空壓機性能的研究與動態(tài)模型建立

　　隨著集中空調(diào)系統(tǒng)的大量應用，電力需求急劇增加，導致(cause)部分地區(qū)用電高峰時段電力緊缺。為解決這一問題，蓄能空調(diào)技術開始受到重視。目前應用較多、技術相對成熟的蓄能技術當屬冰蓄冷技術，但冰蓄冷技術還不能完全解決濕熱地區(qū)室內(nèi)空氣(Basin air)除濕及提高空調(diào)舒適性的問題。為此，筆者提出了一種先進的蓄能空調(diào)技術DDD變質(zhì)量能量轉(zhuǎn)換及儲存技術，該技術有閉式和開式兩種工作循環(huán)類型。本研究主要目的是揭示開式蓄能除濕空調(diào)系統(tǒng)運行中能量轉(zhuǎn)換及儲存過程質(zhì)能的變化規(guī)律、系統(tǒng)內(nèi)溶液參數(shù)及各設備(shèbèi)工作參數(shù)和負荷隨系統(tǒng)運行時間的變化關系。
　　1系統(tǒng)(system)工作循環(huán)和流程開式蓄能除濕(Dehumidify)空調(diào)系統(tǒng)工作流程如所示。
　　采用全量蓄能策略時，用電低谷時段控制閥V4開式蓄能除濕(Dehumidify)空調(diào)系統(tǒng)工作循環(huán)和流程(liú chéng)開，V1關，溶液(Solution)泵將少量溶液送入發(fā)生/冷凝器，由輔助加熱器加熱這部分溶液；發(fā)生/冷凝器內(nèi)的壓力升高到設計壓力，加熱器停止(stop)工作；壓縮機(compressor)啟動，溶液泵再次將溶液儲罐內(nèi)溶液加壓，并經(jīng)溶液換熱器加熱后噴淋在發(fā)生/冷凝器的換熱管束外；溶液受熱產(chǎn)生過熱水蒸氣，經(jīng)加濕降溫處理后進入壓縮機；壓縮后的水蒸氣在換熱管束內(nèi)冷凝，冷凝熱傳給管束外溶液作為發(fā)生熱；大部分凝結(jié)水進入水儲罐；出發(fā)生/冷凝器的溶液經(jīng)換熱器降溫后流回溶液儲罐。昆山空壓機是回轉(zhuǎn)容積式壓縮機，在其中水或其它液體當作活塞來壓縮氣體，然后將氣體排出。隨著上述過程的進行，溶液儲罐內(nèi)溶液質(zhì)量逐漸減少，溶液濃度逐漸增大，溶液化學勢增大。
　　當溶液儲罐內(nèi)溶液濃度達到設計值后，充能過程結(jié)束，壓縮機(compressor)停止運行，V4關，V1開。
　　釋能時，儲罐內(nèi)水和溶液分別進入蒸發(fā)器和吸收器；產(chǎn)生的水蒸氣進入吸收器被溶液吸收；出吸收器的溶液經(jīng)再循環(huán)泵加壓送入除濕器，吸收空氣中的水；出除濕器的稀溶液分流，一部分通過閥V3與來自溶液儲罐的濃溶液混合進行循環(huán)，保證除濕器有合適的氣液比，另一部分進入溶液儲罐；出蒸發(fā)器的冷水部分進入室內(nèi)風機盤管系統(tǒng)，承擔室內(nèi)冷負荷，另一部分引入除濕空調(diào)器，承擔新風降溫冷負荷，由此達到對顯熱負荷和潛熱負荷的分別處理(chǔ lǐ)。隨著上述過程的進行，溶液儲罐內(nèi)溶液質(zhì)量逐漸增加，溶液濃度逐漸降低，溶液化學勢減小，儲存能量轉(zhuǎn)換成冷量和除濕能。釋能結(jié)束后，水儲罐內(nèi)多余水被排空，系統(tǒng)完成一個工作循環(huán)，所用時間為24 h.
　　因溶液儲罐內(nèi)溶液物性參數(shù)均隨時間而變，導致蓄能除濕空調(diào)系統(tǒng)運行特性、設備負荷等參數(shù)也隨時間而變，系統(tǒng)運行過程(guò chéng)是動態(tài)的，需要采用數(shù)值方法對系統(tǒng)循環(huán)熱力過程進行求解。
　　開式蓄能除濕空調(diào)系統(tǒng)可采用的工作溶液有溴化鋰、氯化鋰、氯化鈣和三甘醇等水溶液，它們都各有特點。在溶液除濕領域(field)內(nèi)，氯化鋰水溶液具有比較好的工作特性而被廣泛使用，本文對采用氯化鋰水溶液作為工作溶液的蓄能除濕空調(diào)系統(tǒng)進行研究。
　　2動態(tài)數(shù)學模型
　　2. 1建模假設在建立開式蓄能除濕空調(diào)系統(tǒng)運行過程(guò chéng)動態(tài)數(shù)學模型(model)前，需對系統(tǒng)工作過程作如下簡化：1）忽略流體的流動阻力(resistance)和泵消耗的功；2）不考慮系統(tǒng)啟動時的升壓過程；3）忽略發(fā)生/冷凝器內(nèi)的存液量；4）忽略系統(tǒng)各設備熱容；5）系統(tǒng)內(nèi)各設備充分絕熱；6）任何時刻溶液儲罐內(nèi)溶液質(zhì)量分數(shù)和溫度分布均勻。
　　2. 2動態(tài)模型建立為便于建立動態(tài)模型，可將所示的蓄能系統(tǒng)分成若干個模塊（模塊的劃分比較隨意，可以將蓄能系統(tǒng)內(nèi)的某一部件作為一個模塊，也可以將多個部件作為一個模塊） ，分別對每一模塊建立質(zhì)量及能量動態(tài)平衡方程，然后聯(lián)立這些方程進行數(shù)值求解。
　　任意時刻τ，第k個模塊的質(zhì)量動態(tài)平衡方程為d m k（τ）dτ=∑d m k ，i（τ）dτ-∑d m k ，o（τ）dτ（1）0 =∑d m k ，i（τ）dτξi（τ） -∑d m k ，o（τ）dτξo（τ）（2）式（1） ，（2）中m為質(zhì)量，kg ；ξ為LiCl的質(zhì)量分數(shù)；下標i ，o分別表示進、出第k個模塊界面的流股。
　　第k個模塊的能量動態(tài)平衡方程為d E（τ）dτ=∑d Q k ，i（τ）dτ+∑d m k ，i（τ）dτh k ，i（τ） -∑d Q k ，o（τ）dτ-∑d m k ，o（τ）dτh k ，o（τ）（3）
　　式中E為能量，kWh或MJ ；Q為熱量或冷量，kWh或MJ ；h為比焓， kJ/ kg.
　　壓縮(compression)機功率為N
　?。é樱?= d m w dτ+ d m 1（τ）dτ act =
　　（ m wv + m 1） isηis（4）式中N為壓縮機的功率，W ；m w為水儲罐中水的質(zhì)量，kg ；m 1為加濕器中水的質(zhì)量，kg ；h 1和h 11分別為壓縮機出口和入口水蒸氣的比焓，kJ/ kg ；m wv為出發(fā)生/冷凝器的水蒸氣質(zhì)量流量，kg/ s ，等于進入水儲罐的冷凝水的質(zhì)量流量m w；m 1為噴入加濕器的水的質(zhì)量流量，kg/ s ；η為壓縮機效率；下標act指實際過程，is指等熵壓縮過程。
　　壓縮(compression)機所消耗的電能為W c（τ） =∫τ0 d W c（τ）dτdτ=∫τ0 N
　?。é樱ヾτ（5）各儲罐中溶液或水的質(zhì)量和能量的變化為m ss（τ） = m ss（τ） |τ= 0 +∫τ0 d m ss（τ）dτdτ（6）E ss（τ） = E ss（τ） |τ= 0 +∫τ0 d E ss（τ）dτdτ（7）m ws（τ） = m ws（τ） |τ= 0 +∫τ0 d m ws（τ）dτdτ（8）E ws（τ） = E ws（τ） |τ= 0 +∫τ0 d E ws（τ）dτdτ（9）式（6）～（9）中下標ss指溶液儲罐，ws指水儲罐。
　　蒸發(fā)器、吸收器和水儲罐冷卻(cooling)器的換熱量為Q e（τ） =∫τ0 d Q e（τ）dτdτ（10）Q ab（τ） =∫τ0 d Q ab（τ）dτdτ（11）Q ws（τ） =∫τ0 d Q ws（τ）dτdτ=∫τ0 c p ，w（τ） d m w（τ）dτdτ（12）式（10）～（12）中c p ，w為水的比定壓熱容， kJ/（kg ℃） ；t 3和t 4分別為進入水儲罐的冷凝水溫度和水儲罐出口水溫，℃；下標e指蒸發(fā)器，ab指吸收器。文氣/液質(zhì)量流量比小于
　　2. 3時，絕熱除濕過程可近似看作等溫除濕過程。昆山空壓機維修在啟動前，首先啟動油泵控制系統(tǒng)，油泵控制系統(tǒng)啟動后保證空壓機各潤滑部件潤滑良好，同時油泵控制系統(tǒng)可通過內(nèi)置的溫控閥來調(diào)節(jié)內(nèi)部油壓和油溫，以滿足系統(tǒng)需要。在小氣液比條件下，新風處理過程可以看作是先等溫除濕，后等濕冷卻降溫的過程。
　　等濕冷卻降溫過程能量平衡方程為d Q a（τ）dτ= d m a（τ）dτ- 2 500 d m a（τ）dτ（13）式中d為濕空氣含濕量，g/ kg ；下標a指濕空氣。
　　τ時刻，新風處理過程帶入系統(tǒng)的能量(energy)以及等濕冷卻降溫過程消耗的冷量分別為E a（τ） =∫τ0 d m a（τ）dτdτ（14）Q a（τ） =∫τ0 d Q a（τ）dτdτ（15）進出系統(tǒng)的能量必須守恒，這是檢驗充、釋能過程數(shù)值模擬是否準確的重要判據(jù)，即W c（τ） + Q e（τ） + = E ss（τ） + E ws（τ） + Q ab（τ） + Q ws（τ）（16）需要注意的是，新風除濕過程釋放的熱量最終通過吸收器排出，而新風冷卻降溫過程所消耗的冷量是由蒸發(fā)器提供的，排熱量Q a計入蓄能系統(tǒng)的制冷量中。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設備?？諝鈮嚎s機與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。
　　3算例以我國南方高濕地區(qū)辦公建筑除濕空調(diào)工況為例，對該系統(tǒng)按全量蓄能策略運行時的工作過程(guò chéng)進行數(shù)值模擬，得到該蓄能系統(tǒng)在除濕空調(diào)工況下運行參數(shù)隨時間的變化關系。蓄能除濕空調(diào)系統(tǒng)如所示。系統(tǒng)對建筑物的顯熱和潛熱負荷分別進行處理，即采用無回風的獨立新風系統(tǒng)，建筑物濕負荷由新風承擔，切斷了室內(nèi)病菌的傳播途徑。
　　空調(diào)建筑新風量12 760 m 3 / h ，19 ：00后新風量減小。設計日室外氣溫變化范圍為27～35℃，平均相對濕度為75 %。處理(chǔ lǐ)后的新風溫度為25℃，相對濕度為45 %。設計日逐時空調(diào)總負荷、新風負荷、室外溫度及冷卻水溫度所示。系統(tǒng)蒸發(fā)溫度為7℃，溶液換熱器冷端溫差為10℃，發(fā)生壓力(pressure)為40 kPa ，壓縮機等熵效率(efficiency)為60 %，吸收
　　器出口溫度比冷卻水入口溫度高5℃。設定除濕器內(nèi)氣液比為
　　1. 36.系統(tǒng)充能時間為10 h
　?。?2 ：00～8 ：00） ，充能時段無空調(diào)負荷；釋能時間為14 h（8 ：00～22 ：00）。
　　4數(shù)值模擬結(jié)果及分析經(jīng)數(shù)值模擬，設計日充能開始時刻，兩儲罐內(nèi)溶液(Solution)或水的參數(shù)分別為：ξss（τ） |τ= 0 = 0. 387 0 ，m ss（τ）|τ= 0 = 28 123 kg
　?。╒ ss | max = 
　　2
　　2. 43 m 3） ，t ss（τ）|τ= 0 = 3
　　3. 3℃，m ws（τ） |τ= 0 = 0 kg.
　　系統(tǒng)充、釋能過程各儲罐內(nèi)溶液或水的質(zhì)量和能量隨時間的變化如圖5所示。充能過程溶液儲罐內(nèi)溶液質(zhì)量逐漸減少，能量逐漸增加；而水儲罐內(nèi)的質(zhì)量和能量均增加。水儲罐水溫保持恒定（28℃） ，因此其能量的增加只是因質(zhì)量增加的緣故。
　　溶液儲罐內(nèi)溶液能量(energy)變化受兩因素影響(influence)，一是儲罐內(nèi)溶液濃度變化使其化學勢變化，導致溶液潛能發(fā)生變化；二是溶液溫度變化，使溶液顯能發(fā)生變化。
　　釋能過程(guò chéng)儲罐內(nèi)質(zhì)量和能量的變化與充能過程正好相反。充、釋能過程中各儲罐內(nèi)溶液或水的質(zhì)量和能量隨時間的變化溶液儲罐內(nèi)溶液溫度和LiCl質(zhì)量分數(shù)隨時間的變化如所示。充能過程溶液儲罐內(nèi)水分不斷減少，LiCl質(zhì)量分數(shù)不斷增大，充能結(jié)束時達到最大，為50. 2 %。儲罐內(nèi)溶液溫度升高的原因是，出溶液換熱器的濃溶液溫度比儲罐內(nèi)溶液溫度高10℃，熱量被濃溶液帶入儲罐并積累，使儲罐內(nèi)溶液溫度升高。
　　充、釋能過程中溶液(Solution)儲罐內(nèi)溶液溫度和LiCl的質(zhì)量分數(shù)隨時間的變化充能結(jié)束時各儲罐內(nèi)的參數(shù)分別為：m ss |τ= 10 h = 21 680 kg ，ξss（τ） |τ= 10 h = 0. 502 ，t ss（τ） |τ= 10 h = 6
　　3. 8℃，m ws（τ） |τ= 10 h = 6 443 kg
　?。╒ ws | max = 
　　6. 57 m 3）。釋能過程結(jié)束時，溶液儲罐內(nèi)溶液參數(shù)(parameter)恢復到充能開始時刻的值。而水儲罐內(nèi)剩余的水量為m ws（τ） |τ= 14 h = 1 960 kg ，這部分水被排掉。
　　充能過程溶液儲罐內(nèi)LiCl濃度逐漸增大，發(fā)生溫度不斷升高，導致壓縮機出口壓力（p c）和溫度升高。壓縮機吸入壓力不變（p g = 40 kPa） ，則壓縮機壓縮比（Γ= p c / p g）隨之增加。為避免壓縮機排氣溫度過高，采用濕壓縮方式。模擬計算時，壓縮機出口水蒸氣(簡稱水汽)始終處于飽和狀態(tài)。為滿足這一條件，可調(diào)節(jié)噴入加濕器的水流量（m 1） ，改變濕蒸氣干度。經(jīng)數(shù)值模擬，充能過程噴入減溫器的水流量從0. 034 4 kg/ s逐漸增大到0. 046 7 kg/ s ，相應出加濕器的水蒸氣干度從0. 849逐漸降低到0. 816.由于吸入的濕蒸氣質(zhì)量流量和壓縮比均隨充能時間而增大，故壓縮機所需的功率（N）也逐漸增大，從充能開始時的14
　　9. 7 kW增加到結(jié)束時的19
　　2. 9 kW.
　　隨充能時間的變化釋能過程壓縮(compression)機停止(stop)工作，系統(tǒng)(system)依靠儲存在溶液(Solution)儲罐內(nèi)的溶液潛能(Potential)完成制冷和除濕工作。釋能過程各換熱設備熱負荷隨時間的變化如圖9所示。
　　吸收器不僅負擔來自蒸發(fā)(evaporation)器的負荷，還負擔來自除圖9釋能過程(guò chéng)各換熱設備的負荷隨時間的變化濕器的負荷，熱負荷較大。與除濕過程的潛熱負荷比，除濕后新風冷卻所需的冷負荷很小。除濕過程最大潛熱負荷為15
　　2. 1 kW ，而新風冷卻所需的最大冷負荷為4
　　2. 79 kW.蒸發(fā)器負荷包括室內(nèi)空調(diào)負荷和新風冷卻負荷兩部分。
　　顯示了釋能過程流過各控制（control)閥和再循環(huán)泵的溶液質(zhì)量流量隨時間的變化。昆山空壓機保養(yǎng)主要噪聲源是進、排氣口，應選用適宜的進排氣消聲器?？諌簷C進氣噪聲的頻譜呈低頻特性，進氣消聲器應選用抗性結(jié)構(gòu)或以個、抗性為主的阻抗復合式結(jié)構(gòu)。空壓機的排氣氣壓大，氣流速度高，應在空壓機排氣口使用小孔消聲器通過控制閥V1
　　釋能過程流過各控制閥和再循環(huán)泵的質(zhì)量流量隨時間的變化和V2的溶液質(zhì)量流量隨時間的變化關系相同，也與空調(diào)逐時總負荷變化規(guī)律相似，兩者的流量差是溶液吸收的總水流量。在釋能開始階段，因溶液儲罐內(nèi)溶液中LiCl質(zhì)量分數(shù)高而空調(diào)總負荷低，通過V2控制閥的溶液質(zhì)量流量較小。隨著釋能過程的進行，溶液儲罐內(nèi)溶液中LiCl質(zhì)量分數(shù)逐漸降低而空調(diào)總負荷逐漸增加，通過V2控制閥的溶液質(zhì)量流量迅速增大，其原因在于當空調(diào)負荷逐漸增大時，需要更多的濃溶液來吸收來自蒸發(fā)器的水蒸氣。到16 ：00時空調(diào)總負荷開始降低，盡管這時溶液儲罐內(nèi)溶液中LiCl質(zhì)量分數(shù)已經(jīng)降低，但通過V2控制閥的溶液質(zhì)量流量也開始減小。因此通過數(shù)值模擬可以知道，空調(diào)負荷對流過各控制閥的溶液流量影響更大。在模擬計算中，吸收器出口溶液質(zhì)量流量受除濕器中氣液比限制，流量變化不大（19 ：00以后新風流量降低，進入除濕器的溶液流量也隨之減?。?。
　　而吸收器入口溶液質(zhì)量流量等于吸收器出口質(zhì)量流量減去進入蒸發(fā)器的水流量。與溶液質(zhì)量流量相比，水流量要小得多。故吸收器入口溶液質(zhì)量流量變化規(guī)律與出口質(zhì)量流量相似，并等于通過V2和V3的溶液質(zhì)量流量。因此，通過控制閥(Control valve)V3的回流溶液的質(zhì)量流量變化正好與通過控制閥V2的溶液質(zhì)量流量相反。
　　5系統(tǒng)COP及有效蓄能密度開式蓄能除濕空調(diào)系統(tǒng)的循環(huán)CO P為CO P =∑Q e +∑（ E a - Q a）∑W c = 2。55蓄能密度是評價蓄能系統(tǒng)的另一項重要指標，可以作為衡量蓄能系統(tǒng)體積利用率的一個尺度。
　　定義有效體積蓄能密度為系統(tǒng)輸出能量與儲罐總?cè)莘e之比，即SD = 0185（Q e + E a - Q a） | ss V ss | max + V ws | max = 0185（Q e + E a - Q a） | ss m ssρss max + m wsρws max = 1
　　30. 4 kWh/ m 3 = 46
　　9. 6 MJ/ m 3式中系數(shù)0. 85是考慮到液體受溫度和壓力影響而膨脹儲罐需要留有一定的空間(space)；V ss | max和V ws | max分別為計算得到的在最大儲液量時儲罐的容積；（Q e + E a - Q a） | ss為系統(tǒng)儲存的能量轉(zhuǎn)換輸出的冷能和除濕潛熱量。
　　6結(jié)論采用全蓄能策略運行開式蓄能除濕空調(diào)，壓縮機在夜間用電低谷時段運行工作，將夜間富裕的電能轉(zhuǎn)換成工作溶液的化學勢能并儲存起來；白天用電高峰時段壓縮機不工作，系統(tǒng)依靠存儲在溶液儲罐內(nèi)的溶液化學勢完成制冷(Refrigeration)及除濕的目的，能夠很好地起到削峰填谷的作用。昆山空壓機保養(yǎng)主要噪聲源是進、排氣口，應選用適宜的進排氣消聲器?？諌簷C進氣噪聲的頻譜呈低頻特性，進氣消聲器應選用抗性結(jié)構(gòu)或以個、抗性為主的阻抗復合式結(jié)構(gòu)?？諌簷C的排氣氣壓大，氣流速度高，應在空壓機排氣口使用小孔消聲器
　　該蓄能除濕空調(diào)系統(tǒng)的蓄能原理、運行方式和循環(huán)熱力計算與常規(guī)蓄能空調(diào)完全不同，不僅可以緩解高峰用電緊張的矛盾，同時還有如下特性：1）用水作為制冷劑，OD P和GW P均為0 ，對環(huán)境無任何損害；2）壓縮(compression)機吸入壓力與蒸發(fā)壓力無關，可以通過提高發(fā)生壓力來減小蒸汽壓縮機的尺寸；3）儲存的能量既可轉(zhuǎn)換成冷量供建筑空調(diào)使用(use)，還可轉(zhuǎn)換成除濕潛熱供新風除濕處理(chǔ lǐ)使用；4）系統(tǒng)的蓄能儲罐結(jié)構(gòu)簡單，有效蓄能密度大；5）系統(tǒng)輸出冷水的溫度（temperature)與普通集中空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)制冷機組輸出冷水的溫度相同，可以比較容易地將普通空調(diào)系統(tǒng)改造成蓄能空調(diào)系統(tǒng)，而不需要改動投資較大又較難改造的空調(diào)管路和末端系統(tǒng)。
　　本文數(shù)值模擬計算結(jié)果(result)的分析對了解開式蓄能除濕空調(diào)系統(tǒng)工作特性有很大的幫助，這些計算結(jié)果也是蓄能系統(tǒng)設計、設備選型或設計、運行控制、技術經(jīng)濟評價等的基礎數(shù)據(jù)。作為一種新的能量轉(zhuǎn)換及儲存技術，其所具有的工作特點與其他蓄能技術完全不同。該技術不僅可對電力負荷起到削峰填谷作用，而且具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率和較大的溶劑有效蓄能密度，有著良好的開發(fā)和應用前景。