劉小文,黃 翔,吳志湘

(西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,陜西,西安,710048)

0 前言

蒸發(fā)冷卻技術(shù)作為一種節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的空調(diào)方式,在節(jié)能減排中發(fā)揮著重要作用。而間接蒸發(fā)冷卻作為這一技術(shù)的核心,受到人們的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)間接蒸發(fā)冷卻器其極限溫度為二次空氣的濕球溫度,目前在實(shí)際工程應(yīng)用中,間接蒸發(fā)冷卻器的效率一般只有70%左右,這使得單獨(dú)使用間接蒸發(fā)冷卻器時(shí),送風(fēng)溫度過(guò)高,難以滿足送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的要求實(shí)現(xiàn)室內(nèi)建筑的空氣調(diào)節(jié)。而露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)是在原有間接蒸發(fā)冷卻基礎(chǔ)上的一個(gè)新發(fā)展,其極限溫度可以達(dá)到室外空氣的露點(diǎn)溫度,具有更大的節(jié)能潛力,因此受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視。

1 露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)介

Maisotsenko提出了一種新的熱力學(xué)循環(huán),可以在不使用壓縮機(jī)或化學(xué)制冷劑的情況下,使任何一種氣體和液體冷卻到濕球溫度之下,直至達(dá)到露點(diǎn)溫度。這種新的制冷循環(huán)可以從一處確定的區(qū)域排出熱量并把熱量轉(zhuǎn)移到其他地方。他的研究成果主要體現(xiàn)在他的專利——用于露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器的方法和板設(shè)備[1-3]中。

李大寧等人申請(qǐng)了一種再生式蒸發(fā)冷卻器[4],該冷卻器利用蒸發(fā)冷卻效應(yīng)來(lái)冷卻空氣而不增加它的含濕量。它是由多重干通道和濕通道組成的。通過(guò)改變流經(jīng)干通道的一部分空氣的流動(dòng)方向使它進(jìn)入濕通道,在干通道的出口空氣可以被冷卻到低于入口濕球溫度。BongSuCHOI等人對(duì)平板式、波紋式、肋片式三種再生式蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)肋片式再生蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)最為緊湊,體積約為平板式的1/8[5]。

趙旭東等人對(duì)用于露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻的一種新式逆流熱質(zhì)交換器進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。模擬結(jié)果表明露點(diǎn)和濕球效率及能效主要依賴于流道的尺寸、氣流速度和二次空氣與入口空氣的比例,較小地依賴于供水的溫度[6]。趙旭東等人還分別對(duì)英國(guó)和中國(guó)應(yīng)用露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了分析[7-9]。所涉及的問(wèn)題包括分析當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件,調(diào)查露點(diǎn)冷卻中可利用的水資源,并評(píng)價(jià)在各地區(qū)的冷卻能力。得到的結(jié)論是該露點(diǎn)空調(diào)系統(tǒng)適合于英國(guó)和中國(guó)的大部分地區(qū)。

袁一軍等人提出了濕能空調(diào)器的概念。該空調(diào)器無(wú)制冷壓縮機(jī),無(wú)真空泵,具有獨(dú)特的除濕器和再生器。他們對(duì)濕能空調(diào)器的結(jié)構(gòu)、性能進(jìn)行了分析,并提出了全新風(fēng)濕能空調(diào)器、機(jī)械壓縮和蒸發(fā)冷卻復(fù)合新風(fēng)空調(diào)器。另外,袁一軍還申請(qǐng)了一種多級(jí)再生式多通道蒸發(fā)冷卻方法及其換熱器發(fā)明專利。該專利是在Maisotsenko申請(qǐng)的專利[2]基礎(chǔ)之上,加以改進(jìn)形成的[10-15]。

尹進(jìn)福申請(qǐng)了一種重復(fù)利用濕能的單多級(jí)間接蒸發(fā)冷卻方法的發(fā)明專利。該冷卻方法的氣流出口溫度可以低于其原始濕球溫度,接近露點(diǎn)溫度,濕球效率超過(guò)100%,降低了能耗[16]。

陳俊萍等人針對(duì)露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究[17-24]。從理論上分析了露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的傳熱傳質(zhì)過(guò)程,建立了數(shù)學(xué)模型和控制方程。對(duì)露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了火用計(jì)算方法和轉(zhuǎn)化關(guān)系分析。搭建了樣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái),進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。另外,還對(duì)露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷復(fù)合空調(diào)機(jī)組的工程實(shí)例進(jìn)行了測(cè)試與分析。

伍耀鈞申請(qǐng)了 “一種復(fù)疊式多級(jí)蒸發(fā)芯體”發(fā)明專利。該多級(jí)蒸發(fā)芯體的直接風(fēng)的溫度在等濕降溫的條件下,可以低于當(dāng)?shù)乜諝獾臐袂驕囟?接近或達(dá)到當(dāng)?shù)乜諝獾穆饵c(diǎn)溫度[25]。黃翔獲得了 “一種露點(diǎn)板式間接蒸發(fā)冷卻器”發(fā)明專利授權(quán)。該蒸發(fā)冷卻器包括相連接的預(yù)冷段和冷卻段構(gòu)成的板式冷卻器機(jī)芯和供水裝置。該發(fā)明的結(jié)構(gòu)使換熱效率大大提高,出風(fēng)空氣溫度接近露點(diǎn),并且濕通道壁面水膜分布更加均勻[26]。黃翔還獲得了 “一種再循環(huán)管式露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組”和 “基于露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的兩級(jí)空調(diào)機(jī)組”等實(shí)用新型專利授權(quán)[27-28]。

2 露點(diǎn)間接—直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組

本文是針對(duì)基于參考文獻(xiàn) [26]所開(kāi)發(fā)的露點(diǎn)間接—直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組特性進(jìn)行了探討。此空調(diào)機(jī)組主要功能段包括:過(guò)濾段、預(yù)冷段、冷卻段、直接蒸發(fā)段、風(fēng)機(jī)段。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。工作原理:當(dāng)室外新風(fēng)經(jīng)過(guò)過(guò)濾段進(jìn)入預(yù)冷段后,分為兩部分,一部分作為二次空氣從預(yù)冷段二次風(fēng)機(jī)8排出,一部分沿著預(yù)冷段一次流道進(jìn)入冷卻段。這部分空氣又有一部分經(jīng)冷卻段冷卻后從底部有穿孔的地方進(jìn)入二次流道,二次流道中的空氣濕球溫度降低,再來(lái)冷卻冷卻段中剩余部分的一次空氣,這部分二次空氣從冷卻段二次風(fēng)機(jī)6排到室外。最終通過(guò)直接蒸發(fā)段冷卻后終溫接近露點(diǎn)溫度,從送風(fēng)機(jī)5送入空調(diào)區(qū)。

此露點(diǎn)式空調(diào)機(jī)組的核心部件是露點(diǎn)板式間接蒸發(fā)冷卻器,包括預(yù)冷段和冷卻段。它與原有的板式和管式間接蒸發(fā)冷卻器的最大不同就是,干通道的一次空氣經(jīng)預(yù)冷后部分可以經(jīng)過(guò)一次流道中的穿孔進(jìn)入二次流道,然后作為二次空氣與水進(jìn)行熱濕交換。這樣隨著一次空氣被預(yù)冷的程度越大,作為二次空氣時(shí)與水熱濕交換的基準(zhǔn)溫度就越低。露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)利用室外空氣的干球溫度和不斷降低的濕球溫度之差來(lái)?yè)Q熱,這不同于一般間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)是利用空氣的干球溫度和固定的濕球溫度之差來(lái)?yè)Q熱的。所以,露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的趨動(dòng)勢(shì)是一次空氣的干球溫度與二次空氣的露點(diǎn)溫度之差,送風(fēng)溫度的極限是一次空氣的露點(diǎn)溫度。因此,這種露點(diǎn)板式間接蒸發(fā)冷卻器的換熱效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)間接蒸發(fā)冷卻器,溫降大,見(jiàn)圖2所示。

圖1 露點(diǎn)間接—直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 露點(diǎn)間接與傳統(tǒng)間接蒸發(fā)冷卻器驅(qū)動(dòng)勢(shì)

與國(guó)內(nèi)現(xiàn)有露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組相比,此機(jī)組具有如下特點(diǎn):

1)在冷卻段前設(shè)置有預(yù)冷段,對(duì)一次空氣進(jìn)行預(yù)冷處理,使進(jìn)入冷卻段的空氣溫度降低,經(jīng)過(guò)二次側(cè)的不斷冷卻后,作為二次空氣進(jìn)入濕通道的基準(zhǔn)溫度進(jìn)一步降低,加大了一二次側(cè)空氣的溫差,換熱效果更好。此過(guò)程中預(yù)冷段為一般的間接蒸發(fā)冷卻過(guò)程,而冷卻段的空氣處理為露點(diǎn)式蒸發(fā)冷卻過(guò)程。

2)在露點(diǎn)間接段的布水方式上,此空調(diào)機(jī)組采用四角噴嘴布水方式。通過(guò)機(jī)組安裝過(guò)程的反復(fù)試驗(yàn)測(cè)試我們發(fā)現(xiàn),只有在換熱器二次通道頂部的四個(gè)角落分別布置一個(gè)噴嘴,此時(shí)噴淋水的分布才比較均勻。同時(shí),在一次通道頂部設(shè)置有尖角形布水器,使得噴嘴流出的水流先淋到布水器的上方,然后再沿著布水器的兩側(cè)流下,緊貼著二次通道側(cè)的壁面,大大提高了布水均勻性,形成穩(wěn)定的水膜,增強(qiáng)了熱質(zhì)交換效果。

3)小孔的位置位于冷卻段一次流道底部,使得二次側(cè)空氣與水膜的接觸時(shí)間變長(zhǎng),強(qiáng)化了二次側(cè)空氣和水膜的熱質(zhì)交換,進(jìn)一步提高露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻段的換熱效率。

4)目前國(guó)內(nèi)外的露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器材質(zhì)多為纖維紙,雖然紙質(zhì)材料具有很好的吸水性且價(jià)格低廉,但是其挺濕度差、易燃,不符合民用建筑防火規(guī)范的要求。而此機(jī)組露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻段采用的是鋁箔材料,完全可以克服上述缺點(diǎn)。

5)從結(jié)構(gòu)上來(lái)看,露點(diǎn)間接—直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組處理后的空氣溫度能夠更加逼近室外空氣的露點(diǎn)溫度。首先,從露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻的原理上來(lái)看 (見(jiàn)圖3),空氣經(jīng)過(guò)預(yù)冷段進(jìn)入干通道前的狀態(tài)點(diǎn)為1,吹入干通道后被濕側(cè)的二次空氣進(jìn)行初步冷卻到達(dá)狀態(tài)點(diǎn)2。此時(shí)部分空氣通過(guò)一次流道末端的小孔進(jìn)入濕側(cè),與水進(jìn)行熱濕交換到達(dá)狀態(tài)2的濕球溫度2′。

同時(shí),由于濕通道中2′點(diǎn)的水分蒸發(fā),吸收干通道中的熱量,狀態(tài)點(diǎn)從2′—2″。而干側(cè)被等濕冷卻,狀態(tài)點(diǎn)從2—3。隨著濕側(cè)氣流的不斷加大,一次空氣繼續(xù)被顯性冷卻,而二次空氣則不斷被濕側(cè)加濕,飽和,升溫。在此過(guò)程中能量是梯級(jí)利用的,狀態(tài)1與水膜2′進(jìn)行換熱,狀態(tài)2與水膜3′……最終經(jīng)過(guò)露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻段后,一次空氣溫度逼近露點(diǎn)。其次,從理論上,上述露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻段的出風(fēng)溫度可以達(dá)到露點(diǎn),但是實(shí)際中距離露點(diǎn)還有一定的差距。而本文所提出的露點(diǎn)間接—直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組為兩級(jí)蒸發(fā)冷卻,直接段還可以進(jìn)一步降溫,對(duì)間接段的冷卻效果是一個(gè)補(bǔ)充,以便更加逼近露點(diǎn)。

6)將露點(diǎn)間接與直接相結(jié)合,除了能夠進(jìn)一步降低溫度,還可以對(duì)空氣進(jìn)行加濕處理,滿足過(guò)渡季節(jié)空調(diào)運(yùn)行需求。同時(shí)填料式直接蒸發(fā)冷卻器可對(duì)空氣中的灰塵污物進(jìn)行過(guò)濾,對(duì)空氣起到凈化的作用。

7)預(yù)冷段和冷卻段頂部均設(shè)置有填料形擋水板,可以有效防止二次空氣排風(fēng)帶水的問(wèn)題。

圖3 露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻原理

3 露點(diǎn)間接—直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案分析

為了獲得最佳的換熱效率,需要對(duì)此空調(diào)機(jī)組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。通過(guò)測(cè)試結(jié)果分析來(lái)優(yōu)化換熱器的結(jié)構(gòu)。此露點(diǎn)間接—直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的測(cè)孔布置如上圖1所示,在每個(gè)迎風(fēng)斷面上布置有9個(gè)測(cè)點(diǎn)。

考慮到入口因素、最佳一二次風(fēng)量比、最佳淋水量對(duì)換熱效率的影響,本實(shí)驗(yàn)擬得到以下性能曲線,如圖4～6。在測(cè)試過(guò)程中,保持一次風(fēng)機(jī)的風(fēng)量不變,通過(guò)變頻改變二次風(fēng)機(jī)的風(fēng)量,得到不同的風(fēng)量比A—F。從圖4我們可以得到,在風(fēng)量比為D時(shí),此時(shí)露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻段的濕球效率最高,即D為其最佳風(fēng)量比。在保持風(fēng)量比為D的前提下,改變淋水量,如圖5獲得最佳淋水量。圖6為露點(diǎn)間接冷卻段出口干球溫度隨著新風(fēng)入口干球溫度、相對(duì)濕度、濕球溫度的變化情況。

圖7 露點(diǎn)間接—直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組各段出風(fēng)溫度示意圖

圖8 露點(diǎn)間接—直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組各段阻力示意圖

當(dāng)露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻段與直接段聯(lián)合運(yùn)行時(shí),理論上各段溫度和阻力的相對(duì)關(guān)系如圖7和8所示。

室外空氣的干球溫度為Tg1,經(jīng)過(guò)預(yù)冷段被冷卻后的溫度為Tg2。由于預(yù)冷段為一般間接蒸發(fā)冷卻段,因此其驅(qū)動(dòng)勢(shì)為一次空氣的干球溫度和二次空氣的濕球溫度。在此機(jī)組中,二次空氣為室外新風(fēng),則二次空氣的濕球即為室外空氣的濕球溫度,所以預(yù)冷段被處理后的出口溫度Tg2應(yīng)介于Tg1和T1s之間。

對(duì)于二次側(cè)空氣而言,其處理過(guò)程為直接蒸發(fā)冷卻過(guò)程,一般直接蒸發(fā)冷卻的效率要高于間接蒸發(fā),所以預(yù)冷段二次風(fēng)出口的溫度Tg22應(yīng)低于Tg2,但離飽和狀態(tài)T1s還有一段距離。對(duì)于冷卻段而言,這是一個(gè)露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻過(guò)程,其驅(qū)動(dòng)勢(shì)為室外空氣的干球溫度和露點(diǎn)溫度,因此冷卻段出口溫度Tg3應(yīng)該介于T1s和TgL之間。

對(duì)于冷卻段的二次側(cè)空氣,是由冷卻程度各不相同的部分一次空氣構(gòu)成的,因此,冷卻段的二次風(fēng)出口溫度Tg32應(yīng)該低于預(yù)冷段二次風(fēng)出口溫度Tg22。而此時(shí)Tg3溫度到底是高于Tg32還是低于Tg32,與進(jìn)入二次通道中的空氣量的多少有關(guān),即冷卻段的最佳二次/一次風(fēng)量比β有關(guān)。如果 β＞1,進(jìn)入二次通道中的一次空氣較多,則一二次側(cè)的溫差大,換熱效率高,一次側(cè)被降溫的幅度大,Tg3＜Tg32,反之亦然。填料段出口溫度Tg4低于Tg3,更加接近露點(diǎn)溫度TgL。其大小關(guān)系為:Tg1＞Tg2＞Tg22＞T1s＞Tg32＞Tg3＞Tg4＞TgL。

但是在實(shí)際過(guò)程中,如果二次側(cè)空氣與水的換熱充分,二次風(fēng)出口溫度可能會(huì)飽和升溫,影響這一相對(duì)關(guān)系。

圖8所示為理論上各段阻力的相對(duì)關(guān)系,過(guò)濾段阻力＜填料段＜冷卻段＜預(yù)冷段,這是因?yàn)樵诶鋮s段和預(yù)冷段尺寸相同時(shí),露點(diǎn)間接—直接蒸發(fā)冷卻段進(jìn)入預(yù)冷段和冷卻段的入口風(fēng)量不同,后者為前者的一半,且在冷卻段的一次通道中有部分的空氣進(jìn)入二次側(cè),所以導(dǎo)致其一次側(cè)阻力小于預(yù)冷段。

文獻(xiàn)[7]～[9]中用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法,對(duì)不同地區(qū)夏季室外空氣干球溫度、干濕球溫差、干球溫度和露點(diǎn)溫度差值進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì),并獲得其頻數(shù)、百分比、最大值、最小值和平均值。這些結(jié)果表明,在不同地區(qū),干球溫度和露點(diǎn)溫度的差值越大,百分比越高,露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻的效果越好。在對(duì)露點(diǎn)間接—直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的研究中,我們借鑒這一研究方法,分別在干燥地區(qū)、中濕度地區(qū)和高濕度地區(qū)各選取兩個(gè)城市,進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。分別為:烏魯木齊、克拉瑪依、西安、北京、福州、長(zhǎng)沙并得到在這些地區(qū),1m3/h風(fēng)量能夠提供的冷量,以及各地區(qū)1kWh冷量需要的耗水量,表明露點(diǎn)間接—直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在不同地區(qū)的制冷能力,如表1和2所示。

表1 各地區(qū)夏季溫度統(tǒng)計(jì)表 (9∶00～17∶00)

表2 各地區(qū)露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻段制冷量、耗水量

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)露點(diǎn)間接—直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的特性進(jìn)行分析,我們可以得到,這種空調(diào)機(jī)組的效率要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)間接蒸發(fā)冷卻器,因?yàn)槠渲评潋?qū)動(dòng)勢(shì)為室外空氣的干球溫度和露點(diǎn)溫度之差,且直接段對(duì)這一冷卻過(guò)程的效果進(jìn)行了補(bǔ)充,更加逼近室外空氣露點(diǎn)溫度。同時(shí)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的分析,可以得到最佳二次/一次風(fēng)量比和最佳淋水量,對(duì)已有機(jī)組進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化,以便于在實(shí)際工程中廣泛推廣。

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