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        干燥地區(qū)間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備的適用性分析

        2022-10-13 01:23:06孫鐵柱
        棉紡織技術(shù) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:效率設(shè)備

        孫鐵柱 王 鑫 王 祺 孫 歡

        (西安工程大學(xué),陜西西安,710048)

        蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)是一種環(huán)保、高效、經(jīng)濟的冷卻方式,在碳達峰碳中和的雙碳目標背景下,更應(yīng)該得到大力推廣。蒸發(fā)冷卻技術(shù)最早應(yīng)用在紡織廠,其空調(diào)形式是直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)噴水室,因直接蒸發(fā)冷卻制取的冷風(fēng)或冷水溫度最低是室外空氣的濕球溫度,其應(yīng)用范圍受到一定的限制,因此目前已有紡織廠應(yīng)用間接-直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)為車間制取冷量。但對于間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備[1-3]的研究大多數(shù)集中在設(shè)備的耗水量、COP等性能,尚未發(fā)現(xiàn)對蒸發(fā)冷卻設(shè)備在不同地區(qū)出風(fēng)出水溫度進行分析。為了配合蒸發(fā)冷卻技術(shù)[4-6]在干燥地區(qū)的應(yīng)用,本研究依據(jù)GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》中全國民用建筑供暖通風(fēng)與空調(diào)室外氣象參數(shù)[7-9],對夏季空調(diào)室外設(shè)計濕球溫度小于23 ℃的89 個干燥地區(qū)進行了數(shù)據(jù)分析,選擇了18 個具有代表性的城市,以60%、65%、70%、75%和80%不同濕球效率的間接蒸發(fā)冷卻器[10]計算出可降低的不同濕球溫度程度,并分析了采用間接-直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)可制取的冷風(fēng)冷水極限溫度[11],為蒸發(fā)冷卻技術(shù)在干燥地區(qū)的紡織廠、民用建筑等應(yīng)用提供一定的理論參考。

        1 室外濕球溫度降低程度分析

        1.1 間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)

        一般間接蒸發(fā)冷卻段由不同類型的間接蒸發(fā)冷卻器組成,分為內(nèi)冷式和外冷式,用以處理進入直接蒸發(fā)冷卻段的空氣,如圖1 所示。

        圖1 間接蒸發(fā)冷卻器原理圖

        間接蒸發(fā)冷卻的主要目的是對空氣進行等濕降溫[12],在間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備中,間接蒸發(fā)冷卻段的目的是為了降低室外空氣的濕球溫度再送入直接蒸發(fā)冷卻段,便于獲取更低溫度的冷風(fēng)或冷水。

        1.2 不同地區(qū)濕球溫度降低程度分析

        依據(jù)GB 50736—2012,濕球溫度小于23 ℃為干燥地區(qū),從分布來看,南方城市占比較少,大部分是北方城市。選取全國18 個典型城市,采用濕球效率(η)為60%、65%、70%、75%和80%的間接蒸發(fā)冷卻器時,計算出對室外空氣濕球溫度降低程度,如圖2 所示??梢钥闯?,對于同一城市來說間接蒸發(fā)冷卻器的濕球效率越高,濕球溫度降低程度越大。在濕球效率為60%時,可將這些地區(qū)濕球溫度最低降低0.48 ℃、最高降低3.20 ℃;在濕球效率為65% 時,最低降低0.52 ℃、最高降低3.50 ℃;在濕球效率為70%時,最低降低0.56 ℃、最高降低3.80 ℃;在濕球效率為75% 時,最低降低0.60 ℃、最高降低4.10 ℃;在濕球效率為80% 時,最低降低0.63 ℃、最高降低4.40 ℃。在這18 個城市中,烏魯木齊濕球溫度降幅最大,黃山降幅最小。

        圖2 不同濕球效率下濕球溫度降低程度

        圖3 為濕球效率為65%、70%、75%、80%時與濕球效率為60%可降低濕球溫度的差值對比,分別用Δt1、Δt2、Δt3和Δt4表示??梢钥闯?,間接蒸發(fā)冷卻器濕球效率越高,降低濕球溫度程度越高,其濕球效率每提高5 個百分點,濕球溫降多降低0.12 ℃~0.30 ℃。二連浩特、阿里地區(qū)、海西州、烏魯木齊、克拉瑪依、昌吉州隨著濕球效率的增加,濕球溫度降低幅度變化較大,黃山變化較小。

        圖3 不同濕球效率與濕球效率60%對入口空氣濕球溫度降低程度對比

        2 間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備制取冷水(風(fēng))溫度分析

        2.1 極限溫度分析

        利用18 個城市的標準工況點,配制不同濕球效率間接蒸發(fā)冷卻器的間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備制取冷水(風(fēng))的極限溫度如圖4 所示??梢钥闯?,制備的冷風(fēng)冷水溫度最低的城市為阿里地區(qū),在配備濕球效率為60%、65%、70%、75%和80%間接蒸發(fā)冷卻器下,可制備的極限溫度分別為6.89 ℃、6.66 ℃、6.44 ℃、6.21 ℃和5.98 ℃;制備的冷風(fēng)冷水溫度最高城市為延安,可制備的極限溫 度 分 別 為21.44 ℃、21.32 ℃、21.20 ℃、21.08 ℃和20.96 ℃;制備的最低極限溫度與最高極限溫度相差分別為14.55 ℃、14.66 ℃、14.76 ℃、14.87 ℃和14.98 ℃。

        圖4 間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備出水(風(fēng))極限溫度

        2.2 實際制備冷風(fēng)溫度分析

        本研究將不同濕球效率的間接蒸發(fā)冷卻器與不同厚度的填料結(jié)合制取冷風(fēng),使出風(fēng)相對濕度(φ)分別達到90%和95%,然后計算出實際出風(fēng)溫度,如圖5 和圖6 所示。

        圖5 間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備制取冷風(fēng)溫度情況

        圖6 間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備制取冷風(fēng)溫度與標況濕球溫度對比情況

        在配備60%、65%、70%、75%和80%濕球效率的間接蒸發(fā)冷卻器時,將空氣處理到相對濕度為90%時,出風(fēng)溫度只有石嘴山明顯高于標況濕球溫度,六盤水、黃山、晉中出風(fēng)溫度與標況濕球溫度相差無幾,其余城市出風(fēng)溫度均低于標況濕球溫度。在處理到相對濕度為95% 時,配備60%、65%、70%、75%和80%濕球效率的間接蒸發(fā)冷卻器時,所有干燥城市出風(fēng)溫度均低于標況濕球溫度。

        2.3 實際制備冷水溫度分析

        將不同濕球效率的間接蒸發(fā)冷卻器與取冷幅高0.5 ℃和1.0 ℃的填料結(jié)合制取冷水,然后計算出不同的實際出水溫度,如圖7 和圖8 所示。

        圖7 間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備制取冷水溫度情況

        圖8 制取冷水溫度與標況濕球溫度對比情況

        填料段取冷幅高0.5 ℃時,18 個城市在間接蒸發(fā)冷卻器濕球效率為60%時,有黃山、阿壩州、拉薩3 個城市制取的水溫度高于標況濕球溫度,其余城市制取的水溫度都低于標況濕球溫度。填料段取冷幅高1.0 ℃時,在間接蒸發(fā)冷卻器濕球效率為60%時,有晉中、黃山、阿里地區(qū)3 個城市制取的水溫度高于標況濕球溫度;濕球效率為65%時,有晉中、黃山、阿壩州、拉薩、阿里地區(qū)5個城市高于標況濕球溫度;濕球效率為70%、75%、80%時,有晉中、黃山、阿壩州和拉薩4 個城市高于標況濕球溫度;其余城市制取的水溫度均低于標況濕球溫度。

        3 間接-直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在典型場所應(yīng)用分析

        3.1 間接-直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在紡織廠應(yīng)用分析

        在紡織廠車間,機器散熱量大,生產(chǎn)工藝對溫濕度要求較高,需要人為控制車間溫濕度。一般情況下,在過渡季節(jié),室外溫度不是很高時,僅通過采用噴水室對紡織車間進行等焓降溫處理即可滿足送風(fēng)溫濕度要求;在夏季,室溫溫度較高時,有些地區(qū)噴水室滿足不了要求,需要其他輔助制冷方式,比如復(fù)合間接蒸發(fā)器或者聯(lián)合機械制冷以滿足要求。

        在全國范圍內(nèi)以轉(zhuǎn)杯紡為例,夏季車間推薦溫度范圍為25 ℃~30 ℃,相對濕度58%~65%。假定某轉(zhuǎn)杯紡車間夏季室內(nèi)溫度設(shè)計為25 ℃、相對濕度60%,根據(jù)焓濕圖將空氣相對濕度處理到90%可得送風(fēng)溫度為20.4 ℃。根據(jù)不同濕球效率間接蒸發(fā)冷卻器計算的各個城市制取的冷風(fēng)溫度可滿足要求的城市統(tǒng)計情況如表1 所示。

        表1 設(shè)備滿足轉(zhuǎn)杯紡車間送風(fēng)要求城市數(shù)量和占比

        從表1 和圖5 分析可得,在送風(fēng)溫度要求為20.4 ℃,間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備在配備濕球效率為60% 的間接蒸發(fā)冷卻器時,出風(fēng)溫度低于20.4 ℃的城市為包頭、二連浩特、黃山、阿壩州、拉薩、阿里地區(qū)、張掖、海西州、烏魯木齊、克拉瑪依、昌吉州11 個城市,占比達到61.1%;當(dāng)間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備在配備濕球效率為65%及以上的間接蒸發(fā)冷卻器時,另增城市漠河滿足要求;而張家口、晉中、六盤水、紅河州、延安、石嘴山不能滿足送風(fēng)要求,需要機械制冷輔助。

        3.2 間接-直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在民用建筑應(yīng)用分析

        在民用建筑應(yīng)用以溫濕度獨立控制系統(tǒng)為例,依據(jù)GB 50736—2012,當(dāng)采用溫濕度獨立控制系統(tǒng)時,空調(diào)房間設(shè)計溫度范圍為24 ℃~26 ℃,負擔(dān)顯熱冷水的冷水機組空調(diào)供水溫度不宜低于16 ℃。

        以辦公樓為例,假定某辦公樓夏季室內(nèi)設(shè)計要求為干球溫度24 ℃,相對濕度60%,空調(diào)供水溫度為18 ℃,根據(jù)焓濕圖算得其新風(fēng)送風(fēng)溫度為19.6 ℃。根據(jù)上述計算,能滿足供水和送風(fēng)溫度要求的城市情況如表2 所示。

        表2 不同濕球效率設(shè)備下滿足辦公樓送風(fēng)和供水要求的城市數(shù)量和占比

        從表2 和圖7 分析可得,在送風(fēng)溫度要求為19.6 ℃,供水溫度為18 ℃,間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備在配備濕球效率為60%~65%的間接蒸發(fā)冷卻器時,送風(fēng)溫度低于19.6 ℃的城市為二連浩特、阿壩州、拉薩、阿里地區(qū)、張掖、海西州、烏魯木齊、克拉瑪依、昌吉州9 個城市,占比達到50%;供水溫度低于18 ℃的城市為二連浩特、阿壩州、拉薩、阿里地區(qū)、海西州、烏魯木齊、克拉瑪依、昌吉州8 個城市,占比達到44.4%。當(dāng)間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備在配備濕球效率為70%及以上的間接蒸發(fā)冷卻器時,新增滿足送風(fēng)要求城市為包頭、漠河和黃山,新增滿足供水要求城市為張掖。而張家口、晉中、六盤水、紅河州、延安、石嘴山不能滿足送風(fēng)要求,需要機械制冷輔助。

        4 結(jié)論

        依據(jù)GB 50736—2012 中全國民用建筑供暖通風(fēng)與空調(diào)室外氣象參數(shù),對其中夏季空調(diào)室外設(shè)計濕球溫度小于23 ℃的18 個干燥地區(qū)間接-直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)備制取的冷水(風(fēng))溫度進行分析可得主要結(jié)論如下。

        (1)干燥地區(qū)因干濕球溫差大,使蒸發(fā)冷卻設(shè)備制取的冷水(風(fēng))效果更好。要使間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備出水溫度低于濕球溫度,配備不同濕球效率的間接蒸發(fā)冷卻器其填料段的冷幅高取值是不同的,比如濕球效率分別為60%、65%、70%、75%、80%時,在18 個城市應(yīng)用填料段對應(yīng)冷幅高取值范圍分別為0.48 ℃~3.20 ℃、0.52 ℃~3.50 ℃、0.56 ℃~3.80 ℃、0.60 ℃~4.10 ℃、0.63 ℃~4.40 ℃。要使間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備制備冷風(fēng),出風(fēng)溫度低于濕球溫度,不同城市需要配備的濕膜厚度不同。

        (2)間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備在干燥地區(qū)紡織廠(比如轉(zhuǎn)杯紡車間)應(yīng)用時,在包頭、二連浩特、黃山、阿壩州、拉薩、阿里地區(qū)、張掖、海西州、烏魯木齊、克拉瑪依、昌吉州11 個城市完全可以滿足送風(fēng)溫度要求,而在張家口、晉中、延安等城市則還另外需要機械制冷輔助。間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備在干燥地區(qū)民用建筑應(yīng)用溫濕度獨立控制系統(tǒng)時,二連浩特、阿壩州、拉薩、阿里地區(qū)、海西州、烏魯木齊、克拉瑪依、昌吉州8 個城市完全可以滿足供水和送風(fēng)溫度要求。

        總之,在干燥地區(qū)因其氣候較為干燥,蒸發(fā)驅(qū)動勢更大,間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備出水(風(fēng))溫度效果最好,在多數(shù)城市可以完全滿足供水(風(fēng))溫度要求,而無需機械制冷。

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