霍海紅,黃 翔,李成成

(西安工程大學(xué),西安710068)

0 引 言

高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)是一項利用水與空氣的直接接觸,通過水蒸發(fā)吸熱與周圍環(huán)境空氣進(jìn)行熱濕交換的技術(shù)。利用水蒸發(fā)吸熱降溫是環(huán)保高效而且經(jīng)濟(jì)的冷卻方式,具有較低的冷卻設(shè)備成本、能降低用電量和用電高峰期對電能的要求、能減少溫室氣體和CFC的排放量的特點(diǎn)[1]。植物的生長和產(chǎn)量取決于土壤的肥力、水分的供應(yīng)和地面上部環(huán)境,包括空氣流速、溫度、濕度和二氧化碳含量,以及日照強(qiáng)度和日照時間[2]。蒸發(fā)冷卻可以降低空氣的干球溫度,能提供一個較舒適的環(huán)境,還可通過控制干球溫度和相對濕度來改善農(nóng)作物的生長環(huán)境及滿足生產(chǎn)工藝要求[1]。

高壓噴霧降溫是通過噴射超細(xì)粒水霧,水霧蒸發(fā)吸收空氣的熱量,從而降低環(huán)境空氣溫度達(dá)到降溫效果的一種冷卻技術(shù)。高壓噴霧已在2010年上海世博成功采用,效果不錯。從高度重視西安世界園藝博覽會經(jīng)濟(jì)性、安全性、美觀性等角度考慮,實施高壓噴霧降溫措施是世園會舒適可靠的重要措施之一。

1 應(yīng)用背景

高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻用在降溫領(lǐng)域。最早源于國外,用來冷卻美國亞利桑那州的萵苣菜地、加利福尼亞州的杏樹果園、法國的葡萄園、希臘的柑橘樹林、捷克的櫻花樹木。迄今為止,在歐洲大約有800個這樣的供冷系統(tǒng)在使用[2]。此項技術(shù)在應(yīng)用于美國、西班牙、日本世博會后,逐漸成為國際上較為成熟的室外降溫方法。

國內(nèi)高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻在降溫領(lǐng)域的應(yīng)用相對較晚,20世紀(jì)90年代人們開始嘗試使用,噴霧直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)積累了近10年的應(yīng)用經(jīng)驗,曾應(yīng)用于北京奧運(yùn)會、北京殘奧會、上海特奧會、香港迪士尼樂園、杭州國家西溪濕地公園等?，F(xiàn)已大規(guī)模應(yīng)用于2010上海世博會且效果明顯。

2 高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻理論分析

2.1 霧化機(jī)理

如圖1所示,典型的噴霧系統(tǒng)包括高壓泵、水過濾器、高壓噴嘴、高壓管等。高壓泵把壓力提升,經(jīng)過水過濾器凈化后的水經(jīng)高壓泵加壓并由高壓管輸送至高壓噴嘴噴出。液體在噴嘴出口處形成液膜,液膜在表面張力及擾動力的作用下破裂形成液帶和液絲,繼粘性及環(huán)境氣流的影響繼續(xù)破碎直到與周圍空氣流場達(dá)到動態(tài)平衡,可最終形成直徑小于10微米的微細(xì)液滴[7]。當(dāng)這些細(xì)小液滴噴射到空氣中后,它們迅速吸收環(huán)境中的熱量而蒸發(fā),周圍的空氣則被降溫加濕。在給定的溫度和濕度情況下,噴霧能增加空氣的含濕量并使空氣的溫度降低,溫度降低的程度與被處理空氣的濕球溫度有關(guān)。

圖1 霧化機(jī)理示意圖

2.2 空氣處理過程

圖2是高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻空氣狀態(tài)變化在焓濕圖上的表示過程。從圖中可以看出,室外空氣(tWx)經(jīng)過高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻器后降溫加濕到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn) (tox),空氣能達(dá)到的極限溫度是它的濕球溫度 (ts1),然后送入室內(nèi)并沿著熱濕比線(εOx-Nx)最后滿足室內(nèi)環(huán)境溫度 (tNx)的要求。

圖2 高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻空氣處理過程

2.3 高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻的特點(diǎn)

從圖2的焓濕圖中我們可以得到高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻的特點(diǎn)。首先,高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻可以對空氣進(jìn)行降溫加濕。水經(jīng)過高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻器,被完全霧化成細(xì)小的微粒,與室外空氣直接接觸進(jìn)行熱濕交換。微細(xì)的小水滴與室外高溫氣體接觸,吸收空氣的顯熱蒸發(fā)成水蒸氣并散發(fā)到大氣中,同時室外空氣散熱導(dǎo)致溫度降低,空氣中的水蒸氣增加,即含濕量增加。此過程是一個絕熱等焓加濕過程,即水蒸發(fā)水吸收的潛熱與空氣散發(fā)的顯熱是動態(tài)平衡的。其次,高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻器能把空氣處理到的極限溫度是室外空氣的濕球溫度。因此當(dāng)室外空氣的干濕球溫差越大,高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻的降溫效率越高。因此在我國北方干燥地區(qū),可以很好的利用高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻的這種高效降溫加濕性能,既能對室外空氣進(jìn)行大降溫,又能使室外空氣變得舒適不干燥。

另外,高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻還可以對空氣進(jìn)行很好的凈化作用。由于室外空氣存在許多各種各樣的粉塵及一些有害氣體。高壓噴霧噴出的水,變成細(xì)小的液滴,這些液滴與空氣充分接觸,使得空氣中的顆粒物被吸附在液滴上增加液滴的重量直到液滴靠重力的作用落下,達(dá)到除塵的目的。室外空氣中又有許多會對人體造成傷害的有害氣體,例如硫化物、二氧化碳、氯氣體、離子膜燒堿、硫、硫化氫和其他化合物等。這些有害氣體被散發(fā)到空氣中后被人呼吸,對人體造成呼吸道感染甚至造成更大的損害,但這些氣體溶于水后會變成弱酸或弱堿,對人體無傷害。所以從人體健康方面出發(fā),盡量采用直接蒸發(fā)冷卻器處理空氣。

最后,高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)比較簡單,初投資和運(yùn)行費(fèi)用低。它是由高壓泵、高壓水管以及高壓噴嘴組成。采用的介質(zhì)是水,水被高壓泵加壓通過高壓水管從高壓噴嘴噴出,在短時間、短距離內(nèi)就碎散成許多個小液滴形成一種冷、濕氣流如圖3所示。

2.4 高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻器的性能評價[8]

高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻器的主要特點(diǎn)是空氣在降溫的同時濕度也會隨著增加,而比焓值保持不變,其理論極限溫度可達(dá)到被冷卻空氣的濕球溫度。在整個處理空氣過程中的焓濕變化如圖2所示。溫度由tWx沿著等焓降溫線到tox,其熱濕交換效率為

其中:

tWx—進(jìn)風(fēng)干球溫度;tox—送風(fēng)干球溫度;ts—進(jìn)風(fēng)濕球溫度。高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻器的經(jīng)濟(jì)性能評價指標(biāo)(EERDEC)

其中:

EER—按常規(guī)制冷模式計算的直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)的能效比;

△tavr—供冷期平均干濕球溫差;

△tdes—當(dāng)?shù)卦O(shè)計干濕球溫差。

因此,評價一個高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的性能時要從這兩個方面綜合考慮判斷。

2.5 影響因素

高壓噴霧系統(tǒng)是將經(jīng)過高壓泵加壓后的水從噴嘴小孔向空氣中噴出,形成粒徑很小的水滴,并與周圍的空氣直接接觸通過蒸發(fā)吸熱與空氣進(jìn)行熱濕交換,最終達(dá)到降低空氣溫度的目的。霧化效果的衡量指標(biāo)有兩個:一是霧滴粒徑,二是單位面積內(nèi)的霧滴數(shù)量[5]。因此影響高壓噴霧降溫加濕性能的主要因素有:噴霧壓力、噴水量和噴頭的布置、孔徑、間距。此外,經(jīng)高壓噴霧處理的空氣的極限溫度是其濕球溫度,所以空氣的濕球溫度也影響降溫加濕的效率。

要使液體霧化,必須先使液體展成很薄的薄膜或很細(xì)的射流,然后再使其變得不穩(wěn)定,進(jìn)而再將薄膜或射流破碎成大量細(xì)小的液體滴群。噴霧壓力對水的霧化效果有直接的影響,霧化水滴的粒徑隨著噴霧壓力的變化而變化。當(dāng)噴霧壓力小于等于3 MPa時,可以感覺到潮濕,當(dāng)壓力為5～7 MPa時基本無漏濕現(xiàn)象。噴霧區(qū)的降溫值隨著噴霧壓力的增加而增加,為達(dá)到一定的噴霧量和降溫值,避免漏濕現(xiàn)象,需要維持6MPa以上的工作壓力[4]。

霧滴數(shù)目的多少與噴水量有密切的關(guān)系。噴水量在一定范圍內(nèi)增加時,霧滴數(shù)會隨著增加。但當(dāng)水量達(dá)到臨界值時再繼續(xù)增加水量,霧滴數(shù)增加的幅度趨于平緩,因為在噴頭個數(shù)不變的情況下,噴水量的增加會使每個噴頭單位時間內(nèi)速度增大,從而使得后一粒霧滴與前一粒霧滴靠得太近變成大粒滴,使得小霧滴所占比例減小,與空氣的接觸面積就會減少。此時水量的增加阻礙了提高霧化程度,所以確定適當(dāng)?shù)膰娝?不僅有利于提高霧化程度,節(jié)約用水,而且也避免了大噴水量帶來的設(shè)備管理與維護(hù)工作等問題。噴霧區(qū)溫降隨著噴霧立管間距增大而減小,立管距離增加,弱化了疊加效果,從而使得溫降減小[4]。噴水量與噴嘴孔徑、噴水壓力及噴嘴密度的大小成正比[7]。

高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻的降溫加濕效率受被處理空氣的溫度影響。當(dāng)被處理空氣的濕球溫度比較低時,高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻的降溫效果明顯,滿足送風(fēng)狀態(tài)。當(dāng)被處理空氣的濕球溫度比較高時,高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻的降溫可能達(dá)不到所需的送風(fēng)溫度。此時,高壓噴霧應(yīng)結(jié)合其它的冷卻方式聯(lián)合運(yùn)行。

3 高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻在世博會中的應(yīng)用

在愛知世博會期間,采用的降溫設(shè)施均是高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻技術(shù),但是上海世博會則采用高壓噴霧和低壓兩相流結(jié)合的直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)。由于水經(jīng)高壓泵從噴嘴噴出,被霧化的細(xì)小水粒很快就被蒸發(fā),這樣與空氣的接觸時間短,接觸的距離也短,因此傳熱傳質(zhì)效率較小。若高壓與低壓兩相流結(jié)合噴淋空氣,則低壓直接蒸發(fā)冷卻會對高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻進(jìn)一步補(bǔ)充降溫,彌補(bǔ)高壓噴霧與空氣接觸時間短的缺陷,增加與空氣熱濕交換的時間和面積,從而增加降溫效率。通過分析比較,將高壓噴霧與低壓兩相流有機(jī)結(jié)合的降溫效果更加出色。

世博園區(qū)內(nèi)設(shè)有噴霧裝置,能在短時間內(nèi)將周圍兩三米內(nèi)的溫度降低,而噴霧所用的水來自黃浦江的潮汐水。這樣,充分利用了潮汐水來降低世博園區(qū)的空氣溫度,體現(xiàn)了節(jié)能的理念,而且,高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻空氣的介質(zhì)是水,不會對空氣造成二次污染。又體現(xiàn)了環(huán)保的理念。同時園區(qū)直接蒸發(fā)噴霧系統(tǒng)有吹面不濕,散發(fā)清涼的效果。

圖3 高壓噴霧的安裝形式

高壓噴霧的安裝形式有兩種。一種是立柱型,如圖3a所示。高壓噴霧的噴嘴直接安裝在道路兩旁,對道路兩旁進(jìn)行降溫加濕,使得經(jīng)過的游客不至于天氣太熱而影響游覽心情;另一種是懸掛型,如圖3b所示。這是高壓噴霧管道懸直接懸掛在東方明珠的上方,對參觀的游客帶來清爽的感覺。這兩種安裝形式不但沒有影響世博會的整體景觀的欣賞,而且會給世博會帶來一種修飾或者陪襯的作用,加深了人們對世博會的美好印象。

3.1 凈化空氣

高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)是一個很好的凈化空氣的裝置。其噴霧液滴粒徑小,在整個霧流長度上分布平均,運(yùn)動速度大,噴霧霧粒的荷電量大大增加,這些都對提高除塵效率極為有利。高壓噴霧除塵效率可達(dá)到80%～90%以上,并且設(shè)備較為簡單,易于實現(xiàn),將其應(yīng)用于世博會,可以取得較好的除塵凈化空氣的效果[6]。

3.2 降溫加濕

由圖2我們可以看出,經(jīng)高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻處理后的空氣溫度降低,濕度增加。對園區(qū)空氣降溫加濕處理后,滿足游客對環(huán)境舒適度的要求。

3.3 造景陪襯

從圖3中可以看出,高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)不需要依靠建筑可以單獨(dú)設(shè)置供冷。這樣既減少了投資費(fèi)用,又可以陪襯周圍環(huán)境。對周圍環(huán)境起到修飾,創(chuàng)造意境的效果。增加園區(qū)對游客的吸引力。

4 高壓噴霧在世園會中的應(yīng)用

世界園藝博覽會是觀賞植物、蔬菜、水果、各種生物種子以及整個國際園藝事業(yè)的發(fā)展,代表具有國際水準(zhǔn)的專業(yè)園藝生產(chǎn)者的共同利益等。2011西安世園會處處體現(xiàn)著綠色、環(huán)保、低碳的元素,通過舉辦世園會,倡導(dǎo)一種綠色生活理念,推廣綠色引領(lǐng)時尚的理念,改變?nèi)藗兊纳罘绞健?011年西安世園會占地面積大且跨度于整個夏季,溫濕度受季節(jié)影響嚴(yán)重。如何考慮在炎熱的夏季使參觀世園會的旅客預(yù)防中暑、提高游客的舒適度,這與世園會順利進(jìn)行的安全性密切相關(guān)。

4.1 除塵、保濕、造景

西安屬于寒冷地區(qū)。在夏季,天氣比較炎熱干燥,因此高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻應(yīng)用于西安世園會可以對空氣進(jìn)行降溫處理,對空氣中的有害顆粒以及有害氣體都可以起到很好的凈化作用。這些作用與對上海世博會的作用類似,筆者在此不再熬述。

4.2 滿足植物舒適性要求

植物生長的兩個過程是光合作用和呼吸作用,二者是相互矛盾的。光合作用利用陽光把二氧化碳和土壤內(nèi)的無機(jī)鹽轉(zhuǎn)化供自己生長的養(yǎng)料,光線越充足,植物生長的越快。但是植物在消耗養(yǎng)料的同時,從根部吸收水分,通過蒸發(fā)水分降低自身的溫度。即光促進(jìn)植物的生長,但過多的熱量會引起植物生長停滯或死亡[2]。

因此,在世園會期間不僅要滿足人們對舒適度的要求,還要滿足植物花卉對環(huán)境舒適度的要求。植物花卉的舒適性是指對光照強(qiáng)度、溫度、水分的要求。首先植物對于光照強(qiáng)度的要求是指必須采取一定的措施使植物花卉能感受到太陽照射并能吸收太陽輻射熱進(jìn)行正常的光合作用。其次對溫度的要求是指植物在光合作用的同時會放出熱量,再加上天氣炎熱影響植物葉子的正常呼吸作用,所以應(yīng)該對其采取降溫措施。最后,植物生長離不開水分,所以在供冷降溫的同時必須對植物花卉進(jìn)行澆灌。

綜上所述,在世園會人流通道上安裝噴霧降溫系統(tǒng)不僅能使人流通道上的環(huán)境空氣溫度降低,起到預(yù)防中暑,提高通行人員舒適度的作用。而且可以對植物起到澆灌的作用。因此,在世園會采用高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)是很有必要的。

4.3 高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻在世園應(yīng)采用以下措施

(1)西安世園會期間在室外人員等候廣場、主干道、園區(qū)各主要公交站點(diǎn)等人員密集的場所采用高壓噴霧降溫系統(tǒng)是必要的。

(2)對園藝展示區(qū),采用高壓噴霧與低壓兩相流相結(jié)合的降溫加濕系統(tǒng)。這樣既達(dá)到了降溫的作用又滿足了植物園對水分的要求。

(3)與景觀噴霧不同的是,人員比較密集的場所高壓噴霧直接蒸發(fā)降溫系統(tǒng)要求不影響地面和人員的頭發(fā)、妝容、服裝,而且不能影響旅客呼吸和餐飲。

(4)在通風(fēng)且有遮陽的室外空間,高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)可以有效降溫;在無遮陽的室外空間不推薦采用噴霧降溫,因為經(jīng)高壓噴嘴噴出的水在很短的時間就被蒸發(fā),降溫射程短效果不佳。

(5)考慮到水被霧化成小水霧時,會被旅客吸入到呼吸道,影響人體健康。因此用來霧化的水必須要經(jīng)過凈化處理,達(dá)到飲用標(biāo)準(zhǔn)。

(6)從有效噴霧、避免漏濕和節(jié)水考慮,高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)置自動控制系統(tǒng)。

5 高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻在我國的應(yīng)用前景

5.1 高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻的優(yōu)勢

(1)節(jié)能環(huán)保。采用的是純物理方式,以水為介質(zhì),在降溫同時不產(chǎn)生二次污染。

(2)功能較為豐富?？梢越禍?、造景、增加負(fù)離子、除塵、保濕、除異味等。所以應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。

(3)除了降溫等應(yīng)用外,高壓噴霧在國內(nèi)更用到除塵、保濕、除異味等功能方面,而且應(yīng)用不斷拓展。

5.2 目前高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)適用場所

(1)大型人員集聚區(qū),如公園的出入口、車站站臺、機(jī)場室外出租車等候排隊區(qū)。

(2)電鍍、電子、機(jī)械、化工塑料、印刷、包裝、食品企業(yè)。

(3)各類服裝廠、制衣廠、皮件廠、制鞋廠、紡織廠、核電站等機(jī)器發(fā)熱、顯熱為主的場合。

6 結(jié)語

通過對高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻理論淺析和在西安世園會中的應(yīng)用分析,可以發(fā)現(xiàn)高壓噴霧直接蒸發(fā)冷卻滿足國家的節(jié)能減排政策,體現(xiàn)了綠色環(huán)保理念,使我國的直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)繼續(xù)健康發(fā)展,并對擴(kuò)大直接蒸發(fā)冷卻的市場具有重大現(xiàn)實意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

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