
帘布式空调扇内部最常见的两种结构如图1和图2所示。当横流风机(又称贯流)转动时,风按图示箭头方向穿过帘布层带走部分水气,再经风机吹送出。水的蒸发气化过程是一个吸热的物理过程,水从周边的空气中吸收热量令周边空气温度下降,同时使风的湿度增加。在笔者所在地杭州,夏季晴朗的日子里室内相对湿度一般在55%~65%之间。如果空调扇出风口的相对湿度在75%左右,这样的风就会令人感到清凉舒适。但空调扇的出风量较小,以直径120mm、长240mm叶轮在输入功率50w四极异步电机驱动下为例,其出风口风速为5.5m/s所产生的风量为5m3/min,该风量仅是250mm普通电扇的1/6;加上水的气化量单靠自然蒸发,蒸发量较少,故制冷效果并不理想。实测出风口温度仅比环境温度低0.5℃-1℃。
3空调扇配备冰晶盒对制冷效果的影响
有很多空调扇厂家为了提高制冷效果,往往配售冰晶盒。根据实验,笔者认为增用冰晶盒并不能有效地提高制冷效果,数据分析如下:(1)一般帘布式空调扇水的气化量每小时仅为80~100g(2)风机起动一段时间后水箱水温会从35℃(夏季)降至26℃~28℃。(3)加用冰晶盒后水气化量降至80g/h以下,水温下降度数几乎与上相近。为什么呢?假设将空调扇的机箱作为一个绝热体,在不加用冰晶盒时,似乎是流经的空气释放了部分热量(Q1),而水气化所需气化热(Q3)即为Q1并随空气流出,可以说这是一个等焓过程。但事实是,水气化所需气化热(Q3)初时不仅从空气流中吸取热量还从水中吸取热量(Q2)即Q1 Q2=Q3。由于水的热传导系数大于空气的热传导系数,所以最初水箱水温迅速下降。当空气向机内水气化传递的热量正好等于水气化所需热量即达到动态平衡时,水温便不再下降,且此时Q1≈Q3。如果机内水气化量很大以至流经的空气吸取水气能达到饱和状态(即相对湿度达100%),此时空气流的温度将下降到与水温一致26℃~28℃。这是非常诱人的结果。当然,因多种原因这在实际上是达不到的。但是加用冰晶盒后,水所提供的气化热(Q2)有一部分被冰晶盒所夺取使水温降低,引起水气化量减少,反过来却使水温的进一步降低受到了限制(水温几与不置冰晶盒时相近)。因此增用冰晶盒不能有效地提高制冷效果。
4空调扇帘布式水气化制冷的原理及提高制冷效果的改进措施
帘布式空调扇制冷效果不理想的根本原因在于水气化量少造成。因此,可以通过提高水气化量,阻断水箱水温下降迫使空气流输出更多的能量(Q1)来提高制冷效果。目前常用的一种增加气化量方法是采用蜂窝状纸质层代替平帘布层,其目的是通过增加蒸发面积加大蒸发量以提高制冷效果。然而,由于仅靠自然蒸发没有额外能量提供所产生的制冷效果还是不理想。
为了提高空调扇的降温、增湿效果,笔者曾尝试用喷射雾化及超声波雾化加大水气化量的方法取得了较好效果。其中喷射雾化实施难度大于超声波雾化,关键是喷射雾化机构复杂且噪音难以控制、雾化均匀度较差。下面笔者以一空调扇(KTF-100型)为例对超声波雾化(增大气化量)制冷方法作一介绍:
采用浮箱式超声波雾化制冷空调扇结构如图3所示。该机构中最主要、也是最巧妙的采用了圆罐形浮箱,浮箱内置压电陶瓷震荡器元件。震荡晶振片为36V、0.8A、频率1.74MHz、Φ25mm陶瓷片。震荡器采用LC三点式震荡电路。浮箱盖为金属铝压铸件,该件可以起到密封与散热两重作用。浮箱有两耳孔置于水箱两定位立柱中,浮箱能顺着立柱随水位高低而上下浮动。
设计浮箱体积时,应注意使浮箱上表面低于水面,距离保持在20~25mm之间,以保证压电片的最佳工作状态。图中设置的内网架既是集雾室,也起到阻挡压电片工作时所激起的水滴外溅的作用。为了减少白色水雾因来不及充分气化随风逸出影响制冷效果,故在内网架上又覆盖一层锦纶纱网帘布来延缓气流逸出速度以利于水雾充分气化。在试验中,我们发现采用超声波雾化方法在使水变成了雾的同时,由于提供了额外能量,水箱水温不仅不降反而比常温时提高0.5℃。所以在雾离开水体进一步气化时所需的气化热(Q3)无法再从水中获得,只得全部向周围空气中取得,因而提高了制冷效果。假如能使超声雾化量保持足够多,令出风口气流的相对湿度达80%以上,那么送出的气流降温比较明显。本文所例举的空调扇其气化量大于500ml/h,最大风量15m3/min,在环境室温35℃、相对湿度55%时,在出风口测得的温度一般可比室温低3.5℃~5℃左右。这里所指的气化量(500ml/h)是指实际的水消耗量而非雾化量,事实上产生的雾化量大于气化量,未气化的大颗水雾返回水里。这里的过程是水—雾—气过程,而非自然的水—气过程。
空调扇的能量交换在理想状态下(即将空调扇整体作为一个定压绝热体看待)是一个等焓过程,可以按以下方程进行计算:
H1 H′=H2
其中:H1为进入空调扇空气流所具有的焓,(kJ/kg绝干空气);H′为水气水所带入的焓,(kJ/kg.℃),该项值很小可以忽略不计;H2为流出空调扇空气流所具有的焓,(kJ/kg绝干空气);故可以认为
H1=H2……(1)。
而H1=1.01t1 (2490 1.88t1)d1……(2)
其中t1、d1为空气流在H1状态时的温度与含湿量,(kg水气/kg绝干空气)。
H2=1.01t2 (2490 1.88t2)d2……(3)
其中t2、d2为空气流在H2状态时的温度与含湿量,(kg水气/kg绝干空气)。
另外2490(kJ/kg)是水在0℃时的气化热;1.01(kJ/kg绝干空气.℃)是绝干空气的定压比热容;1.88(kJ/kg水气.℃)是水气的定压比热容。又设:t2-t1=Δtd2-d1=Δd
将此两式及(2)、(3)式均代入(1)式。
经化简可得下式:
Δt=-(1.88t1 2500)Δd/(1.01 1.88d1 1.88Δd)……(4),
显然Δt是Δd的函数。
现再将上面所例举的空调扇数据按所列方程进行如下计算:
可以从有关焓-湿图中查到35℃时饱和蒸气压Ps=5.62KPa,则可求得此时相对湿度φ=55%的含湿量d1。
d1=0.622φ.Ps/(Pt-φ.Ps)=0.622×0.55×5.62/(101.3-0.55×5.62)=0.0196kg/kg
空气比容V按下求得
V=(0.733 1.244d1)(ti 273)/273=(0.733 1.244×0.0196)×(35 273)/273=0.91m3/kg,这里的d1、ti、是暂定值以便于计算,尚可以用逼近法进一步精确计算。
又从气化量0.5kg/h可得0.14.10-3kg水气/s,从风量5m3/min可得0.083m3/s
故而可折算出气化后的增湿量:Δd=0.14.10-3×0.91/0.083=1.535.10-3(kg水气/kg绝干空气)
将这些数据带入(4)式可计算得
Δt=-(1.88×35 2490)×0.00154/[1.88(0.0196 0.00154) 1.01]=-3.8(℃)
计算所得值与实际测试值(降温3.5℃)相近。
同时可从方程d2=0.622φ2.Ps2/(Pt-φ2.Ps2),求得流出空调扇空气流的相对湿度φ2=73%(焓-湿图中查到31.2℃时饱和蒸气压Ps2=4.55KPa,d2=Δd d1=0.0211kg水气/kg绝干空气)。
显然,可以进一步的加大雾化量可取得更好的降温效果,例如将相对湿度提高到85%左右。但是应注意雾的充分气化。

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