填料—高壓微霧復合式直接蒸發冷卻空調機組的探討

李成成,黃 翔,屈 元,劉曉峰,康 健

(1.西安工程大學,陜西西安710048;2.南通昆侖空調有限公司,江蘇南通226008)

0 引言

21世紀是環保世紀,環境問題日趨重要,資源能源更趨緊張,構筑循環經濟社會,走可持續發展道路已成為全球關注焦點和迫切任務,并成為各行各業發展及人類活動的準則。

在2007年4月27日國務院舉行的 《全國節能減排工作電視電話會議》上,溫家寶總理作了重要講話,他強調要認真貫徹落實科學發展觀,動員和部署加強節能減排的工作,確保國家 “十一五”減排目標實現,促進國民經濟又好又快的發展[1]。全面實施節能減排重點工程。

要努力優化能源結構,積極發展核電等清潔能源,加快開發利用水能、風能、太陽能等可再生能源,推進節能減排、科技進步。要組織實施節能減排科技專項行動,組建一批國家工程實驗室和國家重點實驗室,攻克一批節能減排關鍵和共性技術。鼓勵采用節能新設備、新工藝、新技術。

對于通信和核電站行業要實現資源的優化配置和合理利用,走可持續發展道路。其中一個重要目標是大力推動以節能和降耗為重點的設備更新和技術改造,大力推進使用低耗能、低耗水、低耗材和設備的成品。

根據通信部門的統計數據分析,通信行業的運行成本是電成本。機房空調和核電機房的電能消耗占總電能消耗的50%。因此說降低空調機組的運行費用,能有效的降低通信和核電行業的運行成本。

而采用大自然中的水為制冷劑,利用水蒸發吸熱的原理對空氣進行降溫的蒸發冷卻,是一種高效且經濟的冷卻方式。它具有較低的冷卻成本;能大幅度降低用電量和用電高峰期對電能的要求[2];能減少溫室氣體和CFC的排放量。因此被稱為 “零費用制冷技術”、“綠色空調”和 “仿生空調”,是真正意義上的節能環保和可持續發展的制冷空調技術。

在蒸發冷卻中直接接觸式熱濕交換設備噴水室實現了對空氣降溫加濕的目的,廣泛應用于工業與民用建筑等大空間、大風量和對空氣有一定潔凈度要求的場合。但是經過多年的使用也發現噴水室還存在一些不足之處,如占地面積大、噴嘴易堵塞、維護管理工作量大,能耗較高,系統復雜及調節不夠靈活等[3]。而隨著近年材料科學的不斷發展,采用高風速、優化水和空氣的相對速度、采用能增加接觸面積的填料等措施,都可以提高噴水室的傳熱效率,從而使之更加緊湊和高效,使占地面積大、維護管理工作量大的噴水室的缺點得以克服[4]。

針對填料式直接蒸發冷卻空調中填料與水的接觸時間有限從而使其熱交換效率降低,又出現了高壓噴霧加濕器,但這種加濕器給水壓力一般為0.1～0.5MPa,在被處理空氣溫度較低時,噴出水霧蒸發比較困難,加濕效率低。目前出現了一種新型超高壓微霧加濕器,不僅能對水加壓到7MPa,而且噴出霧滴較細能與水進行充分接觸,能解決較大車間加濕面積大、投資大、運行成本高等問題,這種新型高壓微霧對夏季室外溫度進行很好的降溫加濕并且維護系統的穩定性,降低能耗,能夠廣泛應用在電子行業、印刷廠房、紡織行業、發電廠房、汽車涂裝廠,還可以應用在園林景區的云霧造景、壓塵、除味、溫室、家畜養殖等諸多領域。

1 噴水室的特點

噴水室是空調之父開利博士受大自然降雨現象啟發而發明的人工微氣候空調設備,從它的發明到現在已有100多年歷史[5]。

噴水室按被處理空氣流速大小分為低速和高速兩類。低速噴水室按空氣流動方向又可分為臥式和立式兩種,臥式是指空氣流動為水平方向,水以順噴或逆噴方向噴出。而立式是指空氣流動由下向上或由上向下,水由上向下噴出。其中臥式噴水室又可以分為金屬外殼和非金屬外殼兩類。

為解決噴水室噴嘴易堵塞、維護工作量大、能耗較高、系統復雜及調節不夠靈活的缺點,又開發研制了新型流體動力式噴水室[6]。該噴水室解決了噴嘴堵塞的問題,降低了噴水室的能耗,提高了熱濕交換效率。

噴水室處理空氣的功能具有多樣性,既可以用于減焓、降溫、減濕,還可以用于增焓、升溫、加濕,同時還可以對空氣具有一定的凈化能力,洗滌空氣中的塵埃和可溶性有害氣體。并且在結構上易于實現工廠化制作和現場安裝,金屬耗量少。在以調節濕度為主的紡織廠、煙草廠以及去除有害氣體為主要目的的凈化空間等得到了廣泛的應用。

但是在實際的噴淋過程中,噴水量總是有限的,空氣與水接觸的時間也不可能無限長,所以空氣狀態和水溫都是不斷變化的,而且空氣的狀態也很難達到飽和,如圖1所示,同時噴水室具有占地面積大、水質衛生要求高、水量大、噴水室靠壓力將水霧化因而水泵耗電多、運行費用較高等缺點。

圖1 噴水室熱濕處理過程和焓濕圖

2 填料式直接蒸發冷卻空調與高壓微霧工作原理

2.1 填料式直接蒸發冷卻空調的工作原理

它是通過循環水泵從集水池中將水抽出,經布水器均勻散布在填料上,靠重力作用向下流潤濕填料表面并形成水膜,被處理的空氣沿水平方向垂直通過填料與其進行熱交換。水吸收空氣的顯熱與其進行熱質交換。水吸收空氣中的顯熱而蒸發成水汽進入空氣,使空氣降溫。它還是有效的空氣凈化器,主要是水通過布水器散布在填料上,通過慣性作用、洗滌作用對空氣凈化。如圖2所示。

2.2 填料式直接蒸發冷卻空調的特點

(1)利用填料實現空氣的絕熱蒸發冷卻,節省空間,彌補了噴水室占地面積大的缺點。

(2)它采用了波紋型填料,其比表面積大,增加了水和空氣的接觸面積。提高了傳熱、傳質效率[7]。

(3)除了可對空氣實現多種熱濕處理過程外,還可以達到凈化室內空氣的目的,能有效地去除大于5μ m的微粒,效率能達到95%以上。與傳統的過濾器相比不易產生二次污染。而且在使用過程中阻力和效率基本保持不變[8]。

(4)填料式直接蒸發冷卻空調是靠水在填料表面形成水膜,空氣與填料表面的水膜相互接觸進行熱濕交換[9],但是空氣與水膜接觸的時間有限,從而降低了熱濕交換的效率。在實際的應用中填料的效率一般能達到75%左右。另外填料式直接蒸發冷卻空調的阻力大,送風機的能耗高。

圖2 填料式直接蒸發冷卻空調的工作原理

圖3 高壓微霧加濕器

2.3 高壓微霧的工作原理

高壓微霧采用高壓陶瓷柱塞泵將凈化處理過程的水加壓至7MPa,在通過高壓水管傳送到特殊結構的高壓微霧噴嘴將水霧化產生霧滴能夠迅速從空氣中吸收熱量完成汽化并擴散,從而完成空氣的降溫、加濕目的。在此過程中,空氣失去了顯熱也得到了潛熱,因而焓值基本保持不變。可以認為高壓微霧是等焓降溫加濕過程。

2.4 高壓微霧的特點

(1)霧細:高壓微霧噴嘴每秒產生50億粒霧滴,霧滴直徑為3-15μ m。猶如山中云霧,能夠迅速與空氣相互接觸加濕降溫效果顯著。

(2)可靠:目前高壓微霧采用進口工業型柱塞泵,能夠24小時連續運轉。在高粉塵環境中也不易損壞。

(3)節能:霧化一公升的水只需要消耗6W功率,是傳統電熱加濕器的百分之一,是離心式或汽水式加濕器的十分之一。

(4)高效:系統加濕效率極高,在室內可達100%,即使在空調箱內,效率高達90%以上,而其它等焓加濕過程是無法做到的。

(5)衛生:高壓微霧的水是密封的,不會導致細菌的繁殖。

2.5 填料式直接蒸發冷卻空調與高壓微霧的對比

填料式直接蒸發冷卻空調加濕迅速、均勻、穩定、不帶水滴、不帶細菌、節省電能、運行費用低、布置方便。而高壓微霧加濕器節能、高效、穩定、霧細。但是它們都有各自的缺點,填料式直接蒸發冷卻空調噴水量有限,在填料形成的水膜不均勻,水與空氣的接觸時間有限,不能夠將空氣處理到飽和狀態,而高壓微霧對提供的水質有一定的要求[10],電導率要達到3～15Ms/cm,通常工廠提供的自來水不能滿足使用要求,應配置一套反滲透的純水制備系統,規模按總體加濕量的1.2制備。而且高壓微霧不能調節加濕量的大小。當生產車間的溫濕度達到生產工藝要求時,需要手動切斷開關。如果將兩者結合解決了熱交換效率低,濕度不容易控制的缺點。能夠廣泛應用于顯熱負荷大,加濕面積大的場所。

3 填料—高壓微霧與高壓微霧—填料方案對比分析

填料—高壓微霧是將室外空氣與填料表面的水膜進行充分接觸進行熱質交換過程,在此過程中空氣的溫度高于水溫,水吸收空氣中的顯熱蒸發進入空氣中使空氣加濕、降溫,進入高壓微霧段時霧滴被強制吸收空氣中的熱量汽化,霧化的顆粒越小,顆粒的數目越多,接觸的表面積越大,所能達到的加濕效果越顯著。從而既充分發揮了填料—高壓微霧復合式直接蒸發冷卻空調機組中填料蒸發冷卻的主導作用,同時又克服了空氣與填料接觸時間短,冷卻效率低的缺點,高壓微霧對填料起到很好的補充作用,提高了對空氣冷卻、加濕的效果。另外,填料布置在高壓微霧之前還可起到對被處理空氣均流的作用,增大空氣與高壓微霧所產生霧滴的接觸面積,提高冷卻和加濕效率。在高壓微霧后面設置的擋水板,還可以對被處理的空氣又一次降溫。

圖4 填料—高壓微霧新型蒸發冷卻空調機組

圖5 高壓微霧—填料新型蒸發冷卻空調機組

高壓微霧—填料則是先將水霧化成小霧滴吸收空氣中的顯熱然后再經過填料從而使空氣達到降溫加濕的目的。這種布置方式的優點是填料在高壓微霧的后面,因此可代替擋水板,減少擋水板的費用,使空調機組結構更加緊湊。另外,經過高壓微霧加濕后的空氣,還可使填料表面未被水膜覆蓋到的地方潤濕,提高布水的均勻性。同時可以節約大量的水量和水泵的能耗。但缺點是被處理空氣的干濕球溫差降低,熱質交換的推動力減少。當空氣進入填料蒸發冷卻段時,會導致填料的效率降低。

4 結論

本文從填料式直接蒸發冷卻和高壓微霧的相互結合對空氣進行等焓加濕降溫與傳統的噴水室及填料式直接蒸發冷卻器進行對比分析,得出兩者相互結合的好處有以下幾點:解決了填料式噴水室中水與空氣的接觸時間短、接觸面積小的缺點,使冷卻效率升高;減少水泵耗電量、降低運行成本、水系統簡單具有高效的節能意義;對空氣進行凈化避免了二次污染的問題;應用范圍廣泛適用于機房 (基站)和核電站設備間等室內顯熱量大,散濕量小的場所。填料—高壓微霧直接蒸發冷卻空調機組是一種具有高效、節能、凈化優點的新型蒸發冷卻空調機組,具有廣闊的應用前景。

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