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车间降温设备轴流通风机扩散筒效率的测量和综述户式中央空调水系
轴流通风机扩散筒效率的测量和综述
李景银 / 西安交通大学能动学院流体机械研究所
郭 琦 / 西安电力高等专科学校
摘要：在查阅了国内所有关于轴流通风机扩散筒效率的论述和测量数据的基础上，详细推导了轴流通风机扩散筒效率、损失和静压升系数等公式，并对一台按当量直径设计的 16 号轴流通风机的扩散筒和扩散塔的效率进行了测量，结果表明：扩散筒的效率较文献推荐值低。
关键词：轴流式通风机 扩散筒 效率 测量 综述
中图分类号：TH432.1 文献标识码：B
文章编号：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
轴流通风机具有效率高、相对尺寸小、调节方便、便于安装等突出的优点。然而，如文献 [1]所介绍，在煤矿通风工程中，轴流主扇的耗电占全矿总耗电的14％以上。因此，如何提高风机效率对降低生产成本，建设节约型社会意义重大。
轴流通风机的出口速度大，一般其出口动能占风机全压的30%以上[2] ，对于有些流量大而压力较低的轴流通风机，其出口动能甚至占到风机全压的50％左右。因此，必须在轴流通风机的后面安装扩散筒或扩散筒－塔来回收动能，特别是抽出式通风机。所以，扩散筒的效率对风机整机的效率影响极大。
关于轴流通风机扩散筒的效率有许多不同的说法，文献[2]认为效率一般在80%～85％之间；文献[3]则认为，扩散筒效率选取80％是比较保守的，一般在进口边界层较薄时，效率可到 87%～88％，再加上排气管效率可再增加1%～4％；而文献[4]在计算压缩机进出口元件时，推荐扩压器的效率为60%～80% 。由此可见，不同文献对轴流通风机扩散筒的效率的选择相差很大。从查阅的有限的测量扩散筒、塔效率的文献[5，6]看，扩散筒－塔效率一般在40％～69％之间，比文献[2，3]推荐的效率要低得多。
综上所述，目前对实际使用中的轴流通风机扩散筒的效率研究还很少，同时，也是分歧比较大的一个关键问题。
1 轴流通风机扩散筒效率计算的方法和一些基本概念
大型轴流通风机的扩散筒一般是圆环形渐扩通道，目前多数文献[2,3,7]采用当量直径的方法设计扩散筒。文献[7]利用文献[3]中的资料，对轴流通风机扩散筒的设计作了较详细的介绍，但是，其扩散筒的效率还是采用了选取的方法，设计具有相当大的盲目性。文献[8]是笔者查到的唯一一个具体计算扩散筒水利损失的国内文献。该文献采用水利直径，将扩散筒比拟成当量圆锥，从而计算扩散筒的沿程损失和扩压损失，该方法可以考虑扩散筒材料等影响因素，但是，文献[3]称，环形通道采用水利直径计算的水利损失比实际的要小。
虽然采用当量直径和水利直径都可以将风机环形扩散筒比拟成当量圆锥，但是，对于同样的圆环形扩散筒，分别采用当量直径和水利直径，得出的当量圆锥直径和扩散角差别很大，因此，计算的水利损失也不同。笔者通过三维粘性数值计算发现，两种方法最终计算的结果与数值计算结果都相差较多，而且也没有规律（该研究内容将另文发表）。所以，对通风机扩散筒的损失和效率还需要大量的数值研究和相应的试验研究。
风机扩散筒的作用就是将扩散筒的进口气流动能通过减速变为压力增加，所以，其效率就应该是实际压力增加与理想压力增加的比值。具体推导如下：
由实际不可压气体伯努力方程可知：
根据以上公式，就可以计算或测量出扩散筒的效率，也可以根据风机本体的性能和扩散筒的效率，估算出风机加装扩散筒后的效率和压力。文献[5]称风机行业使用的风机全压力是指风机主体出口截面与进口截面的全压力差，是不妥当的说法，是对风机测试标准不了解所致。
2 轴流通风机扩散筒－塔的测试方法和仪器
一个带有扩散筒－塔的轴流通风机结构如图1所示。采用工程方法，在符合GB/T1236-2000标准的抽出式风筒测试平台上，对风机本体，风机本体+扩散筒，风机本体+扩散筒+消声器+扩散塔3种不同安装方式时的风机装置的性能进行了测试。
按定义对扩散筒的性能的测定应该是在风机本体+扩散筒的装置中，在扩散筒的边壁开测压孔和测量进口风速的分布，并在扩散筒出口测量风速的分布，然后，按式（2）积分计算。由于测试的风机太大，按该方法测量，皮托管不易定位，所以按工程方法，通过假定风机本体 + 扩散筒的性能，与风机本体性能相减去的方法，计算出扩散筒的效率。该方法不是非常严谨的测试扩散筒性能的方法。同样，也按该方法测试了扩散筒－塔的效率。
所用的测量风机静压和流量的变送器为EJA110A-DLS5A-92DA，量程为0～7500Pa和0～ 1500Pa，精度0.075％。其余相应的测量仪器均符合国家测量精度和标准。在测试过程中，压力测量与补偿式微压计做工了对比，符合很好。
该扩散筒的进口外径为1632mm，进口内径为994mm，出口外径为1910mm，出口内径为340mm，当量扩散角为12.7°，扩散塔出口面积为2730mm×1950mm。
3 测试结果分析
本次试验分别对图1所示的全套设备、只带有扩散筒和只有风机本体的风机性能做了测量，性能处理结果如图2和图3所示。只有风机本体的风机性能试验是按照环面积处理试验数据的。
从图2和图3看出，风机的性能测试没有坏点，测试曲线比较光滑。为了方便计算扩散筒和扩散筒－塔的扩散效率，将两个图的静压和动压性能曲线按最小二乘法，按两次和三次曲线进行拟合，然后在同样流量下，按式（2）计算扩散效率。进口的静压和动压为风机本体的环面出口静压和动压，出口的动压和静压为相应的扩散筒和扩散筒－塔的出口动压和静压，计算结果见表1。
表1 测量的扩散筒效率和扩散筒－塔的效率
流量/（m3/min ）
扩散筒效率
扩散筒－塔效率
1800
0.527333685
0.160072675
摘要： 我国户式中央空调水工程型式的发展非常迅速。目前户式中央空调水工程运行存在稳定性差、能耗高等问题，可以通过增加旁通调节、水工程变流量控制等手段以达到节能和稳定运行的目的。变水量技术将是水工程型式户式中央空调发展的新方向和关键技术。
引言
随着国民经济的迅速发展，人民生活水平的不断提高及居住条件的改善，大面积多居室的单元房、复式住宅及别墅、小型的办公写字楼、商店、宾馆等建筑越来越多，与之相配套适用的户式中央空调形成了新的发展潮流，正成为空调行业发展的热点，市场潜力巨大。
当前户式中央空调可分为三种主要型式：风管工程、冷热水工程和制冷剂工程。其中冷热水工程是由小型风冷冷水（热泵）机组和室内末端装置组成。通过室外主机生产出空调冷热水，由管路输送到室内各末端装置，进行空调。该工程的核心设备是风冷冷水（热泵）机组，该机组是由压缩机、风冷冷凝器、蒸发器等部件组成，还内置了循环水泵、膨胀水箱等部件；末端装置通常为风机盘管和新风机组搭配使用，风机盘管一般可以调节其风机转速或通过旁通阀调节流过盘管的水量，从而调节送入室内的冷热量，既满足了室内空调负荷的需求，又保证了室内空气品质。
在《蒸气压缩循环冷水（热泵）机组 户用和类似用途的冷水（热泵）机组》（GB/T18430.2-2001）国家标准中，对户式中央空调工程中用的小型风冷冷水（热泵）机组进行了统一规范和定义，称其为户用冷水（热泵）机组，并明确规定“机组除配置所有制冷组件外还应包括冷水循环水泵”，且“机组配置的冷水循环水泵其流量和扬程应保证机组的正常工作，也可根据用户要求或实际用途配置合适扬程的循环水泵”。由于室内输送的是冷媒水，所以在冷热水工程的户式中央空调中，水工程的正常合理运行是至关重要的。
本文旨在借鉴大型中央空调水工程运行状况及控制，来分析探讨户式中央空调水工程的实际运行状况，并提出了有关问题的改进建议，使之更适于我国居住建筑节能方针政策和可持续发展的要求。
1、水工程运行分析
式中央空调工程实质上是大型集中式空调的小型化，对于该工程的设计目前没有统一的规范，安装验收也没有统一的标准。笔者查阅了国内外许多生产户用冷水（热泵）机组的厂家产品资料，对该类型机组的水工程设计安装，大多厂家均只提供了简单的水工程管路安装示意图，而且都笼统地指出，现场安装参照设计规范或施工安装规范。综合各厂家在产品样本中提供的安装说明指导，典型的户式中央空调水工程简图如图1所示。
该空调工程类似于大型集中式空调冷源侧定流量、负荷侧变流量的单级泵变水量水工程型式，工程采用一台户用冷水（热泵）机组作为冷（热）源，室内末端为风机盘管，每台风机盘管回水支管上均安装有电动二通阀（配温控开关），由室内温控器控制风机盘管上的电动二通阀的开启与关闭。当某一空调区域的温度达到设定温度时，该风机盘管的电动二通阀关闭，该支路不再有循环水流过，当风机盘管停止运行时，该阀也关闭。整个空调水工程配备了一台循环水泵。循环水泵通常放置于机组内部。
在室外气温较适中的季节，房间空调负荷不是很大，空调工程主机的运行也相应是低负荷工况。各空调房间要达到设定的温度范围所需要的时间较短，而偏离设定温度所需的时间较长，又由于风机盘管水量和热量的非线形关系（比如50%的冷冻水量就可使盘管提供75%的冷量），因此房间风机盘管水路电动二通阀在大部分时间里处于关闭状态，处于开启状态的时间很短，流过每台风机盘管的水流量很不稳定，综合所有风机盘管的状况，整个水工程的总水量波动就比较大，影响空调工程的正常运行。
在空调季节，房间空调负荷较大，主机运行处于满负荷或高负荷工况，各空调房间达到所设定的温度范围所需要的时间较长，房间风机盘管水路电动二通阀在大部分时间内处于开启状态，而关闭的时间较短，流过每台风机盘管的水量比较稳定，整个水工程的水量波动比上述季节水量波动要小，能保证空调工程的正常运行。
2、水工程改进与分析
从前面分析可知，在水工程运行过程中水量波动比较大的季节，整个工程的稳定性较差。为了平衡工程的水流量，可以采取增加旁通的方法，如图2所示。 即在室外主机的供回水干管之间增加旁通管和压差旁通阀，旁通电动阀控制主机进出水管的压力差为恒定值，保证主机的水量恒定。户用冷水（热泵）机组蒸发器侧水流量一般均按冷冻水温差为5℃的恒定流量设计，并要求在蒸发器出水口上设有水流量开关作为机组的断水保护，所以运行过程中要确保主机的水流量恒定。当末端风机盘管的电动二通阀关闭时，该支路进出水口水压将发生变化，进而引起主管供回水的压力变化。增加旁通管路后，在机组部分负荷运行时，流过风机盘管的水量波动较大，引起供回水管路之间的水压发生变化，根据压差的变化来调节旁通电动阀的开度，控制旁通水量的多少，调节工程的水流量使之与负荷相适应，以维持整个水工程的稳定运行。
2.2 水工程变流量控制
在国家标准GB/T18430.2-2001中要求户用冷水（热泵）机组自身配置循环水泵，循环水泵的选型由主机制造厂家设计选用，在实际使用过程中就产生了许多问题。运行中，若冷（热）水的进出水温差在4～5℃时，工程功耗达到比较理想的水平。但是一般户式中央空调水工程采用定流量方式，而一年中的热负荷变化很大，只有少数时间是满负荷状态，多数时间水量输送运行在过剩状态，即水工程运行在大流量小温差状态，使传热系数变小，效率降低。而水泵始终运行在额定转速状态，导致水泵机械磨损。
笔者查询了部分主机厂家的户用冷水（热泵）机组内置循环水泵的产品样本资料，如McQuay（麦克维尔）的MAC-C系列、TICA（南京天加）的TCA系列等产品，其循环水泵的功耗最大要占机组总功率（压缩机、冷凝风机电机和控制电气部分之和）的20%左右，最小的达到8%，可见循环水泵在整个空调工程中的能耗占了相当大的一部分。通常在户式中央空调工程设计选型过程中，人们只注意到机组性能系数（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，如何改进水泵的运行，达到整个工程节能的目的，采用变水量技术就是发展以水工程为主的户式中央空调的关键。
借鉴目前大型集中式空调水工程变流量控制的模式，对目前户式中央空调水工程也实行变流量控制，通过循环水泵的变频控制来实现，控制器通过温度传感器采集冷（热）水进出口温度信号作为参考信号，经过数据分析处理，确定空调负荷状况，根据负荷状况通过变频器控制循环水泵的水流量。当水泵运行的频率降到设定最小值时，变频器停止频率的继续降低，以起到对机组的断流保护，如图3所示。
当前各户式中央空调机组生产厂家产品研发的注意力都集中于制冷剂变流量技术方面，如果能从水工程方面入手，借鉴大型集中式空调中水工程变流量技术的控制思路，并结合户式中央空调的具体状况将这项技术应用到户式中央空调水工程中，完全是切实可行的。
3、结束语
1）我国户式中央空调的发展日益成熟，其中水工程型式的发展非常迅速，因此它的正常合理运行是非常重要的；
2）目前户式中央空调水工程运行存在稳定性差、能耗高等问题，可以通过增加旁通调节、水工程变流量控制等手段以达到节能和稳定运行的目的；
3）变水量技术将是水工程型式户式中央空调发展的新方向和关键技术。
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