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車間降溫設備軸流通風機擴散筒效率的測量和綜述戶式中央空調水系
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 / 西安電力高等專科學校
摘要：在查閱了國內所有關于軸流通風機擴散筒效率的論述和測量數據的基礎上，詳細推導了軸流通風機擴散筒效率、損失和靜壓升系數等公式，并對一臺按當量直徑設計的 16 號軸流通風機的擴散筒和擴散塔的效率進行了測量，結果表明：擴散筒的效率較文獻推薦值低。
關鍵詞：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、調節方便、便于安裝等突出的優點。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成本，建設節約型社會意義重大。
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形漸擴通道，目前多數文獻[2,3,7]采用當量直徑的方法設計擴散筒。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形擴散筒比擬成當量圓錐，但是，對于同樣的圓環形擴散筒，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值計算發現，兩種方法最終計算的結果與數值計算結果都相差較多，而且也沒有規律（該研究內容將另文發表）。所以，對通風機擴散筒的損失和效率還需要大量的數值研究和相應的試驗研究。
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為壓力增加，所以，其效率就應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：
根據以上公式，就可以計算或測量出擴散筒的效率，也可以根據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，是不妥當的說法，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－塔的軸流通風機結構如圖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的測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，進口內徑為994mm，出口外徑為1910mm，出口內徑為340mm，當量擴散角為12.7°，擴散塔出口面積為2730mm×1950mm。
3 測試結果分析
本次試驗分別對圖1所示的全套設備、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面積處理試驗數據的。
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面出口靜壓和動壓，出口的動壓和靜壓為相應的擴散筒和擴散筒－塔的出口動壓和靜壓，計算結果見表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： 我國戶式中央空調水工程型式的發展非常迅速。目前戶式中央空調水工程運行存在穩定性差、能耗高等問題，可以通過增加旁通調節、水工程變流量控制等手段以達到節能和穩定運行的目的。變水量技術將是水工程型式戶式中央空調發展的新方向和關鍵技術。
引言
隨著國民經濟的迅速發展，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形成了新的發展潮流，正成為空調行業發展的熱點，市場潛力巨大。
當前戶式中央空調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）機組和室內末端裝置組成。通過室外主機生產出空調冷熱水，由管路輸送到室內各末端裝置，進行空調。該工程的核心設備是風冷冷水（熱泵）機組，該機組是由壓縮機、風冷冷凝器、蒸發器等部件組成，還內置了循環水泵、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節其風機轉速或通過旁通閥調節流過盤管的水量，從而調節送入室內的冷熱量，既滿足了室內空調負荷的需求，又保證了室內空氣品質。
在《蒸氣壓縮循環冷水（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，對戶式中央空調工程中用的小型風冷冷水（熱泵）機組進行了統一規范和定義，稱其為戶用冷水（熱泵）機組，并明確規定“機組除配置所有制冷組件外還應包括冷水循環水泵”，且“機組配置的冷水循環水泵其流量和揚程應保證機組的正常工作，也可根據用戶要求或實際用途配置合適揚程的循環水泵”。由于室內輸送的是冷媒水，所以在冷熱水工程的戶式中央空調中，水工程的正常合理運行是至關重要的。
本文旨在借鑒大型中央空調水工程運行狀況及控制，來分析探討戶式中央空調水工程的實際運行狀況，并提出了有關問題的改進建議，使之更適于我國居住建筑節能方針政策和可持續發展的要求。
1、水工程運行分析
式中央空調工程實質上是大型集中式空調的小型化，對于該工程的設計目前沒有統一的規范，安裝驗收也沒有統一的標準。筆者查閱了國內外許多生產戶用冷水（熱泵）機組的廠家產品資料，對該類型機組的水工程設計安裝，大多廠家均只提供了簡單的水工程管路安裝示意圖，而且都籠統地指出，現場安裝參照設計規范或施工安裝規范。綜合各廠家在產品樣本中提供的安裝說明指導，典型的戶式中央空調水工程簡圖如圖1所示。
該空調工程類似于大型集中式空調冷源側定流量、負荷側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），由室內溫控器控制風機盤管上的電動二通閥的開啟與關閉。當某一空調區域的溫度達到設定溫度時，該風機盤管的電動二通閥關閉，該支路不再有循環水流過，當風機盤管停止運行時，該閥也關閉。整個空調水工程配備了一臺循環水泵。循環水泵通常放置于機組內部。
在室外氣溫較適中的季節，房間空調負荷不是很大，空調工程主機的運行也相應是低負荷工況。各空調房間要達到設定的溫度范圍所需要的時間較短，而偏離設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閉狀態，處于開啟狀態的時間很短，流過每臺風機盤管的水流量很不穩定，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，影響空調工程的正常運行。
在空調季節，房間空調負荷較大，主機運行處于滿負荷或高負荷工況，各空調房間達到所設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處于開啟狀態，而關閉的時間較短，流過每臺風機盤管的水量比較穩定，整個水工程的水量波動比上述季節水量波動要小，能保證空調工程的正常運行。
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，整個工程的穩定性較差。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）機組蒸發器側水流量一般均按冷凍水溫差為5℃的恒定流量設計，并要求在蒸發器出水口上設有水流量開關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閉時，該支路進出水口水壓將發生變化，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生變化，根據壓差的變化來調節旁通電動閥的開度，控制旁通水量的多少，調節工程的水流量使之與負荷相適應，以維持整個水工程的穩定運行。
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）機組自身配置循環水泵，循環水泵的選型由主機制造廠家設計選用，在實際使用過程中就產生了許多問題。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，只有少數時間是滿負荷狀態，多數時間水量輸送運行在過剩狀態，即水工程運行在大流量小溫差狀態，使傳熱系數變小，效率降低。而水泵始終運行在額定轉速狀態，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）機組內置循環水泵的產品樣本資料，如McQuay（麥克維爾）的MAC-C系列、TICA（南京天加）的TCA系列等產品，其循環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%，可見循環水泵在整個空調工程中的能耗占了相當大的一部分。通常在戶式中央空調工程設計選型過程中，人們只注意到機組性能系數（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，達到整個工程節能的目的，采用變水量技術就是發展以水工程為主的戶式中央空調的關鍵。
借鑒目前大型集中式空調水工程變流量控制的模式，對目前戶式中央空調水工程也實行變流量控制，通過循環水泵的變頻控制來實現，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，經過數據分析處理，確定空調負荷狀況，根據負荷狀況通過變頻器控制循環水泵的水流量。當水泵運行的頻率降到設定最小值時，變頻器停止頻率的繼續降低，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機組生產廠家產品研發的注意力都集中于制冷劑變流量技術方面，如果能從水工程方面入手，借鑒大型集中式空調中水工程變流量技術的控制思路，并結合戶式中央空調的具體狀況將這項技術應用到戶式中央空調水工程中，完全是切實可行的。
3、結束語
1）我國戶式中央空調的發展日益成熟，其中水工程型式的發展非常迅速，因此它的正常合理運行是非常重要的；
2）目前戶式中央空調水工程運行存在穩定性差、能耗高等問題，可以通過增加旁通調節、水工程變流量控制等手段以達到節能和穩定運行的目的；
3）變水量技術將是水工程型式戶式中央空調發展的新方向和關鍵技術。
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