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車間降溫設(shè)備軸流通風機擴散筒效率的測量和綜述戶式中央空調(diào)水系
軸流通風機擴散筒效率的測量和綜述
李景銀 / 西安交通大學能動學院流體機械研究所
郭 琦 / 西安電力高等�？茖W校
摘要：在查閱了國內(nèi)所有關(guān)于軸流通風機擴散筒效率的論述和測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，詳細推導了軸流通風機擴散筒效率、損失和靜壓升系數(shù)等公式，并對一臺按當量直徑設(shè)計的 16 號軸流通風機的擴散筒和擴散塔的效率進行了測量，結(jié)果表明：擴散筒的效率較文獻推薦值低。
關(guān)鍵詞：軸流式通風機 擴散筒 效率 測量 綜述
中圖分類號：TH432.1 文獻標識碼：B
文章編號：1006-8155（2007）02-0003-04
Measurement and Summarize of Efficiency of Diffuser Tube for Axial Flow Fan
Abstract: On the basis of checking all the data about the discussion and measurement for the efficiency of the diffuser tube for axial-flow fan in China, it deduces in detail the formula of the efficiency, loss and static pressure rise coefficients of diffuser tube for the axial-flow fan, and to measure the efficiency of diffuser tube and diffuser tower of No16 axial-flow fan which was designed as equivalent diameter. The result shows: The efficiency of the diffuser tube is lower than the recommended value form the li terature.
Key words: Axial-flow fan Diffuser tube Efficiency Measurement Summarize
0 引言
軸流通風機具有效率高、相對尺寸小、調(diào)節(jié)方便、便于安裝等突出的優(yōu)點。然而，如文獻 [1]所介紹，在煤礦通風工程中，軸流主扇的耗電占全礦總耗電的14％以上。因此，如何提高風機效率對降低生產(chǎn)成本，建設(shè)節(jié)約型社會意義重大。
軸流通風機的出口速度大，一般其出口動能占風機全壓的30%以上[2] ，對于有些流量大而壓力較低的軸流通風機，其出口動能甚至占到風機全壓的50％左右。因此，必須在軸流通風機的后面安裝擴散筒或擴散筒－塔來回收動能，特別是抽出式通風機。所以，擴散筒的效率對風機整機的效率影響極大。
關(guān)于軸流通風機擴散筒的效率有許多不同的說法，文獻[2]認為效率一般在80%～85％之間；文獻[3]則認為，擴散筒效率選取80％是比較保守的，一般在進口邊界層較薄時，效率可到 87%～88％，再加上排氣管效率可再增加1%～4％；而文獻[4]在計算壓縮機進出口元件時，推薦擴壓器的效率為60%～80% 。由此可見，不同文獻對軸流通風機擴散筒的效率的選擇相差很大。從查閱的有限的測量擴散筒、塔效率的文獻[5，6]看，擴散筒－塔效率一般在40％～69％之間，比文獻[2，3]推薦的效率要低得多。
綜上所述，目前對實際使用中的軸流通風機擴散筒的效率研究還很少，同時，也是分歧比較大的一個關(guān)鍵問題。
1 軸流通風機擴散筒效率計算的方法和一些基本概念
大型軸流通風機的擴散筒一般是圓環(huán)形漸擴通道，目前多數(shù)文獻[2,3,7]采用當量直徑的方法設(shè)計擴散筒。文獻[7]利用文獻[3]中的資料，對軸流通風機擴散筒的設(shè)計作了較詳細的介紹，但是，其擴散筒的效率還是采用了選取的方法，設(shè)計具有相當大的盲目性。文獻[8]是筆者查到的唯一一個具體計算擴散筒水利損失的國內(nèi)文獻。該文獻采用水利直徑，將擴散筒比擬成當量圓錐，從而計算擴散筒的沿程損失和擴壓損失，該方法可以考慮擴散筒材料等影響因素，但是，文獻[3]稱，環(huán)形通道采用水利直徑計算的水利損失比實際的要小。
雖然采用當量直徑和水利直徑都可以將風機環(huán)形擴散筒比擬成當量圓錐，但是，對于同樣的圓環(huán)形擴散筒，分別采用當量直徑和水利直徑，得出的當量圓錐直徑和擴散角差別很大，因此，計算的水利損失也不同。筆者通過三維粘性數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)，兩種方法最終計算的結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果都相差較多，而且也沒有規(guī)律（該研究內(nèi)容將另文發(fā)表）。所以，對通風機擴散筒的損失和效率還需要大量的數(shù)值研究和相應(yīng)的試驗研究。
風機擴散筒的作用就是將擴散筒的進口氣流動能通過減速變?yōu)閴毫υ黾�，所以，其效率就�?yīng)該是實際壓力增加與理想壓力增加的比值。具體推導如下：
由實際不可壓氣體伯努力方程可知：
根據(jù)以上公式，就可以計算或測量出擴散筒的效率，也可以根據(jù)風機本體的性能和擴散筒的效率，估算出風機加裝擴散筒后的效率和壓力。文獻[5]稱風機行業(yè)使用的風機全壓力是指風機主體出口截面與進口截面的全壓力差，是不妥當?shù)恼f法，是對風機測試標準不了解所致。
2 軸流通風機擴散筒－塔的測試方法和儀器
一個帶有擴散筒－塔的軸流通風機結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用工程方法，在符合GB/T1236-2000標準的抽出式風筒測試平臺上，對風機本體，風機本體+擴散筒，風機本體+擴散筒+消聲器+擴散塔3種不同安裝方式時的風機裝置的性能進行了測試。
按定義對擴散筒的性能的測定應(yīng)該是在風機本體+擴散筒的裝置中，在擴散筒的邊壁開測壓孔和測量進口風速的分布，并在擴散筒出口測量風速的分布，然后，按式（2）積分計算。由于測試的風機太大，按該方法測量，皮托管不易定位，所以按工程方法，通過假定風機本體 + 擴散筒的性能，與風機本體性能相減去的方法，計算出擴散筒的效率。該方法不是非常嚴謹?shù)臏y試擴散筒性能的方法。同樣，也按該方法測試了擴散筒－塔的效率。
所用的測量風機靜壓和流量的變送器為EJA110A-DLS5A-92DA，量程為0～7500Pa和0～ 1500Pa，精度0.075％。其余相應(yīng)的測量儀器均符合國家測量精度和標準。在測試過程中，壓力測量與補償式微壓計做工了對比，符合很好。
該擴散筒的進口外徑為1632mm，進口內(nèi)徑為994mm，出口外徑為1910mm，出口內(nèi)徑為340mm，當量擴散角為12.7°，擴散塔出口面積為2730mm×1950mm。
3 測試結(jié)果分析
本次試驗分別對圖1所示的全套設(shè)備、只帶有擴散筒和只有風機本體的風機性能做了測量，性能處理結(jié)果如圖2和圖3所示。只有風機本體的風機性能試驗是按照環(huán)面積處理試驗數(shù)據(jù)的。
從圖2和圖3看出，風機的性能測試沒有壞點，測試曲線比較光滑。為了方便計算擴散筒和擴散筒－塔的擴散效率，將兩個圖的靜壓和動壓性能曲線按最小二乘法，按兩次和三次曲線進行擬合，然后在同樣流量下，按式（2）計算擴散效率。進口的靜壓和動壓為風機本體的環(huán)面出口靜壓和動壓，出口的動壓和靜壓為相應(yīng)的擴散筒和擴散筒－塔的出口動壓和靜壓，計算結(jié)果見表1。
表1 測量的擴散筒效率和擴散筒－塔的效率
流量/（m3/min ）
擴散筒效率
擴散筒－塔效率
1800
0.527333685
0.160072675
摘要： 我國戶式中央空調(diào)水工程型式的發(fā)展非常迅速。目前戶式中央空調(diào)水工程運行存在穩(wěn)定性差、能耗高等問題，可以通過增加旁通調(diào)節(jié)、水工程變流量控制等手段以達到節(jié)能和穩(wěn)定運行的目的。變水量技術(shù)將是水工程型式戶式中央空調(diào)發(fā)展的新方向和關(guān)鍵技術(shù)。
引言
隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高及居住條件的改善，大面積多居室的單元房、復式住宅及別墅、小型的辦公寫字樓、商店、賓館等建筑越來越多，與之相配套適用的戶式中央空調(diào)形成了新的發(fā)展潮流，正成為空調(diào)行業(yè)發(fā)展的熱點，市場潛力巨大。
當前戶式中央空調(diào)可分為三種主要型式：風管工程、冷熱水工程和制冷劑工程。其中冷熱水工程是由小型風冷冷水（熱泵）機組和室內(nèi)末端裝置組成。通過室外主機生產(chǎn)出空調(diào)冷熱水，由管路輸送到室內(nèi)各末端裝置，進行空調(diào)。該工程的核心設(shè)備是風冷冷水（熱泵）機組，該機組是由壓縮機、風冷冷凝器、蒸發(fā)器等部件組成，還內(nèi)置了循環(huán)水泵、膨脹水箱等部件；末端裝置通常為風機盤管和新風機組搭配使用，風機盤管一般可以調(diào)節(jié)其風機轉(zhuǎn)速或通過旁通閥調(diào)節(jié)流過盤管的水量，從而調(diào)節(jié)送入室內(nèi)的冷熱量，既滿足了室內(nèi)空調(diào)負荷的需求，又保證了室內(nèi)空氣品質(zhì)。
在《蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機組 戶用和類似用途的冷水（熱泵）機組》（GB/T18430.2-2001）國家標準中，對戶式中央空調(diào)工程中用的小型風冷冷水（熱泵）機組進行了統(tǒng)一規(guī)范和定義，稱其為戶用冷水（熱泵）機組，并明確規(guī)定“機組除配置所有制冷組件外還應(yīng)包括冷水循環(huán)水泵”，且“機組配置的冷水循環(huán)水泵其流量和揚程應(yīng)保證機組的正常工作，也可根據(jù)用戶要求或?qū)嶋H用途配置合適揚程的循環(huán)水泵”。由于室內(nèi)輸送的是冷媒水，所以在冷熱水工程的戶式中央空調(diào)中，水工程的正常合理運行是至關(guān)重要的。
本文旨在借鑒大型中央空調(diào)水工程運行狀況及控制，來分析探討戶式中央空調(diào)水工程的實際運行狀況，并提出了有關(guān)問題的改進建議，使之更適于我國居住建筑節(jié)能方針政策和可持續(xù)發(fā)展的要求。
1、水工程運行分析
式中央空調(diào)工程實質(zhì)上是大型集中式空調(diào)的小型化，對于該工程的設(shè)計目前沒有統(tǒng)一的規(guī)范，安裝驗收也沒有統(tǒng)一的標準。筆者查閱了國內(nèi)外許多生產(chǎn)戶用冷水（熱泵）機組的廠家產(chǎn)品資料，對該類型機組的水工程設(shè)計安裝，大多廠家均只提供了簡單的水工程管路安裝示意圖，而且都籠統(tǒng)地指出，現(xiàn)場安裝參照設(shè)計規(guī)范或施工安裝規(guī)范。綜合各廠家在產(chǎn)品樣本中提供的安裝說明指導，典型的戶式中央空調(diào)水工程簡圖如圖1所示。
該空調(diào)工程類似于大型集中式空調(diào)冷源側(cè)定流量、負荷側(cè)變流量的單級泵變水量水工程型式，工程采用一臺戶用冷水（熱泵）機組作為冷（熱）源，室內(nèi)末端為風機盤管，每臺風機盤管回水支管上均安裝有電動二通閥（配溫控開關(guān)），由室內(nèi)溫控器控制風機盤管上的電動二通閥的開啟與關(guān)閉。當某一空調(diào)區(qū)域的溫度達到設(shè)定溫度時，該風機盤管的電動二通閥關(guān)閉，該支路不再有循環(huán)水流過，當風機盤管停止運行時，該閥也關(guān)閉。整個空調(diào)水工程配備了一臺循環(huán)水泵。循環(huán)水泵通常放置于機組內(nèi)部。
在室外氣溫較適中的季節(jié)，房間空調(diào)負荷不是很大，空調(diào)工程主機的運行也相應(yīng)是低負荷工況。各空調(diào)房間要達到設(shè)定的溫度范圍所需要的時間較短，而偏離設(shè)定溫度所需的時間較長，又由于風機盤管水量和熱量的非線形關(guān)系（比如50%的冷凍水量就可使盤管提供75%的冷量），因此房間風機盤管水路電動二通閥在大部分時間里處于關(guān)閉狀態(tài)，處于開啟狀態(tài)的時間很短，流過每臺風機盤管的水流量很不穩(wěn)定，綜合所有風機盤管的狀況，整個水工程的總水量波動就比較大，影響空調(diào)工程的正常運行。
在空調(diào)季節(jié)，房間空調(diào)負荷較大，主機運行處于滿負荷或高負荷工況，各空調(diào)房間達到所設(shè)定的溫度范圍所需要的時間較長，房間風機盤管水路電動二通閥在大部分時間內(nèi)處于開啟狀態(tài)，而關(guān)閉的時間較短，流過每臺風機盤管的水量比較穩(wěn)定，整個水工程的水量波動比上述季節(jié)水量波動要小，能保證空調(diào)工程的正常運行。
2、水工程改進與分析
從前面分析可知，在水工程運行過程中水量波動比較大的季節(jié)，整個工程的穩(wěn)定性較差。為了平衡工程的水流量，可以采取增加旁通的方法，如圖2所示�！ 〖丛谑彝庵鳈C的供回水干管之間增加旁通管和壓差旁通閥，旁通電動閥控制主機進出水管的壓力差為恒定值，保證主機的水量恒定。戶用冷水（熱泵）機組蒸發(fā)器側(cè)水流量一般均按冷凍水溫差為5℃的恒定流量設(shè)計，并要求在蒸發(fā)器出水口上設(shè)有水流量開關(guān)作為機組的斷水保護，所以運行過程中要確保主機的水流量恒定。當末端風機盤管的電動二通閥關(guān)閉時，該支路進出水口水壓將發(fā)生變化，進而引起主管供回水的壓力變化。增加旁通管路后，在機組部分負荷運行時，流過風機盤管的水量波動較大，引起供回水管路之間的水壓發(fā)生變化，根據(jù)壓差的變化來調(diào)節(jié)旁通電動閥的開度，控制旁通水量的多少，調(diào)節(jié)工程的水流量使之與負荷相適應(yīng)，以維持整個水工程的穩(wěn)定運行。
2.2 水工程變流量控制
在國家標準GB/T18430.2-2001中要求戶用冷水（熱泵）機組自身配置循環(huán)水泵，循環(huán)水泵的選型由主機制造廠家設(shè)計選用，在實際使用過程中就產(chǎn)生了許多問題。運行中，若冷（熱）水的進出水溫差在4～5℃時，工程功耗達到比較理想的水平。但是一般戶式中央空調(diào)水工程采用定流量方式，而一年中的熱負荷變化很大，只有少數(shù)時間是滿負荷狀態(tài)，多數(shù)時間水量輸送運行在過剩狀態(tài)，即水工程運行在大流量小溫差狀態(tài)，使傳熱系數(shù)變小，效率降低。而水泵始終運行在額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)，導致水泵機械磨損。
筆者查詢了部分主機廠家的戶用冷水（熱泵）機組內(nèi)置循環(huán)水泵的產(chǎn)品樣本資料，如McQuay（麥克維爾）的MAC-C系列、TICA（南京天加）的TCA系列等產(chǎn)品，其循環(huán)水泵的功耗最大要占機組總功率（壓縮機、冷凝風機電機和控制電氣部分之和）的20%左右，最小的達到8%，可見循環(huán)水泵在整個空調(diào)工程中的能耗占了相當大的一部分。通常在戶式中央空調(diào)工程設(shè)計選型過程中，人們只注意到機組性能系數(shù)（COP）的高低，而COP的大小只是反映了制冷工程的工作效率。因此，如何改進水泵的運行，達到整個工程節(jié)能的目的，采用變水量技術(shù)就是發(fā)展以水工程為主的戶式中央空調(diào)的關(guān)鍵。
借鑒目前大型集中式空調(diào)水工程變流量控制的模式，對目前戶式中央空調(diào)水工程也實行變流量控制，通過循環(huán)水泵的變頻控制來實現(xiàn)，控制器通過溫度傳感器采集冷（熱）水進出口溫度信號作為參考信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理，確定空調(diào)負荷狀況，根據(jù)負荷狀況通過變頻器控制循環(huán)水泵的水流量。當水泵運行的頻率降到設(shè)定最小值時，變頻器停止頻率的繼續(xù)降低，以起到對機組的斷流保護，如圖3所示。
當前各戶式中央空調(diào)機組生產(chǎn)廠家產(chǎn)品研發(fā)的注意力都集中于制冷劑變流量技術(shù)方面，如果能從水工程方面入手，借鑒大型集中式空調(diào)中水工程變流量技術(shù)的控制思路，并結(jié)合戶式中央空調(diào)的具體狀況將這項技術(shù)應(yīng)用到戶式中央空調(diào)水工程中，完全是切實可行的。
3、結(jié)束語
1）我國戶式中央空調(diào)的發(fā)展日益成熟，其中水工程型式的發(fā)展非常迅速，因此它的正常合理運行是非常重要的；
2）目前戶式中央空調(diào)水工程運行存在穩(wěn)定性差、能耗高等問題，可以通過增加旁通調(diào)節(jié)、水工程變流量控制等手段以達到節(jié)能和穩(wěn)定運行的目的；
3）變水量技術(shù)將是水工程型式戶式中央空調(diào)發(fā)展的新方向和關(guān)鍵技術(shù)。
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