冷凝器流程优化对移动空调冷凝水利用的实验研究

赖旭东 王美霞 麦明辉 刘丹华

海信家电集团股份有限公司 广东佛山 528300

0 引言

家用房间空调器按其结构可划分为分体式和整体式。在我国，分体式家用空调因其噪声低，制冷效果及舒适性表现出色而受到消费者的青睐。但整体式房间空调器具有体积小、安装方便及成本低的特点，也发挥着重要作用。在欧美国家及我国香港地区，由于分体式家用空调昂贵的人工安装费用，使得整体式房间空调器拥有较高的市场占有率[1]。移动空调作为典型的整体式家用房间空调器，有整机噪声大、能效差等缺点，且其冷凝水排除能力问题也是限制移动空调发展的公认技术难题之一。

在移动空调运行过程中，蒸发器产生的冷凝水通过中间接水盘流到底盘集水槽内，无法直接排到室外。如果任凭集水槽内冷凝水不断累积，移动空调很快就会满水停机。为此，有研究者通过设计冷凝水喷淋系统、水箱系统及打水系统等方式优化移动空调冷凝水的排除[2,3,4]能力。其中采用打水轮的打水系统具有成本低、效果优且体积小的特点，是目前移动空调的主流方案。该系统通过打水电机带动打水轮，将集水槽内冷凝水扬起并打在冷凝器翅片上进行蒸发吸热。冷凝水蒸发进入气流后通过风管排出到室外。关于提高打水系统的打水效果，目前有大量基于不同角度的研究，如打水轮位置、转速、打水轮大小、数量及形状[5,6,7]方面的探究。然而，虽然打水系统优化能够提升打水性能，优化冷凝水排除能力，但从本质上看，冷凝水需要通过接触冷凝器U弯和翅片才能进行蒸发换热，因此冷凝器设计优化和打水系统优化是相辅相成的。目前，通过优化冷凝器设计来协同打水系统的研究较少。

本研究围绕冷凝器流程设计特点，对比分析移动空调打水和不打水时的各参数（冷凝水生成及蒸发、冷凝器沿程温度分布、制冷量和EER），以指导冷凝器流程优化方向，从而提升冷凝水利用率。进而以A样机冷凝器为实验对象，研究其流程优化前后各参数的变化；同时，增加B样机冷凝器三种流程的对比实验，研究冷凝器空气对流换热和冷凝水蒸发换热之间的协同规律，以实现移动空调整机性能和冷凝水排除能力之间的平衡。

1 实验测试及方法

1.1 实验系统

本文所涉及的实验测试均在我司标准焓差室中进行，该实验室能够精确控制和测量室内温湿度及风量等参数，满足GB/T 7725-2004《房间空气调节器》国标测试要求。冷凝水量通过精度为0.001 kg的电子秤进行称量。

选取两款主流能力段的单冷定速移动空调为研究对象，具体规格参数如表1所示。两款移动空调在高湿工况下，冷凝水的排除能力较差，易导致满水停机。因此，A、B样机具有较好的研究代表性。

表1 两款样机规格参数表

1.2 实验方法

1.2.1 额定制冷测试方法

A、B两款样机的制冷名义工况如表2所示，进行制冷名义工况测试时，安装方式如图1所示，其中图1 a)为“ANSI ASHRAE 128-2001”中规定的安装方式，图1 b)为“DEPARTMENT OF ENERGY 10 CFR Part 430”中规定的安装方式。

表2 制冷名义工况参数表

图1 额定制冷测试安装方式示意图

1.2.2 连续运行测试方法

连续运行测试是考察移动空调冷凝水排除能力的一项重要测试。为获得更加全面的测试数据，两款样机连续运行均采用图1 b)所示的安装方式。连续运行测试工况如表3所示。

表3 连续运行测试工况参数表

在连续运行测试过程中，打开样机底部排水阀，通过排水管将未蒸发的冷凝水汇集到集水桶中。当冷凝水的产生速度和消耗速度达到动态平衡后，冷凝水持续稳定流出，此时开始计时和称重。为减小实验误差，每个相对湿度工况均取2小时稳定运行的数据进行计算。

2 实验结果与分析

2.1 打水对A样机各参数的影响分析

2.1.1 冷凝水量实验与理论分析

为研究A样机打水和不打水条件下冷凝水量的变化情况，测试不同连续运行工况下样机的系统除湿量、冷凝水收集量及冷凝器出风温湿度。其数值如表4和表5所示。

表4 不打水条件下A样机连续运行参数表

表5 打水条件下A样机连续运行参数表

其中，系统除湿量通过蒸发器进口和出口空气的干/湿球温度及空气流量等参数计算得出（焓差室实时监控计算），冷凝水收集量是指移动空调稳定运行过程中冷凝水从底盘排水口稳定流出速率。

如表4所示，样机不打水时各连续运行工况下冷凝水收集量均略小于系统除湿量，比值分别为99.18%、99.80%、99.66%和98.51%，表明蒸发器产生的98.51%～99.80%冷凝水（即系统除湿量）从底盘排水口流出（即冷凝水收集量）。而0.20%～1.49%冷凝水量的减少原因为蒸发器产生的冷凝水有一小部分会流经冷凝器翅片，部分吸热蒸发后随经过冷凝器的空气排出。符合冷凝水量质量平衡原则，实验数据可靠。

如表5所示，各连续运行工况下，样机打水时冷凝水收集量分别为系统除湿量的6.43%、16.80%、22.12%和25.31%，表明打水轮打水使得74.69%～93.57%的冷凝水用于冷凝器的蒸发散热，这与冷凝器出风相对湿度大幅提升表现一致。

如表5所示，虽然打水过程消耗了大部分冷凝水，但仍有6.43%～25.31%的冷凝水未被蒸发。这表明，当底盘排水口关闭时，随着移动空调运行时间延长，冷凝水将在底盘内不断累积，从而导致满水停机。为保证移动空调不满水，理论上需将剩余6.43%～25.31%冷凝水继续用于冷凝器散热，进而随空气排出。因此采用绝热加湿理论，论证不输入额外热源时冷凝水能够被完全蒸发的可行性。计算公式如下所示：

其中，tg1、tg2分别为绝热加湿前后的干球温度（℃），ts1、ts2分别为绝热加湿前后的湿球温度（℃），T为温度函数关系式符号；h1、h2分别为绝热加湿前后的湿空气焓值（kJ），E为焓值函数关系式符号；w1、w2分别为绝热加湿前后的空气含湿量（kg），H为含湿量函数关系式符号；ma、Va为绝热加湿空气质量流量（kg/h）和体积流量（m3/h），ρ为空气密度（kg/m3），p为当地大气压（kPa）。根据湿空气性质，当大气压p一定时，任意两个独立物性参数确定，该湿空气的状态即可确定[8,9]，因此可通过计算或焓湿图确定其他物性参数，具体计算及查图过程此处不再详细介绍。

绝热加湿计算结果如表6所示。

表6 绝热加湿计算参数表

由表6可知，冷凝器出口空气经过绝热加湿后，其相对湿度只达到52.6%～68.52%，相比100%相对湿度仍存在较大余量，因此，该移动空调冷凝水排除能力存在继续提升空间。

2.1.2 冷凝器沿程温度分布分析

为研究移动空调运行过程中冷凝器各区域温度分布，测试A样机在不同连续运行工况下冷凝器沿程各点温度分布。冷凝器流程及布点位置如图2所示，沿程各点温度分别如图3和图4所示。

图2 A样机冷凝器原流程及布点位置示意图

图3 打水时冷凝器沿程温度分布

图4 不打水时冷凝器沿程温度分布

如图3所示，打水时冷凝器沿程各点温度在不同湿度工况条件下变化趋势基本一致，冷凝器进口（位点9）温度均约73℃，由于进口处换热温差较大，位于上/下方支流的前几个U弯表面温度便迅速下降到50℃以下。位点10到位点20之间的U弯表面温度均沿流程方向逐渐降低，与空气及冷凝水换热稳定。特别注意的是，从位点21开始，后续各点温度均下降至27℃附近，与环境温度基本一致，表明从位点21开始，冷凝器沿程各U弯均丧失与空气换热的能力，显然无法蒸发冷凝水。同时，上方支流（位点11、13、17、19、20）的温度明显高于下方支流（位点10、12、14、16、18），一是因为打水范围有限且打水效果不均匀，导致下方支流前段接触到的冷凝水明显多于上方支流，从而冷凝水散热效果不对等；二是因为相比下方支流，上方支流增加半排U弯和翅片，空气流动阻力增大，从而对流换热效果不对等。

如图4所示，不打水时，冷凝器沿程温度变化趋势与打水时相似，但整体温度明显高于打水时的温度。此外，位点21之后的U弯依然高于环境温度，具有较好的换热效果。

综上所述，A样机冷凝器流程存在换热不充分的缺陷，在高湿工况下，冷凝器后部多个U弯已丧失换热功能，利用率较低。此外，在冷凝器进口处，U弯表面温度较高时，上方支流却无法与冷凝水充分接触，较大温差的换热潜能无法发挥。因此，该样机冷凝器流程存在较大优化空间。

2.1.3 制冷量与能效分析

冷凝水排除能力是衡量移动空调免排水能力的重要指标，但其优化需要同时兼顾制冷量和能效（EER）的良好表现。因此对比各工况下样机A打水、不打水的制冷量和EER的变化，以及冷凝器出风温度的变化，结果如图5、图6所示。由图可知，打水时整机制冷量和冷凝器出风温度均有所降低。基于理论分析，打水过程可增强冷凝器换热，降低冷凝温度，有利于提升制冷量，但实际打水过程中，冷凝水分布在冷凝器上增加风阻，阻碍了冷凝器与空气之间的换热。此外，由图7和图8可知，打水时制冷剂流经前几个U弯后蒸发器温度迅速上升，而不打水时蒸发器温度因沿程阻力而下降，表明打水时整机制冷剂流量更小。因此，打水过程增强了冷凝器与冷凝水之间的换热，但降低了冷凝器与空气之间的换热，且流经冷凝器的制冷剂流量降低，最终导致冷凝器总换热量降低，整机制冷量降低，与打水时冷凝器出风温度低于不打水时的实验结果相符。

图5 各工况下样机A制冷量和EER的变化

图6 冷凝器出风温度

图7 打水时蒸发器沿程温度分布

图8 不打水时蒸发器沿程温度分布

此外，与不打水相比，打水通过强化冷凝器与冷凝水的换热，使得冷凝器平均温度降低，进而压缩机工作负荷降低，且整机功率降低幅度明显高于制冷量降低幅度，故打水时整机能效EER大幅提升：85%～97%相对湿度工况下分别提升15.13%、14.29%、13.31%、14.39%。

2.2 冷凝器流程优化对A样机各参数的影响分析

2.2.1 流程优化对冷凝水利用率的影响分析

与普通分体式空调有所不同，移动空调冷凝器设计时除了关注与空气的对流换热外，还需考虑打水时与冷凝水的蒸发换热。因此，平衡冷凝器与空气、冷凝水之间的换热对冷凝器的整体换热效果至关重要。如前所述，A样机冷凝器在温度较高的上方支流进口处无法充分接触冷凝水，换热潜能被抑制，由此对冷凝器进行优化：将进口侧半排U弯调整到出口侧，具体流程如图9所示。除冷凝器流程更改外，A样机制冷剂量、压缩机、蒸发器和节流元件等其余配置保持不变。

图9 A样机优化后流程及布点位置示意图

冷凝器流程优化后，A样机除湿量及冷凝器出风状态参数如表7所示，系统除湿量稍有下降，冷凝水收集量和冷凝器出风参数变化较大。其中，冷凝水收集量相比原流程大幅减少，分别是原流程的0%、10.96%、47.13%和42.40%。因此，流程优化后冷凝水生成速率有所降低，但冷凝水利用率得到提升，冷凝水排除效果得到大幅提升，与冷凝器出风的相对湿度增大表现一致。

表7 流程优化后A样机系统除湿量及冷凝器出风参数表

如表8所示为A样机流程优化对冷凝水排除能力的影响。原流程只能满足80%相对湿度6小时不满水，当相对湿度升至95%时，约0.4小时便满水停机；流程经优化后，A样机在90%相对湿度下满足6小时不满水，95%时不满水时间延长至5.5小时。由此表明，流程优化后A样机冷凝水排除能力得以大幅提升。

表8 流程优化后A样机连续运行结果参数表

2.2.2 流程优化对冷凝器温度分布的影响分析

冷凝器流程经优化后的沿程各点温度如图10所示。冷凝器进口温度约73℃，与原流程表现一致，不同的是，沿流程方向之后各点温度便迅速下降至45℃左右，比原流程低3～4℃。原因在于冷凝器进口处上/下方支流均无遮挡，可与冷凝水充分接触，较大的换热潜能被激发，换热效果提升，同时有利于冷凝水的消耗和排除。此外，与原流程相比，冷凝器出口处部分U弯的整体温度更高，表明此处换热效果也得以提升。

图10 冷凝器优化后的沿程温度分布

2.2.3 流程对制冷量与能效的影响分析

制冷名义工况（表2所示）下两种流程的性能参数如表9所示，流程优化后A样机制冷量提升1.31%，从而EER提升2.42%。同时，冷凝器进出口温差明显增大，冷凝器平均温度则基本一致，功率略微下降，根据逆卡诺循环原理，制冷剂量不变时冷凝器换热量增加，蒸发器侧换热量也相应提升，因此制冷量得到提升[10]。

表9 流程优化前后A样机性能参数表

综上所述，将冷凝水尽可能打到冷凝器温度较高的U弯处不仅能大幅提升冷凝水蒸发换热的效果，提升冷凝水排除能力，也能提高制冷量和EER。

2.3 冷凝器流程对B样机各参数的影响分析

如上文所述，确保冷凝器高温侧充分与冷凝水接触，增强蒸发换热效果，可进一步提升整机的冷凝水排除能力。由此，在各实验工况下对B样机的不同冷凝器流程设计进行对比研究。

B样机冷凝器三种流程（流程1#、流程2#、流程3#）分别如图11 a)、b)和c)所示。流程1#采用两进一出逆流流程，流程#2采用一进一出逆流流程，流程3#采用一进一出先顺后逆的混合流流程。从气流换热角度分析，流程1#与流程2#均采用逆流流程，有利于提高冷凝器与空气的换热温差，提升对流换热能力；流程3#采用混合流流程，冷凝器与空气的对流换热效果不如另外两种流程。从打水角度分析，流程3#将温度较高的两排U弯设置在打水轮两侧，打水效果最佳；流程2#由于采用单流程，因此打水轮两侧的两排U弯平均温度高于流程1#的平均温度，打水效果优于流程1#。因此，空气对流换热能力：流程1#≈流程2#＞流程3#；冷凝水蒸发换热能力：流程1#＜流程2#＜流程3#。

图11 B样机冷凝器三种流程示意图

90%相对湿度（26.7/25.4℃）工况下，样机B分别采用上述三种流程时，连续运行满水时间如表10所示。其中流程1#仅1.5小时即满水停机，流程2#满水时间稍有提升，流程3#连续6小时不满水，即冷凝水蒸发换热能力：流程1#＜流程2#＜流程3#，与前面分析结果一致。

表10 B样机三种流程的连续运行参数表

制冷名义工况（表2所示）下，B样机三种流程的性能参数如表11所示，结果表明流程2#的性能表现最佳，制冷量比流程1#和3#分别高5.65%和6.75%，EER分别高6.81%和11.61%。由冷凝器进/出口温度可知，流程1#和2#进/出口温差基本一致，但流程2#冷凝器平均温度比流程1#低3℃左右，因此流程2#制冷量更高；而流程3#虽然进/出口温差更大，但平均温度也更高，使其制冷量反而低于流程1#和2#。即，总换热能力：流程3#＜流程1#＜流程2#。

表11 B样机三种流程的整机性能参数表

综上所述，移动空调冷凝器的换热包括空气对流换热和冷凝水蒸发换热。采用逆流流程能够增强空气对流换热效果，但可能会导致冷凝水排除能力被抑制，即连续运行容易出现满水停机现象。而混合流流程虽然能够增强打水效果，提升冷凝水排除能力，但与空气的平均换热温差减小导致对流换热效果被抑制，制冷量和能效降低。因此，冷凝器设计应当综合考虑空气对流换热和冷凝水蒸发换热的效果，当制冷量和能效满足要求时，尽量提高冷凝水蒸发换热效果，可以提升冷凝水排除能力。

3 结论

基于四种连续运行工况，围绕冷凝器流程设计特点，重点对比分析移动空调A样机分别打水和不打水时的各参数（冷凝水生成及蒸发、冷凝器沿程温度分布、制冷量和EER），以指导冷凝器流程优化方向，从而提升冷凝水利用率。进而以A样机冷凝器为实验对象，研究其流程优化前后各参数的变化。同时，增加B样机冷凝器三种流程的对比实验，关于冷凝器空气对流换热和冷凝水蒸发换热之间的协同规律，主要结论如下：

（1）在85%～97%相对湿度下，A样机采用打水轮通过冷凝水蒸发换热方式能够消耗74.69%～93.57%冷凝水。而经绝热加湿计算冷凝器出口空气的相对湿度仅达52.6%～68.52%，表明该移动空调存在将所有冷凝水全部蒸发的潜力。

（2）冷凝器流程优化后，A样机名义制冷量提升1.31%，能效（EER）提升2.42%，冷凝水排除能力得到大幅提升（95%相对湿度连续运行不满水时间由0.4小时延长至5.5小时）。因此，确保冷凝器温度较高表面与冷凝水充分接触能同时提升冷凝水利用率及名义制冷量和EER。

（3）B样机冷凝器三种流程的对比实验表明，逆流流程能够增强空气换热效果，但会导致冷凝水排除能力被抑制；混合流流程能够增强冷凝水蒸发换热效果，但与空气的平均换热温差减小使得空气对流换热效果被抑制。因此，冷凝器的设计应当综合考虑气流换热和冷凝水蒸发换热效果，在制冷量和能效满足要求时，提高冷凝水蒸发换热占比可以提升冷凝水排除能力。