基于露点板式间接蒸发冷却器空调机组特性的探讨

刘小文,黄 翔,吴志湘

(西安工程大学环境与化学工程学院,陕西,西安,710048)

0 前言

蒸发冷却技术作为一种节能、环保、经济的空调方式,在节能减排中发挥着重要作用。而间接蒸发冷却作为这一技术的核心,受到人们的广泛关注。传统间接蒸发冷却器其极限温度为二次空气的湿球温度,目前在实际工程应用中,间接蒸发冷却器的效率一般只有70%左右,这使得单独使用间接蒸发冷却器时,送风温度过高,难以满足送风状态点的要求实现室内建筑的空气调节。而露点间接蒸发冷却技术是在原有间接蒸发冷却基础上的一个新发展,其极限温度可以达到室外空气的露点温度,具有更大的节能潜力,因此受到国内外学者的高度重视。

1 露点间接蒸发冷却技术的发展简介

Maisotsenko提出了一种新的热力学循环,可以在不使用压缩机或化学制冷剂的情况下,使任何一种气体和液体冷却到湿球温度之下,直至达到露点温度。这种新的制冷循环可以从一处确定的区域排出热量并把热量转移到其他地方。他的研究成果主要体现在他的专利——用于露点蒸发冷却器的方法和板设备[1-3]中。

李大宁等人申请了一种再生式蒸发冷却器[4],该冷却器利用蒸发冷却效应来冷却空气而不增加它的含湿量。它是由多重干通道和湿通道组成的。通过改变流经干通道的一部分空气的流动方向使它进入湿通道,在干通道的出口空气可以被冷却到低于入口湿球温度。BongSuCHOI等人对平板式、波纹式、肋片式三种再生式蒸发冷却器进行了优化,发现肋片式再生蒸发冷却器结构最为紧凑,体积约为平板式的1/8[5]。

赵旭东等人对用于露点蒸发冷却的一种新式逆流热质交换器进行了数值模拟研究。模拟结果表明露点和湿球效率及能效主要依赖于流道的尺寸、气流速度和二次空气与入口空气的比例,较小地依赖于供水的温度[6]。赵旭东等人还分别对英国和中国应用露点蒸发冷却空调系统的可行性进行了分析[7-9]。所涉及的问题包括分析当地的气象条件,调查露点冷却中可利用的水资源,并评价在各地区的冷却能力。得到的结论是该露点空调系统适合于英国和中国的大部分地区。

袁一军等人提出了湿能空调器的概念。该空调器无制冷压缩机,无真空泵,具有独特的除湿器和再生器。他们对湿能空调器的结构、性能进行了分析,并提出了全新风湿能空调器、机械压缩和蒸发冷却复合新风空调器。另外,袁一军还申请了一种多级再生式多通道蒸发冷却方法及其换热器发明专利。该专利是在Maisotsenko申请的专利[2]基础之上,加以改进形成的[10-15]。

尹进福申请了一种重复利用湿能的单多级间接蒸发冷却方法的发明专利。该冷却方法的气流出口温度可以低于其原始湿球温度,接近露点温度,湿球效率超过100%,降低了能耗[16]。

陈俊萍等人针对露点间接蒸发冷却器进行了系统的理论与实验研究[17-24]。从理论上分析了露点间接蒸发冷却器的传热传质过程,建立了数学模型和控制方程。对露点间接蒸发冷却器进行了火用计算方法和转化关系分析。搭建了样机测试实验台,进行了实验研究。另外,还对露点间接蒸发冷却与机械制冷复合空调机组的工程实例进行了测试与分析。

伍耀钧申请了 “一种复叠式多级蒸发芯体”发明专利。该多级蒸发芯体的直接风的温度在等湿降温的条件下,可以低于当地空气的湿球温度,接近或达到当地空气的露点温度[25]。黄翔获得了 “一种露点板式间接蒸发冷却器”发明专利授权。该蒸发冷却器包括相连接的预冷段和冷却段构成的板式冷却器机芯和供水装置。该发明的结构使换热效率大大提高,出风空气温度接近露点,并且湿通道壁面水膜分布更加均匀[26]。黄翔还获得了 “一种再循环管式露点蒸发冷却空调机组”和 “基于露点间接蒸发冷却器的两级空调机组”等实用新型专利授权[27-28]。

2 露点间接—直接蒸发冷却空调机组

本文是针对基于参考文献 [26]所开发的露点间接—直接蒸发冷却空调机组特性进行了探讨。此空调机组主要功能段包括:过滤段、预冷段、冷却段、直接蒸发段、风机段。其结构示意图如图1所示。工作原理:当室外新风经过过滤段进入预冷段后,分为两部分,一部分作为二次空气从预冷段二次风机8排出,一部分沿着预冷段一次流道进入冷却段。这部分空气又有一部分经冷却段冷却后从底部有穿孔的地方进入二次流道,二次流道中的空气湿球温度降低,再来冷却冷却段中剩余部分的一次空气,这部分二次空气从冷却段二次风机6排到室外。最终通过直接蒸发段冷却后终温接近露点温度,从送风机5送入空调区。

此露点式空调机组的核心部件是露点板式间接蒸发冷却器,包括预冷段和冷却段。它与原有的板式和管式间接蒸发冷却器的最大不同就是,干通道的一次空气经预冷后部分可以经过一次流道中的穿孔进入二次流道,然后作为二次空气与水进行热湿交换。这样随着一次空气被预冷的程度越大,作为二次空气时与水热湿交换的基准温度就越低。露点间接蒸发冷却技术利用室外空气的干球温度和不断降低的湿球温度之差来换热,这不同于一般间接蒸发冷却技术是利用空气的干球温度和固定的湿球温度之差来换热的。所以,露点间接蒸发冷却技术的趋动势是一次空气的干球温度与二次空气的露点温度之差,送风温度的极限是一次空气的露点温度。因此,这种露点板式间接蒸发冷却器的换热效率远高于传统间接蒸发冷却器,温降大,见图2所示。

图1 露点间接—直接蒸发冷却空调机组结构示意图

图2 露点间接与传统间接蒸发冷却器驱动势

与国内现有露点间接蒸发冷却空调机组相比,此机组具有如下特点:

1)在冷却段前设置有预冷段,对一次空气进行预冷处理,使进入冷却段的空气温度降低,经过二次侧的不断冷却后,作为二次空气进入湿通道的基准温度进一步降低,加大了一二次侧空气的温差,换热效果更好。此过程中预冷段为一般的间接蒸发冷却过程,而冷却段的空气处理为露点式蒸发冷却过程。

2)在露点间接段的布水方式上,此空调机组采用四角喷嘴布水方式。通过机组安装过程的反复试验测试我们发现,只有在换热器二次通道顶部的四个角落分别布置一个喷嘴,此时喷淋水的分布才比较均匀。同时,在一次通道顶部设置有尖角形布水器,使得喷嘴流出的水流先淋到布水器的上方,然后再沿着布水器的两侧流下,紧贴着二次通道侧的壁面,大大提高了布水均匀性,形成稳定的水膜,增强了热质交换效果。

3)小孔的位置位于冷却段一次流道底部,使得二次侧空气与水膜的接触时间变长,强化了二次侧空气和水膜的热质交换,进一步提高露点间接蒸发冷却段的换热效率。

4)目前国内外的露点间接蒸发冷却器材质多为纤维纸,虽然纸质材料具有很好的吸水性且价格低廉,但是其挺湿度差、易燃,不符合民用建筑防火规范的要求。而此机组露点间接蒸发冷却段采用的是铝箔材料,完全可以克服上述缺点。

5)从结构上来看,露点间接—直接蒸发冷却空调机组处理后的空气温度能够更加逼近室外空气的露点温度。首先,从露点间接蒸发冷却的原理上来看 (见图3),空气经过预冷段进入干通道前的状态点为1,吹入干通道后被湿侧的二次空气进行初步冷却到达状态点2。此时部分空气通过一次流道末端的小孔进入湿侧,与水进行热湿交换到达状态2的湿球温度2′。

同时,由于湿通道中2′点的水分蒸发,吸收干通道中的热量,状态点从2′—2″。而干侧被等湿冷却,状态点从2—3。随着湿侧气流的不断加大,一次空气继续被显性冷却,而二次空气则不断被湿侧加湿,饱和,升温。在此过程中能量是梯级利用的,状态1与水膜2′进行换热,状态2与水膜3′……最终经过露点间接蒸发冷却段后,一次空气温度逼近露点。其次,从理论上,上述露点间接蒸发冷却段的出风温度可以达到露点,但是实际中距离露点还有一定的差距。而本文所提出的露点间接—直接蒸发冷却空调机组为两级蒸发冷却,直接段还可以进一步降温,对间接段的冷却效果是一个补充,以便更加逼近露点。

6)将露点间接与直接相结合,除了能够进一步降低温度,还可以对空气进行加湿处理,满足过渡季节空调运行需求。同时填料式直接蒸发冷却器可对空气中的灰尘污物进行过滤,对空气起到净化的作用。

7)预冷段和冷却段顶部均设置有填料形挡水板,可以有效防止二次空气排风带水的问题。

图3 露点间接蒸发冷却原理

3 露点间接—直接蒸发冷却空调机组的实验测试方案分析

为了获得最佳的换热效率,需要对此空调机组进行实验测试。通过测试结果分析来优化换热器的结构。此露点间接—直接蒸发冷却空调机组的测孔布置如上图1所示,在每个迎风断面上布置有9个测点。

考虑到入口因素、最佳一二次风量比、最佳淋水量对换热效率的影响,本实验拟得到以下性能曲线,如图4～6。在测试过程中,保持一次风机的风量不变,通过变频改变二次风机的风量,得到不同的风量比A—F。从图4我们可以得到,在风量比为D时,此时露点间接蒸发冷却段的湿球效率最高,即D为其最佳风量比。在保持风量比为D的前提下,改变淋水量,如图5获得最佳淋水量。图6为露点间接冷却段出口干球温度随着新风入口干球温度、相对湿度、湿球温度的变化情况。

图7 露点间接—直接蒸发冷却空调机组各段出风温度示意图

图8 露点间接—直接蒸发冷却空调机组各段阻力示意图

当露点间接蒸发冷却段与直接段联合运行时,理论上各段温度和阻力的相对关系如图7和8所示。

室外空气的干球温度为Tg1,经过预冷段被冷却后的温度为Tg2。由于预冷段为一般间接蒸发冷却段,因此其驱动势为一次空气的干球温度和二次空气的湿球温度。在此机组中,二次空气为室外新风,则二次空气的湿球即为室外空气的湿球温度,所以预冷段被处理后的出口温度Tg2应介于Tg1和T1s之间。

对于二次侧空气而言,其处理过程为直接蒸发冷却过程,一般直接蒸发冷却的效率要高于间接蒸发,所以预冷段二次风出口的温度Tg22应低于Tg2,但离饱和状态T1s还有一段距离。对于冷却段而言,这是一个露点间接蒸发冷却过程,其驱动势为室外空气的干球温度和露点温度,因此冷却段出口温度Tg3应该介于T1s和TgL之间。

对于冷却段的二次侧空气,是由冷却程度各不相同的部分一次空气构成的,因此,冷却段的二次风出口温度Tg32应该低于预冷段二次风出口温度Tg22。而此时Tg3温度到底是高于Tg32还是低于Tg32,与进入二次通道中的空气量的多少有关,即冷却段的最佳二次/一次风量比β有关。如果 β＞1,进入二次通道中的一次空气较多,则一二次侧的温差大,换热效率高,一次侧被降温的幅度大,Tg3＜Tg32,反之亦然。填料段出口温度Tg4低于Tg3,更加接近露点温度TgL。其大小关系为:Tg1＞Tg2＞Tg22＞T1s＞Tg32＞Tg3＞Tg4＞TgL。

但是在实际过程中,如果二次侧空气与水的换热充分,二次风出口温度可能会饱和升温,影响这一相对关系。

图8所示为理论上各段阻力的相对关系,过滤段阻力＜填料段＜冷却段＜预冷段,这是因为在冷却段和预冷段尺寸相同时,露点间接—直接蒸发冷却段进入预冷段和冷却段的入口风量不同,后者为前者的一半,且在冷却段的一次通道中有部分的空气进入二次侧,所以导致其一次侧阻力小于预冷段。

文献[7]～[9]中用统计学的方法,对不同地区夏季室外空气干球温度、干湿球温差、干球温度和露点温度差值进行分段统计,并获得其频数、百分比、最大值、最小值和平均值。这些结果表明,在不同地区,干球温度和露点温度的差值越大,百分比越高,露点间接蒸发冷却的效果越好。在对露点间接—直接蒸发冷却空调机组的研究中,我们借鉴这一研究方法,分别在干燥地区、中湿度地区和高湿度地区各选取两个城市,进行统计。分别为:乌鲁木齐、克拉玛依、西安、北京、福州、长沙并得到在这些地区,1m3/h风量能够提供的冷量,以及各地区1kWh冷量需要的耗水量,表明露点间接—直接蒸发冷却空调机组在不同地区的制冷能力,如表1和2所示。

表1 各地区夏季温度统计表 (9∶00～17∶00)

表2 各地区露点间接蒸发冷却段制冷量、耗水量

4 结论

通过对露点间接—直接蒸发冷却空调机组的特性进行分析,我们可以得到,这种空调机组的效率要远高于传统间接蒸发冷却器,因为其制冷驱动势为室外空气的干球温度和露点温度之差,且直接段对这一冷却过程的效果进行了补充,更加逼近室外空气露点温度。同时通过对实验测试的分析,可以得到最佳二次/一次风量比和最佳淋水量,对已有机组进行改进和优化,以便于在实际工程中广泛推广。

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