移动空调节能及冷凝水排除控制技术研究和应用

鹿红伟 郑学利 刘忠民

(海信科龙空调有限公司,广东顺德528303)

0 前言

由于移动式空调器 (以下简称移动空调)与传统的分体式空调器、窗式空调器相比较,具有安装、拆卸便捷的特点,其机壳底座安装了4个方向脚轮,可使空调随心所 “移”,让凉爽跟着跑,使用起来极其方便,所以已越来越受到消费者们的青睐,市场前景十分广阔,全球市场需求在300万台左右。目前,我国是世界上最大的移动空调的生产国和出口国,主销北美、欧洲、澳洲、东南亚等国家及地区,其中主要品牌有:Delonghi、Whirlpool、GE、LG、Sunpentown、Sharp等等。

近年来面对环保及能源短缺问题,世界各国争相推出和签署相关协议,制定相关的产品标准。产品环保方面,许多发达国家都在 《蒙特利尔议定书》的基础上提前实施空调环保工质的替代,欧洲率先,北美急追,直卷全球。产品节能方面,在欧洲推出实施EN14511标准及严格的能效等级划分标准;在北美制定Energy-Star标准,并不断地修订提高要求,其移动空调标准正处于起草和咨询阶段;在中国实施 《房间空气调节器能效限定值及能源效率等级》标准,关于移动空调的 《移动空调通用技术要求》已提上了审批程序,因此这些标准的出台或提高都大幅度提高家电产品准入市场的门槛。有见及此,节能环保型的移动空调成为市场上极其需要的新宠儿。如今,移动空调如何合理利用蒸发器产生的冷凝水使整机能效提高,如何妥善处理冷凝水使整机连续工作,已成为各大制造厂商争相研究和攻克的重要课题。

海信科龙空调有限公司对移动空调进行了 “冷凝水二次分流喷淋技术”、“冷凝水排除控制技术”、“水满自溢设计”、“上、下风道优化技术”、“上导风腔优化技术”、“热泵型制热技术”多项技术的研究和应用,使移动空调的能效比和冷凝水排除能力得到了很大的提高。与此同时制冷系统采用R410A环保冷媒,满足市场的要求。

1 冷凝水二次分流喷淋技术

目前市场上移动空调的冷凝水处理方式大体分为以下两种:

第一种是移动空调的冷凝水直接或经过冷凝器一次蒸发后聚集在专门配备在空调器底部的水箱内,直至水箱内水位达到水满水位后为止。该装置的不足是:无法对水箱内聚集的冷凝水进行循环利用。

另一种是移动空调内配备一个冷凝水喷淋循环系统,利用水泵将接水盘中收集到的冷凝水循环喷淋到冷凝器进行蒸发。充分利用空调器自身在制冷时产生的大量冷凝水来提高冷凝器的换热能力,从而达到提高整机的能效比的作用。该装置的不足是:由于喷淋装置只能对冷凝水进行一次喷淋分配,装置如图1,由于喷淋装置对冷凝水的流向和范围没有规定,因而导致喷淋装置对冷凝水的分配不均匀,从而较大地影响了室外热交换器的换热能力的提高。

本技术设计的喷淋装置设有一个分流槽,这样冷凝水进入进水口后首先通过一次分流槽进行分流后才进行二次分配,这样从根本上避免了由于喷淋装置内部的尺寸较大,而导致喷淋分配时的水压分配不均匀的问题。而隔离筋则将喷淋装置内的小孔分为几块区域,若干一次分流槽排水孔则对应着每一个由隔离筋隔离成的区域。这样就从结构上规定了从一次分流槽排水孔排出的冷凝水的流向和区域,避免了冷凝水局部集中和部分没水等分布不均的问题,从而最大程度上保证每块区域内的喷淋小孔都能均匀地排水。

与现有技术相比,冷凝水二次分流喷淋技术具有以下优点:

1)通过结构上的创新设计,使用二次分流技术,有效地均匀了喷淋分配时的水压。

图1 普通一次喷淋装置

图2 海信科龙二次分流喷淋装置

2)通过结构上的设计从根本上规定了冷凝水的流向和范围。

3)在实现对冷凝水进行二次分配的同时又能均匀冷凝水的分配,并将室外热交换器的换热能力同比提高了15%。

该技术已申请了国家专利。

2 冷凝水排除控制技术

移动空调在制冷运行时蒸发器上会产生冷凝水。目前市场上的移动空调的冷凝水排除主要采用以下两种方法:一种是直接采用水箱来收集空调器产生的冷凝水。由于水箱的体积有限,所以在水满时需要经常人工排水才能正常工作,凝露工况时典型的水满时间为1～2小时,用户使用极为不便。另一种是安装冷凝水处理装置,使蒸发器产生的冷凝水通过喷淋装置流经冷凝器后再进入水箱,并可通过水泵再将水箱中的冷凝水抽到喷淋装置循环喷淋,使部分冷凝水在冷凝器上被蒸发并随排风管排到室外。这一方案延长了水箱水满时间,但凝露工况时冷凝水排出速度小于产生速度,最终仍将出现水箱水满问题需要人工排水处理,典型的水满时间为2～4小时。

本技术是一种通过对冷凝器风量进行调节来彻底解决冷凝水排除问题的移动空调。它根据水箱中贮水量的多少来改变移动空调冷凝器循环风量以调节冷凝温度,进而控制冷凝水排出速度,使水箱不会出现水满情况,不需要人工排水。

该系统主要由以下几部分组成:制冷系统、喷淋循环系统、电控系统和风扇系统。

制冷系统包括压缩机、冷凝器、节流部件和蒸发器。

喷淋循环系统包括水箱、水泵、水位控制器和水管。

风扇系统包括电机、风扇和排风管。

本技术方案的移动空调的蒸发器位于冷凝器的上方。蒸发器所产生的冷凝水自上而下流到冷凝器上,可以增强冷凝器的换热效率。由于压缩机排气温度和冷凝器的冷凝温度较高,部分冷凝水被蒸发后随排风管排到室外,未蒸发的冷凝水向下流入水箱。当水箱的水位达到设定的喷淋水位时,水位控制器启动水泵将水箱中的水再泵送到冷凝器内进行循环。如前所述,虽然采用喷淋循环系统,但由于冷凝水排出速度小于产生速度,水箱水位仍然会不断上升。

本技术方案的移动空调的水箱水位达到设定的排水水位时,或水位持续高于喷淋水位达到设定的时间后,水位控制器向电控系统发出信号,系统进入强排模式运行。电控系统启动水泵进行喷淋循环,并通过调节冷凝器风扇电机转速来减小冷凝器的进风量,使制冷系统的冷凝温度上升,从而提高了冷凝水的蒸发和排出速度。当冷凝水的排出速度大于产生速度时,冷凝水不断被蒸发并通过排风管排到室外,水箱水位逐渐下降。当水箱水位低于设定的喷淋水位时,系统退出强排模式转为正常运行。因此,本技术所推广的移动空调可以通过强排模式运行控制冷凝水排出速度,使水箱不会出现水满情况,不需要人工排水。

本技术方案的移动空调,与现有技术相比具有以下优点:

1)通过对冷凝水排出速度的控制,使空调器不再发生水满问题,彻底解决了需要人工排水的问题。使该款移动空调具备了在高温、高湿等恶劣工况下正常运行的能力。根据在凝露工况下的数据表明:该机能连续运行超过72小时而不出现水满报警的停机现象 (如图3),极大地满足了用户全天候使用的要求。

2)通过冷凝水喷淋循环系统,可以增强冷凝器的换热效率,降低空调器的运行功率,同比提高整机的能效比10%以上。

该技术已申请了国家专利。

A-系列1为10台普通移动空调测试时间B-系列2为10台新款移动空调测试时间

3 水满自溢设计

为了保证移动空调在极度潮湿的环境也能够长时间制冷运行,海信科龙公司在移动式空调器上设计了水箱用于储存未能通过喷淋蒸发掉的多余水量。但机器如何识别极度潮湿的环境,冷凝水又如何 “智能”的流进水箱,成为各大制造厂研究和攻克的重要难题。

目前,现有的技术有两种就是电子控制和机械控制。电子控制是通过湿敏电阻检测环境的相对湿度,当相对湿度超过设定的值时打开水路中通往水箱的电子阀门,冷凝水进入水箱,该种控制精确可靠,但成本高。机械控制一般是通过底盘浮子的机械运动控制水路,当底盘水位高时,浮子通过连杆就触动阀片,冷凝水进入水箱,该种控制虽然成本低,但可靠性差。

海信科龙公司设计了水满自溢装置 (如图4),让部分冷凝水先流进一个小水桶,再通过水桶的孔流进喷淋装置。由于水桶底部出水孔径小,移动空调在极度潮湿的环境下喷淋系统的水量会很大,此时水桶的进水量大于出水量使水位不断上涨,当水桶水位高于水桶的边缘时,水自动溢出,流向水箱。

水满自溢设计的优点:

1)不采用电子阀门,成本低,耗材少,对环保有贡献。

2)避免了复杂的机械运动,使产品可靠。

该技术已申请了国家专利。

图4 水满自溢设计示意图

4 上、下风道优化技术

目前由于室内、外风量的限制,使得整机的能效比很难满足国际能效的要求。

大家知道:我们现在的产品设计,其整机的外形尺寸必须严格满足客户以及整机装箱量的要求。而如何在尽量保证现有整机装箱量的基础上,有效地提高室内、外侧的风量,已成为我们设计中的一个难题。要保证整机的装箱量,那么室内、外侧进风面积,也就是蒸发器和冷凝器的大小就只能保持不变。所以我们只有把重点放在对风道曲线的优化上。

图5 蜗壳流量计算用图

我们首先绘制风道曲线,然后再做手板进行摸底测试。

曲线的推导基于基本假设:

1)蜗壳上不同截面上流过的流量Qφ与该截面和蜗壳起始截面之间所形成的夹角 φ成正比,如图5所示,即

2)已知气流进入蜗壳不再获得能量,当不计壁面摩擦对气流的作用时,则气流的动量保持不变。即蜗壳内任意截面上的气流圆周分速度V与其所在半径R的乘积保持不变,即

根据上述假设来推导蜗壳内壁型线。蜗壳宽B保持不变,其间均为气流所充满,则在角度 φ截面上的流量等于该截面乘其速度,即

将式 (2)代入后,并解此方程,求出Rφ

将式 (1)代入上式,则得:

式 (4)表明:蜗壳内壁型线为一条对数螺旋线。对应于每一个角度 φ值,可得到一个相应的半径Rφ值,将各点连接起来便是蜗壳壁型线。

上述曲线作图时不够简便,因而设计中一般采用近似作图法,即把蜗壳的型线用几段圆弧构成的近似曲线代替。实际上,蜗壳的尺寸和张开度A有关。

对于我们的空调器,因等比转数较低,采用第一项便可,因后面项数占的比例较少,即

式 (9)就是阿基米德螺旋线方程。

由式 (8),得蜗壳张开度A为:

根据以上的计算,并结合实际的经验,我们采用9点圆划法来模拟阿基米德螺旋线来设计蜗壳曲线,如图7:

1)以A-为递增半径,化9个圆;

3)以3个相应圆与线的交点为顶点,化出4条弧线,即得出蜗壳曲线。

在确定风道曲线后,接下来我们再确定导流圈以及风道的厚度。

风扇前面的宽度越小越好,这样进气口的蜗流较小。一般采用套口形式比对口形式要好。但由于套口制作和装配比对口工艺要求高。我们一般采用对口。考虑到零件的制作和装配公差,对口前面的间隙设计一般为8～10mm。

后面的宽度也不宜过大,宽度小些,气体离开叶轮后通道面积突然扩大程度小些,相应的损失也小些。而张开度A大时,螺旋平面的通道大,相应减少自叶轮抛出的颗粒质点对风道内壁的撞击,我们一般取10mm。

图6 九点法示意图

完成蜗壳曲线的优化后,在结合使用大叶片的高效离心风扇和大直径的通风管道,经过手板样机测试后发现能有效地提高室内、外系统的风量。室内风量同比提高了50%,室外风量同比提高了60%。而同比整机的装箱量仅减少不够9%。

5 上导风腔优化技术

移动空调的上导风腔用于衔接上风道和出风口,由于其形状直接影响风量和噪音,我们通过对上导风腔系统采用数值模拟,可以发现原有上导风腔存在明显的涡流区。我们对上导风腔的结构进行优化,将现有的直排式结构改为弧线式结构,并通过手板样机和使用烟尘示踪试验方法进行验证,有效地减少了涡流区并提高了上导风腔的送风效率。与原型机相比,在噪音几乎不变的情况下,风量提高近10%,显著提高了换热器空气侧的换热效率,并为产品的开发积累了大量的数据,对普通机的生产开发提供了可靠的指导依据。

通过上导风腔的结构优化,我们减小了常见的乱流和紊流产生区,既有效地提高了上导风腔的送风效率,又有效地控制了噪音。

6 热泵型制热技术

目前市场上冷暖型的移动空调是以PTC电加热为主,其制热量和能效都很低。一般制热量为1200W(即4094Btu/h),能效小于1(理论上等于1,发热量与输入功率相等)。热泵型制热技术是制冷系统通过四通阀切换冷媒流动的方向,使蒸发和冷凝器角色互换,实现室内侧送热风,其制热量大,能效比高。

7 应用

对于以上多项技术和优化设计,我们海信科龙新开发的移动空调都得到很好的应用,同时其制冷系统采用了R410A环保冷媒。通过型式试验和长时间的可靠性试验验证,运用了上述的新技术和优化设计后的移动空调各项主要的性能指标优于同行同类产品。

以下为海信科龙的新款移动空调与国内外同类产品的主要性能指标的比较:

1)室内、外侧风量和整机能效EER的比较(见表2):

表2 风量和EER比较

2)在凝露工况下水满报警时间的比较 (见表3):

表3 水满报警时间的对比

3)制热量与制热能效COP比较 (见表4):

表4 制热量和COP比较

8 总结

海信科龙通过对移动空调的 “冷凝水二次分流喷淋技术”、“冷凝水排除控制技术”、“水满自溢设计”、“上、下风道优化技术”、“上导风腔优化技术”、“热泵型制热技术”多项技术的研究和应用,使移动空调的能效比和冷凝水排除能力得到了很大的提高,能效比达到欧洲A级,实现在不需要人工排水情况下机器超过72小时不间断连续制冷运行。其技术领先同行,节能环保,引领移动空调的发展潮流。

[1] 周谟仁.流体力学 泵与风机 (第三版)[M].北京:中国建筑工业出版社,301-325

[2] 徐伟.空调能耗及节能方向[J].建设科技,2004,(5):16-17

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[4] Official Journal of the European Communities.COMMISSION DIRECTIVE 2002/31/EC,2002.3

[5] 孔熠.2006版新编风机选型设计实用手册[M].北京:中国知识出版社,2006,3