基于露點板式間接蒸發冷卻器空調機組特性的探討

劉小文,黃 翔,吳志湘

(西安工程大學環境與化學工程學院,陜西,西安,710048)

0 前言

蒸發冷卻技術作為一種節能、環保、經濟的空調方式,在節能減排中發揮著重要作用。而間接蒸發冷卻作為這一技術的核心,受到人們的廣泛關注。傳統間接蒸發冷卻器其極限溫度為二次空氣的濕球溫度,目前在實際工程應用中,間接蒸發冷卻器的效率一般只有70%左右,這使得單獨使用間接蒸發冷卻器時,送風溫度過高,難以滿足送風狀態點的要求實現室內建筑的空氣調節。而露點間接蒸發冷卻技術是在原有間接蒸發冷卻基礎上的一個新發展,其極限溫度可以達到室外空氣的露點溫度,具有更大的節能潛力,因此受到國內外學者的高度重視。

1 露點間接蒸發冷卻技術的發展簡介

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

李大寧等人申請了一種再生式蒸發冷卻器[4],該冷卻器利用蒸發冷卻效應來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。通過改變流經干通道的一部分空氣的流動方向使它進入濕通道,在干通道的出口空氣可以被冷卻到低于入口濕球溫度。BongSuCHOI等人對平板式、波紋式、肋片式三種再生式蒸發冷卻器進行了優化,發現肋片式再生蒸發冷卻器結構最為緊湊,體積約為平板式的1/8[5]。

趙旭東等人對用于露點蒸發冷卻的一種新式逆流熱質交換器進行了數值模擬研究。模擬結果表明露點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英國和中國應用露點蒸發冷卻空調系統的可行性進行了分析[7-9]。所涉及的問題包括分析當地的氣象條件,調查露點冷卻中可利用的水資源,并評價在各地區的冷卻能力。得到的結論是該露點空調系統適合于英國和中國的大部分地區。

袁一軍等人提出了濕能空調器的概念。該空調器無制冷壓縮機,無真空泵,具有獨特的除濕器和再生器。他們對濕能空調器的結構、性能進行了分析,并提出了全新風濕能空調器、機械壓縮和蒸發冷卻復合新風空調器。另外,袁一軍還申請了一種多級再生式多通道蒸發冷卻方法及其換熱器發明專利。該專利是在Maisotsenko申請的專利[2]基礎之上,加以改進形成的[10-15]。

尹進福申請了一種重復利用濕能的單多級間接蒸發冷卻方法的發明專利。該冷卻方法的氣流出口溫度可以低于其原始濕球溫度,接近露點溫度,濕球效率超過100%,降低了能耗[16]。

陳俊萍等人針對露點間接蒸發冷卻器進行了系統的理論與實驗研究[17-24]。從理論上分析了露點間接蒸發冷卻器的傳熱傳質過程,建立了數學模型和控制方程。對露點間接蒸發冷卻器進行了火用計算方法和轉化關系分析。搭建了樣機測試實驗臺,進行了實驗研究。另外,還對露點間接蒸發冷卻與機械制冷復合空調機組的工程實例進行了測試與分析。

伍耀鈞申請了 “一種復疊式多級蒸發芯體”發明專利。該多級蒸發芯體的直接風的溫度在等濕降溫的條件下,可以低于當地空氣的濕球溫度,接近或達到當地空氣的露點溫度[25]。黃翔獲得了 “一種露點板式間接蒸發冷卻器”發明專利授權。該蒸發冷卻器包括相連接的預冷段和冷卻段構成的板式冷卻器機芯和供水裝置。該發明的結構使換熱效率大大提高,出風空氣溫度接近露點,并且濕通道壁面水膜分布更加均勻[26]。黃翔還獲得了 “一種再循環管式露點蒸發冷卻空調機組”和 “基于露點間接蒸發冷卻器的兩級空調機組”等實用新型專利授權[27-28]。

2 露點間接—直接蒸發冷卻空調機組

本文是針對基于參考文獻 [26]所開發的露點間接—直接蒸發冷卻空調機組特性進行了探討。此空調機組主要功能段包括:過濾段、預冷段、冷卻段、直接蒸發段、風機段。其結構示意圖如圖1所示。工作原理:當室外新風經過過濾段進入預冷段后,分為兩部分,一部分作為二次空氣從預冷段二次風機8排出,一部分沿著預冷段一次流道進入冷卻段。這部分空氣又有一部分經冷卻段冷卻后從底部有穿孔的地方進入二次流道,二次流道中的空氣濕球溫度降低,再來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機6排到室外。最終通過直接蒸發段冷卻后終溫接近露點溫度,從送風機5送入空調區。

此露點式空調機組的核心部件是露點板式間接蒸發冷卻器,包括預冷段和冷卻段。它與原有的板式和管式間接蒸發冷卻器的最大不同就是,干通道的一次空氣經預冷后部分可以經過一次流道中的穿孔進入二次流道,然后作為二次空氣與水進行熱濕交換。這樣隨著一次空氣被預冷的程度越大,作為二次空氣時與水熱濕交換的基準溫度就越低。露點間接蒸發冷卻技術利用室外空氣的干球溫度和不斷降低的濕球溫度之差來換熱,這不同于一般間接蒸發冷卻技術是利用空氣的干球溫度和固定的濕球溫度之差來換熱的。所以,露點間接蒸發冷卻技術的趨動勢是一次空氣的干球溫度與二次空氣的露點溫度之差,送風溫度的極限是一次空氣的露點溫度。因此,這種露點板式間接蒸發冷卻器的換熱效率遠高于傳統間接蒸發冷卻器,溫降大,見圖2所示。

圖1 露點間接—直接蒸發冷卻空調機組結構示意圖

圖2 露點間接與傳統間接蒸發冷卻器驅動勢

與國內現有露點間接蒸發冷卻空調機組相比,此機組具有如下特點:

1)在冷卻段前設置有預冷段,對一次空氣進行預冷處理,使進入冷卻段的空氣溫度降低,經過二次側的不斷冷卻后,作為二次空氣進入濕通道的基準溫度進一步降低,加大了一二次側空氣的溫差,換熱效果更好。此過程中預冷段為一般的間接蒸發冷卻過程,而冷卻段的空氣處理為露點式蒸發冷卻過程。

2)在露點間接段的布水方式上,此空調機組采用四角噴嘴布水方式。通過機組安裝過程的反復試驗測試我們發現,只有在換熱器二次通道頂部的四個角落分別布置一個噴嘴,此時噴淋水的分布才比較均勻。同時,在一次通道頂部設置有尖角形布水器,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流下,緊貼著二次通道側的壁面,大大提高了布水均勻性,形成穩定的水膜,增強了熱質交換效果。

3)小孔的位置位于冷卻段一次流道底部,使得二次側空氣與水膜的接觸時間變長,強化了二次側空氣和水膜的熱質交換,進一步提高露點間接蒸發冷卻段的換熱效率。

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

5)從結構上來看,露點間接—直接蒸發冷卻空調機組處理后的空氣溫度能夠更加逼近室外空氣的露點溫度。首先,從露點間接蒸發冷卻的原理上來看 (見圖3),空氣經過預冷段進入干通道前的狀態點為1,吹入干通道后被濕側的二次空氣進行初步冷卻到達狀態點2。此時部分空氣通過一次流道末端的小孔進入濕側,與水進行熱濕交換到達狀態2的濕球溫度2′。

同時,由于濕通道中2′點的水分蒸發,吸收干通道中的熱量,狀態點從2′—2″。而干側被等濕冷卻,狀態點從2—3。隨著濕側氣流的不斷加大,一次空氣繼續被顯性冷卻,而二次空氣則不斷被濕側加濕,飽和,升溫。在此過程中能量是梯級利用的,狀態1與水膜2′進行換熱,狀態2與水膜3′……最終經過露點間接蒸發冷卻段后,一次空氣溫度逼近露點。其次,從理論上,上述露點間接蒸發冷卻段的出風溫度可以達到露點,但是實際中距離露點還有一定的差距。而本文所提出的露點間接—直接蒸發冷卻空調機組為兩級蒸發冷卻,直接段還可以進一步降溫,對間接段的冷卻效果是一個補充,以便更加逼近露點。

6)將露點間接與直接相結合,除了能夠進一步降低溫度,還可以對空氣進行加濕處理,滿足過渡季節空調運行需求。同時填料式直接蒸發冷卻器可對空氣中的灰塵污物進行過濾,對空氣起到凈化的作用。

7)預冷段和冷卻段頂部均設置有填料形擋水板,可以有效防止二次空氣排風帶水的問題。

圖3 露點間接蒸發冷卻原理

3 露點間接—直接蒸發冷卻空調機組的實驗測試方案分析

為了獲得最佳的換熱效率,需要對此空調機組進行實驗測試。通過測試結果分析來優化換熱器的結構。此露點間接—直接蒸發冷卻空調機組的測孔布置如上圖1所示,在每個迎風斷面上布置有9個測點。

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

圖7 露點間接—直接蒸發冷卻空調機組各段出風溫度示意圖

圖8 露點間接—直接蒸發冷卻空調機組各段阻力示意圖

當露點間接蒸發冷卻段與直接段聯合運行時,理論上各段溫度和阻力的相對關系如圖7和8所示。

室外空氣的干球溫度為Tg1,經過預冷段被冷卻后的溫度為Tg2。由于預冷段為一般間接蒸發冷卻段,因此其驅動勢為一次空氣的干球溫度和二次空氣的濕球溫度。在此機組中,二次空氣為室外新風,則二次空氣的濕球即為室外空氣的濕球溫度,所以預冷段被處理后的出口溫度Tg2應介于Tg1和T1s之間。

對于二次側空氣而言,其處理過程為直接蒸發冷卻過程,一般直接蒸發冷卻的效率要高于間接蒸發,所以預冷段二次風出口的溫度Tg22應低于Tg2,但離飽和狀態T1s還有一段距離。對于冷卻段而言,這是一個露點間接蒸發冷卻過程,其驅動勢為室外空氣的干球溫度和露點溫度,因此冷卻段出口溫度Tg3應該介于T1s和TgL之間。

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

但是在實際過程中,如果二次側空氣與水的換熱充分,二次風出口溫度可能會飽和升溫,影響這一相對關系。

圖8所示為理論上各段阻力的相對關系,過濾段阻力＜填料段＜冷卻段＜預冷段,這是因為在冷卻段和預冷段尺寸相同時,露點間接—直接蒸發冷卻段進入預冷段和冷卻段的入口風量不同,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入二次側,所以導致其一次側阻力小于預冷段。

文獻[7]～[9]中用統計學的方法,對不同地區夏季室外空氣干球溫度、干濕球溫差、干球溫度和露點溫度差值進行分段統計,并獲得其頻數、百分比、最大值、最小值和平均值。這些結果表明,在不同地區,干球溫度和露點溫度的差值越大,百分比越高,露點間接蒸發冷卻的效果越好。在對露點間接—直接蒸發冷卻空調機組的研究中,我們借鑒這一研究方法,分別在干燥地區、中濕度地區和高濕度地區各選取兩個城市,進行統計。分別為:烏魯木齊、克拉瑪依、西安、北京、福州、長沙并得到在這些地區,1m3/h風量能夠提供的冷量,以及各地區1kWh冷量需要的耗水量,表明露點間接—直接蒸發冷卻空調機組在不同地區的制冷能力,如表1和2所示。

表1 各地區夏季溫度統計表 (9∶00～17∶00)

表2 各地區露點間接蒸發冷卻段制冷量、耗水量

4 結論

通過對露點間接—直接蒸發冷卻空調機組的特性進行分析,我們可以得到,這種空調機組的效率要遠高于傳統間接蒸發冷卻器,因為其制冷驅動勢為室外空氣的干球溫度和露點溫度之差,且直接段對這一冷卻過程的效果進行了補充,更加逼近室外空氣露點溫度。同時通過對實驗測試的分析,可以得到最佳二次/一次風量比和最佳淋水量,對已有機組進行改進和優化,以便于在實際工程中廣泛推廣。

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