空调冷水大温差对风机盘管性能的影响.doc

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4、程学院 一级学科：动力工程 二级学科：供热、供燃气、通风与空气调节研究生：丁兴凤 指导教师：徐文华教授 副指导教师：刘光远副教授 二六年十二月 保密，呲一叭。洲 ： ： ， 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学

5、术活动。 学位论文作者签名：丁豸反 砌占年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：丁骂厅屯 加年月日 摘要 摘要 “常规空调冷水大温差系统”作为“空调大温差技术”之一，在实际工程中已有应用实例。采用冷水大温差技术能够有效地节约能源已是不争的事实。但加大冷水温差同样会影响空调末端装

6、置的性能，至目前，很少有定量分析的研究成果，因此，无法从数值判断大温差对末端设备的影响究竟有多大。 风机盘管机组是目前空调工程中应用最为广泛的末端装置，具有一定的代表性。本课题根据已有的典型样本数据整理得到的风机盘管特性回归方程，建立了大温差工况下风机盘管性能方程，定量地分析了采用常规冷水大温差时，风机盘管全冷量、显冷量、潜冷量、析湿系数及热湿比线的变化规律；同时，为了更好地适应冷水大温差，对现有的风机盘管水管路流程作了尝试性改造。对“房间空气焓值法”的风机盘管热工性能试验方法进行了研究，研制了试验装置，编写了风机盘管热工性能计算程序。为了将性能方程得到的变化规律推广应用到工程设计选型中去，对

7、风机盘管在冷水大温差工况下的变化规律进行了实验验证，实验结果与理论计算结果具有很好的一致性，从而为工程设计人员的空调末端产品选型提供了方便和保证。分析了现有风机盘管性能评价指标的不足，引入了建立在热力学第二定律基础上的媚激率对风机盘管机组进行性能评价，综合考虑了风机盘管热量传递和流动阻力的影响，得出了冷水温差在左右时，媚激率达到最大值的结论；且改进型盘管的好激率略高于相同冷水温差时的媚激率，为末端设备以风机盘管为主的空调系统，进行冷水温差的选择及风机盘管机组结构型式的优化设计和研究提供了理论依据和指导意义。关键词：冷水大温差，风机盘管机组，性能，媚盼析 ， ， ， ，（），?，”， ， ， 膏

8、 ，：， 目录 目录 第章概述一：。：。? 课题背景，：?课题研究的目的和意义课题的主要研究内容和研究方法 主要研究内容一研究方法第章空调冷水大温差对风机盘管热工性能影响的理论分析 风机盘管表冷器处理空气特性 风机盘管表冷器处理空气特性风机盘管表冷器的传热特性及水通路改造方案风机盘管表冷器特性回归方程 概述风机盘管全冷量焓效率和显冷量效率风机盘管热工特性回归方程大温差工况下风机盘管的性能方程 热工性能试验方案研究试验装置研制试验过程的空气状态变化过程分析热工性能试验流程 目录 的热工性能计算 原始试验数据湿空气有关参数的计算湿工况下空气流量的计算供冷量计算本章小结第章空调冷水大温差对风机盘管性

9、能影响的实验验证 实测数据 试件热工性能的实测数据试件热工性能的实测数据试件热工性能的实测数据试件热工性能的实测数据试件热工性能的实测数据试件热工性能的实测数据实验结果与理论研究对比分析 实验数据整理实验结果与理论分析的对比验证水管路流程改造对风机盘管性能的影响分析本章小结第章空调冷水大温差对风机盘管性能影响的综合评价 现有的风机盘管机组性能评价指标 单位风机功率供冷量能效比（或）能量利川系数净冷系数（热效率风机盘管机组的好激率评价方法 目录 娴概念风机盘管机组的她扮析空调冷水大温差对风机箍管机组媚效率影响分析本章小结第章本文总结与展望 本文总结展望致谢参考文献个人简历在读期间发表的学术论文与

10、研究成果 第章绪论 第章绪论 课题背景 随着境外设计事务所业务的渗入，带来了一些新技术，从世纪年代中期，空调大温差技术开始在国内的空调工程中运用，这引起了国内空调界的关注。 所谓“空调大温差”是指：常规空调系统的送风大温差系统，送风温差不是常规的以下和高大空间的，而是；冷却水大温差系统，冷却水温差不是常规的。，而是。左右；常规空调的冷水大温差系统，冷水温差不是常规的，而是；与冰蓄冷相结合的低温送风大温差和冷水大温差系统，送风温差为，冷水温差为；与冰蓄冷相结合的低温送风乙二醇大温差系统，溶液温差达到“。 空调大温差技术，在国际上尚属新技术范畴，虽然已进入实用化阶段，但仍然有很多问题需要进一步深入

11、研究和解决。例如在日本，虽然经济分析表明加大空调冷冻水系统、冷却水系统和风系统的供回温差可减少系统流量，节约介质输送动力消耗，降低系统的初投资，但是公共的技术研究报告很少哺一。美国有关空调大温差的研究主要集中在低温送风系统中，但也是经济分析多、指南多、具体设计方法少明。 “常规空调冷水大温差系统”作为“空调大温差技术”之一，在境外设计单位设计的国内空调工程中已有应用实例。如万国金融大厦冷水温度参数。；中国保险大厦冷冻水温度参数；上海浦东国际金融大厦冷冻水温度参数，冷冻水温差均大于。 在同样冷量下，加大冷冻水温差可以节约冷冻水泵的能耗，这已是不争的事实，将常规设计的。冷水温差改变为大温差时，冷冻

12、水泵的能耗可降低一。因此，对常规空调系统，当采用冷水大温差系统时，既能有效地减低工程建设的初投资和设备的运行费用，还可以节约空间，方便设计口一训。 风机盘管空调系统在国内外早已广泛用于旅馆、公寓、医院和办公楼等高层建筑中，同时也用于小型多层住宅建筑的集中空调的场合，我国近二、三十年来在高层宾馆、办公楼和医院病房，以及空间不大、负荷密度高的场合，如：计算机中心、电台等等，也越来越广泛地采用了空气一水风机盘管空调系统。 第章绪论 风机盘管机组是空气一水半集中式空调系统中不可缺少的重要装置，其工作原理是机组内不断地再循环所在房间的空气，通过供冷水或热水的盘管，空气被冷却或加热，以保持房间的空气参数。

13、机组内有空气过滤器，不仅改善了房间的卫生条件，同时也为了保护盘管不被尘埃堵塞。在夏季，室内空气经风机盘管机组内的冷却盘管（表面式空气冷却器）实现减湿冷却空气处理过程，以维持室内的温湿度。在冷却去湿工况下，盘管表面的凝结水滴入水盘内，并不断地被排出。 风机盘管机组包括风机、电动机、盘管、空气过滤器、室温调节装置和箱体等。其中最核心的设备是盘管和风机，盘管一般采用铜管串波纹或切口铝片制作而成。一般铜管的外径咖，管壁厚咖，铝片厚，片距咖。在工艺上均采用涨管工艺，保证铝管与肋片之间紧密接触，提高导热性能，盘管的排数多为排和排，国产盘管绝大多数为排管，且水管路不论长短，都采用相同的三进三出的布置方式，风

14、机一般为离心多翼双进风风机。 对于空调工程中出现的相当数量的“大温差系统”，对与之相配套的空调末端设备提出了新的要求，这方面的问题尚未引起国内空调企业界足够的重视。在各类空调末端设备中，风机盘管占有十分重要的地位，在工程中的应用十分广泛。有关风机盘管的性能研究，其核心内容之一是风机盘管中的冷却盘管（表面式冷却器）在进行空气热湿处理时规律的研究。强化传热一直是国内外研究表冷器课题的主要方向。但绝大多数研究者都是从如何改变表冷器结构，提高空气侧的对流换热系数，从而提高肋片管表冷器的传热系数值进行强化传热方面的研究叫引。而对表冷器水管路的走向及通路对其换热性能的影响研究甚少。常规的集中式空调箱中所用

15、的表冷器为、排，在表冷器排数大于等于排时，空气与水的热质交换过程可近似为纯逆流模型。而风机盘管表冷器的排数普遍不到排，一般为排。因此，风机盘管表冷器的传热特性与普遍集中式空调箱中表冷器的传热特性又有不同，再加上管排数少，水路复杂多变的特性，因此，水侧换热特性对表冷器热工性能的影响不容忽视，尤其在采用冷水大温差条件下，水流量的减少就等于减低了水流速，同时会降低水侧的换热系数，这对表冷器的换热性能产生了不利的影响埔一“。 我国的风机盘管机组经过多年的发展，生产技术已经取得了很大的进步，但同时也存在很多问题。相关文献指出，尽管国内风机盘管在标准制定、产品的研发、结构设计、性能改造和加工工艺流程等方面

16、都进行了一些改进，采用了一些先进技术，取得了一些明显的效果，但与国外的先进产品相比仍存 第章绪论 在不小的差距。由于我国多数生产风机盘管的厂家，一般都缺乏试验设备和检测手段，对风机盘管非标准工况下的性能（使用工况）不能进行测定，因而绝大多数生产厂家的产品样本只提供标准工况下（，。，。）风机盘管机组的热工性能参数，没有风机盘管在各种使用工况下的性能参数，只有少数厂家有比较详细的性能数据。就风机盘管机组而言，同一型号的风机盘管机组，在不同风机转速、不同的进送风参数、不同的冷水初温和不同的水流量下，风机盘管的热工性能是不同的。因此，当风机盘管应用于常规冷水大温差空调系统时，即冷水温差不是常规的，而是

17、时，风机盘管的性能（供冷量、除湿能力及水阻力等）与标准工况是不同的。很显然，其供冷量及除湿能力会随水温差的加大而下降，水侧阻力也会下降。但绝大多数文章只是作了定性分析，很少有定量的研究成果，更没有实测数据进行对比验证。而且目前风机盘管机组性能评价方法，主要还建立在热力学第一定律的基础上，这类方法笼统地将能量“平等看待”，使得这类方法存在显著缺陷。因此，将建立在热力学第二定律基础上的她激率应用于风机盘管机组性能的评价，即如何就热传导、流体阻力的影响综合评价对风机盘管机组，对风机盘管的优化设计和研究具有更为重要的指导意义。同时，在实际工程设计中，常规空调系统的冷水设计温差为何历来都采用，很少有人去

18、研究。本人为此查阅了大量文献资料，未见权威性的论证，仅在文献中有过简单的阐述。正是基于这样的背景，开展了本课题的研究工作。 课题研究的目的和意义 本课题研究的目的是在现有的风机盘管机组已应用于冷水大温差空调系统基础上，通过理论和实验的方法对应用于常规冷水大温差空调系统中的风机盘管机组性能进行研究和优化，并用媚激率对其进行综合评价，为风机盘管合理应用于大温差空调系统指明方向。 空调冷水大温差设计是一个有特色的节能系统捌，而如何使风机盘管机组与冷水大温差系统相匹配是体现该系统特色的一个重要环节。本课题的意义就在于通过理论分析得出风机盘管热工性能随冷水温差不同的变化规律，经相应产品的实测数据进行验证

19、；在此基础上建立更为合理的风机盘管机组性能评价方法，寻找最佳的常规冷水温差，分析空调末端设备性能变化带来的影响并提供相应的对策。为工程设计人员提供详实可靠的实用数据；为风机盘管制造商生产适合冷水大温差系统的末端产品，提供指导性建议。 第章绪论 课题的主要研究内容和研究方法 主要研究内容 本课题的主要研究内容有以下几个方面： 、依据空气与水的热质交换理论、换热器传热理论，分析风机盘管表冷器热工性能的影响因素，调查分析相关厂家的风机盘管机组产品，应用于实际工程的情况等，对现有风机盘管水管路流程做尝试性改造，并生产样机。 、根据己知的风机盘管性能参数进行整理和分析，运用多元回归的数学方法得出的风机盘

20、管性能回归方程的基础上，导出大温差工况下风机盘管性能方程，分析使用冷水大温差时，风机盘管机组全冷量、潜冷量、析湿系数和水阻力随冷水温差不同的变化规律。 、按现行国家关于风机盘管热工性能测试标准（），研制风机盘管热工性能测试装置，分析测试系统中空气的热湿处理过程，拟合出相关图标数据的关系式，编制风机盘管机组热工性能计算辅助程序，为快捷准确的进行实验数据的收集、整理及产品性能分析提供计算工具。 、对相关厂家的现行产品和改进产品进行性能测试，将实测数据与大温差条件下性能方程得到的变化规律进行对比验证，为工程设计人员的产品选型提供方便和保证。 、引入建立在热力学第二定律基础上的媚激率法综合评价风机盘管

21、性能，比较标准型产品和改进型产品的她激率，为末端设备以风机盘管为主的空调系统，进行空调冷水最佳温差的选择及制造商对风机盘管结构形式的优化提供有效的建议。 研究方法 本课题拟采用理论与实践相结合的研究方法。 、通过查阅国内外相关文献，参考生产企业的相关产品说明书，实地调查相关厂家的风机盘管产品，重点研究风机盘管表冷器水管路流程结构，并在此基础上对水管路流程做尝试性改造，委托相关厂家生产改进型盘管。 、依据传热传质理论，重点研究风机盘管热工性能的影响因素，建立风机盘管表冷器在大温差条件下的性能方程。 、研制符合现行国家标准的热工性能测试装置，进行相关风机盘管产品的 第章绪论 性能试验，并将实验结果

22、与理论计算值进行对比分析。、提出新的风机盘管性能评价方法并进行相关产品的性能评价。 第章空调冷水大温差对风机盘管热性能影响的理论分析第章空调冷水大温差对风机盘管热工性能影响的理论分析风机盘管表冷器处理空气特性风机盘管表冷器处理空气特性表冷器属于表面式空气处理设备。这类设备的特点是：与空气进行热质交换的介质不与空气直接接触，两者之间的热质交换是通过表冷器管道的金属壁面来进行的。对于空气调节系统中常用的水冷式表冷器，空气与水的流动方式主要为逆交叉流。当盘管排数大于等于排时，可近似为纯逆流。根据热质交换介质状态的不同，壁面的空气侧可产生水膜（湿工况），也可能不产生水膜（干工况）。当表冷器盘管表面温度

23、低于被处理空气的干球温度，但尚高于其露点温度时，则空气与盘管表面没有质交换，仅有显热交换，空气只被冷却，并不产生凝结水，这种过程称为等湿冷却过程或干冷过程（干工况），空气状态变化过程可用图中的直线表示；当表冷器盘管表面温度低于被处理空气的露点温度时，则空气不但被冷却，而且其中所含水蒸气也被部分凝结出来，并在表冷器肋片的表面上形成一层流动缓慢的水膜，这种过程称为减（去）湿冷却过程或湿冷过程（湿工况）。空气状态变化过程可用图一中的直线卜表示。在这个过程中，在水膜周围将形成一个饱和空气边界层，被处理空气与表冷器之间不但发生显热交换，而且也发生湿交换，并由此引起潜热的交换。 在减湿冷却过程中，紧靠冷却

24、器表面形成的水膜处为湿空气的边界层。根据薄膜理论，可以认为与水膜相邻的饱和空气层的温度与冷却器表面上的水膜温度近似相等。因此，空气主体部分与冷却器表面的热交换是由于空气主体与凝结水膜之间的温差而产生；质交换是由于空气主体与凝结水膜相邻的饱和空气层中的水蒸气分压力差（即含湿量差）引起的。 第章宅调冷水大温差对风机盘管热工性能影响的理论分析 巾 图供冷况风机盘管空气处理过程 国内外大量的研冗资料表明，在空气调节中应用的表冷器，其热质交换规律符合关系式： ：善 ，（） 式中： 按含湿量差计算的湿交换系数，? 对流热交换系数，哆二： ，。空气定压比热，夕名 关系式表明对流热交换系数与对流质交换系数。之

25、比是常数，其值等于空气的定压比热舢。 当关系式成立时，则有以下方程 坦积一）（） 式中： 主体湿空气与水膜周围饱和空气层的热交换量， 矗主体湿空气的焓值，水膜周围饱和空气层的焓值， 第章空调冷水火温差对风机盘管热工性能影响的理论分析 护与空气接触的真其水表面积， 式（）就是著名的方程。推出方程的基本依据是关系式，方程根据关系式的热值交换相似关系，把同时存在热值交换的复杂过程，统一用焓差来计算，它表明在热质交换同时进行时，如果关系式成立，则推动总热交换的动力是焓差，即湿空气在表冷器盘管外表面进行的冷却去湿过程中，主体湿空气和水膜周围饱和空气层的焓差（或湿球温度差）是热质交换的推动力。 风机盘管机

26、组中的换热器（盘管）在进行空气的冷却处理时，属于上述表冷器形式中的一种，具有上述表冷器冷却处理空气的一切特征。与集中式空调箱中表冷器所不同的是管排数较少，常用排，管径较小，常用外径为巾的铜管。 风机盘管表冷器的传热特性及水通路改造方案 影响表冷器处理至气效果的凼素很多。但当表冷器的传热囱积和燹换介质问的温差一定时，其热交换能力可归结于传热系数的大小。 根据文献，可知，肋管式表面式是空气冷却器的总传热系数的理论表达式为： 掣手：，（）儿。 式中：以、内、外表面换热系数，、 肋表面全效率 万管壁厚度， 管壁导热系数，?们 肋化系数 若引入换热扩大系数芎来表示由于存在湿交换而增大的换热量。亏的定义式

27、是： 善罢褊， ） 式中：、通过表冷器的空气的焓和温度，、 第章空调冷水大温差对风机盘管热性能影响的理论分析 、乙表冷器表面饱和空气层的焓和温度，也等于冷却器表面温度，、 毛又称为析湿系数，其值得大小直接反映了表冷器上凝结水析出的多少。很显然，干工况的亏。而当表冷器上出现凝结水时，可以认为其外表面的换热系数比干工况时增大了毛倍。此时表冷器的传热系数的表达式，可写成： 耻赤譬毒， 分析上式中的各项，对己定结构的风机盘管机组表冷器，、入、已定，则影响其传热系数的主要因素为内外表面的对流换热系数和空气处理过程的析湿系数。 表冷器外表面的对流换热系数与空气的迎面风速（或质量流速印）有关；当以水为冷却介

28、质时，内表面的对流换热系数与水的流速有关：而析湿系数与被处理空气的初状态和管内水温有关。因此，在实际工作中，表冷器的传热系数常通过实验测定，则风机盘管机组表冷器的总传热系数可整理成以下经验公式瑚： 弘南嘉（） 式中：、实验系数和指数 至目前的许多关于表冷器强化传热的研究文献中，般对水侧热阻的大小取值并不重视。因为通常认为空气侧热阻占总热阻的主要部分，所以空气侧的换热情况才是表冷器性能的主导因素叫卜。对于大多数情况，这种假设是可行的，然而当表冷器的管内水流速较低时，水侧热阻应该引起足够的重视。等人的研究表明，在水侧雷诺数为时，水侧的热阻最大可占到总热阻的限。 第章空调冷水大温差对风机盘管热丁性能

29、影响的理论分析 性能，应避免水侧出现层流流态。 根据流体力学原理，盘管过流断面面积： 竺（肌）（） 则盘管内水流速为： ：一旦一一”（形）（） 三以邶 式中：并联的铜管水路数 铜管内径， 流经盘管的水的体积流量， 可见，盘管内水流速不仅与管径有关，还与管程数有关。关于盘管的水路行程，国内绝大多数产品目前都为三排管，水管路多为三进三出，每排八根管。而这些盘管基本是按。水温差进行设计的流量值。为了适应冷水大温差，势必要降低管内水流量，减小流速来满足大温差的要求，致使盘管内侧放热系数降低，表冷器传热性能下降，机组的供冷量下降。为了配合冷水大温差工况，可以通过减小管径或增大水管路行程的办法使水流速增大

30、，由于资金的限制，笔者对表冷器的水侧回路经过仔细的分析研究曲矧，结合风机盘管的实际情况，对盘管的水管路流程作了尝试性改造（保持水管管径不变），即将两台一型的三进三出八通程（如图）改为二进二出的十二通程（如图）。以弥补因水侧温差的增大引起流速降低造成传热系数下降的影响。有实验表明，当管内水流速小于时，传热系数随水流速的增加而增大。当水流速由提高到时，传热系数增加到引。然而，通过上述方案改造，使得盘管水侧阻力增大了。盘管水侧阻力损失以可由下式计算： 峨升专?譬筹心，浯， 式中：卜一水行程长度， 九沿程阻力系数 很显然，由于水管流程，长度的增大，水侧阻力必然增大。但目前多数风机盘管机组的水阻力低于标

31、准允许值较多。再者，对国家标准规定水侧阻力限值本身就有许多值得商榷的地方心刖。 第章空调冷水大温差对风机盘管热工性能影响的理论分析 （）接水管端板（）盲板端（另一端）（）接水管端板（）盲板端（另端）图标准型盘管水路通程图改进型盘管水路通程 风机盘管表冷器特性回归方程 概述 不同型号的风机盘管，在不同的风量档次运转时，对于不同的室内温湿度条件，在不同的水温条件下，风机盘管的热工性能是不同的。目前，仅有少数国外品牌的风机盘管机组选用说明书中附有各种工况下的性能曲线或性能表。我国绝大多数生产厂家仅提供标准工况下的供冷量（全冷量）额定值，即风机盘管机组产品样本上所标柱的风量，供冷量是名义风量和名义供冷量，也就是在特定工况下而测得的全冷量值（风机盘管机组国家测试标准规定名义供冷工况为：进风干球温度，进风湿球温度，进口水温，进出口水温差，高档转速：名义风量（额定风量）是在盘管不通水时测得的数据，换算成标准工况下的风量值）。这对在工程设计中正确选用风机盘管带来了很大不便船川。从实质上讲，风机盘管选型的关键是如何实现对其要求的热湿