流体通过风机和水泵等动力输送装置温升问题探讨

赵雷昌

中国航空规划设计研究总院有限公司

风机、水泵等流体输送设备是通风空调系统中使用最为广泛的动力装置[1]。空气、水等流体在输送时，即使不考虑机壳传热导致的冷（热）量传递下，经过输送装置时也会有一定温升。在输送热空气、热水等热媒时，经过输送装置的温升是正效应，可以忽略不计。在输送冷空气、冷水等冷媒时，经过输送装置的流体温升，尤其是为恒温恒湿空调或者较高换气次数的洁净空调服务时，冷媒经过输送设备的温升就不可忽略，需要纳入该区域冷负荷，在冷源配置时进行考虑。

1 经过通风机的温升

风机输送空气时，风机机组的输入功率为Pi，根据能量守恒定律，转化能量共分为三部分。第一部分为有效功Pe，使得设计体积流量的空气克服沿程阻力和局部阻力，送入设计房间或区域内。第二部分为风机的能量损失，主要分为机械损失、容积损失以及流动损失，能量转化路径为机械能转化为热能。最后一部分为电动机转化损失，能量转化路径为机械能转化为热能。电动机与风机之间的传动损失忽略不计，第一部分与第二部分能量之和为风机的轴功率Ps，轴功率与最后一部分之和为风机机组的输入功率，即电机的输入功率

根据上述，假定风机风量L，全压H，得出输送风机轴功率、配置电机的输入功率如下：

式中：p—通风机全压，P a；L—输送流体的体积流量，m3/ h；ρ— 空气的密度，常温下输送的空气取1.2 kg/m3；c a— 空气比热容，一般可取1.01 kJ/(kg·℃)；η1－ 通风机的全压效率；η2－ 电动机效率；η－电动机安装位置修正系数，当电动机在气流内时为η＝1.0，当电动机在气流外时，η＝η2。

在不考虑机壳传热导致的冷（热）量损耗下，假定转化的热能被经过的流体全部吸收转化为温升。风机电动机在气流外时，被空气吸收的热量为：

如风机电动机在气流内时，被空气吸收的热量具体为：

单位时间内流体吸收的热量为：

引入电机位置修正系数η，单位时间经过风机的空气温升为：

根据以上分析，计算出不同风压时，空气通过风机的温升值，见表1：

表1 空气通过通风机的温升值（℃）

2 通过水泵的温升

水泵输送流体时，假定流经水泵的质量流量为G，扬程为H，得出输送流体时水泵的轴功率、电机的输入功率如下：

式中：H—水泵扬程，m ；G—输送流体的质量流量，（kg/h；c w— 水的比热容，一般取 4.2×103k J/(kg·℃)；η1－水泵效率；η2－ 电动机效率；η－电动机安装位置修正系数，当电动机发热量不需流体冷却时η＝η2，当电动机发热量需输送流体冷却时为η＝1.0。

根据上节分析，可以得出，冷水经过水泵的温升情况为：

根据以上分析，计算出不同扬程时，冷水通过水泵的温升值，见表 2：

表2 冷水通过水泵的温升值（℃）

3 流体通过输送管网的温升

以上为经过风机或水泵的流体温升，虽然最终而言，风机或水泵电动机的输入能耗都转化为输送流体的温升，但这是分布在整个输送管网上。而经过输送设备的温升和整个输送管网的温升应进行区分，空气经过风机或水通过水泵的温升只是整体温升的一部分。以冷冻水输送而言，冷水泵电动机的输入功率最终都转化冷水的温升，即“ 冷水泵的高电耗导致了管网的冷损失”[3]，需要冷水机组选型时作为附加因素考虑。因此在计算设备冷负荷时，需计入整个通风系统的空气温升。在选择冷源时，需考虑冷媒在整个管网的温升。热媒流经动力装置的温升为正向效应，一般情况下可不予考虑。

经过通风管网空气的温升为：

经过计算，在不同风压下，空气通过通风管网的温升值，见表3：

表3 空气通过通风管网的温升值（℃）

经过计算，在水泵不同扬程下，冷水通过整个输送管网的温升值，见表4：

表4 冷水通过输送管网的温升值（℃）

4 通过输送设备引起的系统冷负荷附加

4.1 冷风经过通风机引起的系统冷负荷附加

对于舒适性空调的冷风的输送，经过通风机引起的冷负荷一般较小，可以按照表 5 进行选用和确定。对于室内有温湿度精度要求的恒温恒湿空调系统、以及洁净度要求较高、房间换气次数较高的房间，这部分就不能忽略，需要根据项目参数进行详细计算。

本文给出当风机效率η1＝ 0.5、电动机位于输送气流内时，经过通风机引起的冷负荷附加率，见表5。

表5 经过通风机引起的系统冷负荷附加率（%）

4.2 冷冻水通过水泵引起的系统冷负荷附加

本文给出当水泵效率η1＝ 0.6、电动机发热不需要冷冻水冷却时，通过水泵引起的冷负荷附加率，具体见表6。

表6 通过水泵引起的系统冷负荷附加率（%）

5 总结

1）本文分析了流体经过输送动力装置（水泵、风机等）的能量转化及温升，并给出了计算公式。

2）分析了流体经过风机、水泵的温升和经过输送管网的温升值的不同，并给出了系统输送指定温差下的冷负荷附加值。

3）对于大风量、小温差的空气输送系统，由于经过通风机引起的冷负荷附加不可忽略，需要引起注意。