消除工業余熱應用中影響蒸發冷卻組合形式選擇的因素分析

丁付林,吳志湘

(西安工程大學,西安710048)

0 引 言

近年來,隨著能源的緊缺情況越來越嚴重,我國也開始重視節能減排,并不斷提倡和加大節能減排項目的建設工作。蒸發冷卻空調技術是一種利用干空氣能來制冷的制冷技術,干空氣能為可再生能源,取之不盡用之不竭。蒸發冷卻利用水作為制冷劑,不使用氟利昂等制冷劑,無污染;因此該技術具有節能、環保、舒適等優點在我國得到一定發展,在一些地區的應用也得到較好的效果,尤其在對室內溫濕度要求不嚴格的場所有較為廣泛的應用,并且達到了良好的效果[1]。

西安工程大學的顏蘇芊等人對蒸發冷卻技術在我國舒適性空調中的適用性情況做了詳細的研究,并總結了蒸發冷卻技術在我國適用區域情況,但國內對蒸發冷卻技術應用于消除工業余熱的研究相對還比較少,還不是很成熟,并且對各種蒸發冷卻組合形式在消除工業余熱的適用性情況的研究還處于起步階段。

1 蒸發冷卻設備的工作原理及其組合形式

1.1 蒸發冷卻技術的工作原理

蒸發冷卻技術原理就是利用噴淋循環水與空氣進行熱交換,通過水的相態變化吸收汽化潛熱而實現降溫,降低了空氣溫度,使空氣溫度接近其濕球溫度。蒸發冷卻有直接蒸發冷卻與間接蒸發冷卻,其空氣處理原理如圖1和圖2所示[2]。

1.2 蒸發冷卻通風降溫設備的組合形式

蒸發冷卻通風降溫設備的組合形式可以分為直接蒸發冷卻形式、間接+直接的二級蒸發冷卻組合形式和多級間接+直接的多級蒸發冷卻組合形式以及蒸發冷卻與機械制冷相復合的組合形式等等[3]。

2 蒸發冷卻技術在消除工業余熱方面的應用優勢

通常情況下,空調系統在這些產生大量余熱的工業場合的運用就是為維持室內設備正常運行提供合適的溫度,因此維持這些設備正常運行的溫度要比舒適性空調溫度高得多,而且這些場合對相對濕度沒有嚴格的要求。如果在這些場合使用傳統機械制冷的空調形式,雖然能夠更好地實現降溫,但同時也造成了能源的浪費,增加運行費用,而應用蒸發冷卻通風降溫系統不但能夠為設備提供正常運行所需要的溫度,而且避免了由于設備間溫度過高而引起的設備運行故障,同時耗能方面它不使用壓縮機,僅僅是風機與水泵,能耗低;全空氣系統的蒸發冷卻空調系統,空氣清新,含氧量高,舒適度好。

3 影響蒸發冷卻組合形式選擇的因素分析

蒸發冷卻技術是利用水的蒸發對空氣進行冷卻降溫的,不同的室外空氣氣象參數下經過蒸發冷卻組合設備處理后的空氣狀態也有著很大的差別,由此可以看出,選用的蒸發冷卻組合形式是否能滿足送風要求受到室外氣象參數的影響。同時,對于全空氣系統的蒸發冷卻空調系統,為了滿足所選用的蒸發冷卻系統能在建筑物內得到合理的布置,當不同場所的室內溫度和濕度要求不同時,我們就要考慮采用不同的蒸發冷卻組合形式,所以蒸發冷卻組合形式的選擇也受到了室內設計溫度的影響。

3.1 室外氣象參數對蒸發冷卻組合形式的選擇影響

在對室外溫濕度對蒸發冷卻組合形式選擇影響的研究過程中,首先要確定大工業余熱場所要求的室內設計溫度tN,然后由室內余熱量、余濕量計算送風量和制冷量。因為建筑結構的滲透得熱量相較于室內設備散熱量很小,在計算的過程中可以不作考慮。在此基礎上對不同室外氣象參數對選用蒸發冷卻通風降溫系統組合形式的影響進行分析。

圖3 直接蒸發冷卻處理過程

從兩個不同室外氣象參數下直接蒸發冷卻處理過程圖中可以看出,室外空氣的狀態不同條件下,同一臺蒸發冷卻設備處理的空氣終了狀態存在很大的差異。處理后的空氣是否滿足送風要求,我們要進一步的分析。

由送風量和制冷量計算公式:

其中:

Q—蒸發冷卻設備制冷量 (kW);

tw—室外夏季空調計算干球溫度 (℃)。

從(1)式中可以看出蒸發冷卻系統的送風量大小與送風溫差有著直接的關系,對于室內設計溫度確定的情況下,送風溫差的大小受到送風狀態點的影響。圖1中,當室外狀態處于w′點,經直接蒸發冷卻處理后的送風狀態點落在了O′點,它的送風溫差較室外空氣狀態在w點處的小,所以求得的送風量要比w點處的送風量大,這可能會導致得到的送風量太大而不能合理的布置,而且通過公式 (2)計算的制冷量大小直接影響到蒸發冷卻設備的尺寸,設備尺寸過大也會導致設備無法放置。由此可以確定蒸發冷卻系統的送風量和制冷量有著密不可分的關系。如果經直接蒸發冷卻處理后的送風量過大,風管無法布置;或者蒸發冷卻設備尺寸太大而無法放置時,我們都要考慮采用間接+直接或者多級間接+直接的蒸發冷卻組合形式。其

其中:

L—送風量 (m3/h);

Q顯—房間內顯熱負荷 (kW);

cp—取1.01kJ/(kg/K);

ρ—空氣的密度。取1.2 kg/m3;

tN—室內要求干球溫度 (℃);

tO—經蒸發冷卻處理后的出風溫度 (℃)。分析過程與直接蒸發冷卻形式相同,以使所求風量和制冷量滿足要求。

3.2 室外氣象參數對蒸發冷卻組合形式的選擇影響的案例分析

某一工業廠房,室內余熱量為163kW,室內濕負荷為8.7kg/h,室內要求的溫度為30℃,對濕度沒有嚴格的要求,根據室內所能允許布置的風管尺寸,大致推出所能允許的送風量在 65000m3/h左右。

如果該工業廠房處于新疆的烏魯木齊地區,可查的該地區的室外設計計算參數及蒸發冷卻處理后的空氣狀態參數如表1:

表1 烏魯木齊地區參數

計算得到該場合的送風量為54241 m3/h,制冷量為135.8kW,室內達到的相對濕度為46.5%。

而如果該工業廠房位于山西的太原地區,要求不變,如果也采用同一臺直接蒸發冷卻組合形式,可以得出送風量為88267 m3/h,遠遠超出了該工業廠房所能允許的送風量范圍,說明該地區有這種要求的場合不適合采用直接蒸發冷卻的組合形式。要考慮采用間接+直接的組合形式。如果采用間接+直接的蒸發冷卻組合形式,其處理過程圖4所示。

圖4 間接+直接蒸發冷卻處理過程

可查的該地區的室外設計計算參數及蒸發冷卻處理后的空氣狀態參數如表2。

表2 太原地區參數

計算得到該場合采用間接+直接蒸發冷卻組合形式時的送風量為61125m3/h,制冷量為135.8kW,室內達到的相對濕度為65.3%,在其所允許的范圍內,說明該種蒸發冷卻組合形式適合在該地區的這種場合應用。

從示例中,我們可以看出不同室外氣象參數對蒸發冷卻組合形式選擇的影響。

3.3 室內要求的設計溫度對蒸發冷卻組合形式選擇的影響

圖5 直接蒸發冷卻處理過程

不同生產性質的工業場合,生產工藝要求的不同,對室內溫度要求也會存在差異。由圖5和公式(1)、(2)可以看到,當室內余熱量一定的情況下,室內要求的設計溫度為tN′時,它的送風溫差明顯小于tN溫度要求下的送風溫差,這就帶來了它的送風量和制冷量大于室內要求的設計溫度為tN時的值。為了滿足生產工藝的要求以及蒸發冷卻系統合理布置的需要,就要選擇不同的蒸發冷卻組合形式,以達到合適的送風量和制冷量。

3.4 室內要求的設計溫度變化對蒸發冷卻組合形式選擇影響的案例分析

還是處于新疆烏魯木齊地區的同一個工業廠房,如果它的室內溫度要求為26℃,對濕度沒有嚴格的要求,根據廠房內情況得出布置的風管尺寸,從而估計出允許的送風量在65000m3/h左右。

當采用直接蒸發冷卻組合形式時,此時根據公式 (1)可求得此時的送風量為148871m3/h,可見此時的送風量太大,無法合理的布置蒸發冷卻系統。為了減小送風量和制冷量就要考慮蒸發冷卻其他組合形式。

4 結論

(1)簡要介紹了蒸發冷卻系統在消除工業余熱中的應用研究情況,總結了蒸發冷卻系統在消除工業余熱應用中的優勢。

(2)分別分析了室外氣象參數和室內要求的設計溫度變化對應用于消除工業余熱的蒸發冷卻組合形式選擇的影響,并結合示例加以說明,為今后蒸發冷卻系統在此種類型場合的應用選擇提供參考。

[1]黃翔,武俊梅等譯.蒸發冷卻空調技術手冊[M].北京:機械工業出版社,2009

[2]黃翔.蒸發冷卻空調理論與應用 [M].北京:中國建筑工業出版社,2010

[3]黃翔.國內組合式空氣處理機組的研究現狀(下)[J].制冷與空調,2007,7(1):1-7