直接蒸發(fā)冷卻技術的研究

直接蒸發(fā)冷卻技術的研究

蒸發(fā)冷卻是一種利用蒸發(fā)吸熱和冷凍的技術。水在空氣中具有蒸發(fā)能力。在沒有別的熱源條件下,水與空氣間的熱濕交換過程是空氣將顯熱傳遞給水,使空氣的溫度下降,而由于水的蒸發(fā),不但空氣的含濕量要增加,而且進入空氣的水蒸氣會帶回一些汽化潛熱,當這兩種熱量相等時,水溫達到空氣的濕球溫度。只要空氣不是飽和的,利用循環(huán)水直接(或通過填料層)噴淋空氣就可獲得降溫的效果。在條件允許時可以降溫后的空氣作為送風以降低室溫,這種處理空氣的方法稱為蒸發(fā)冷卻。蒸發(fā)冷卻是一種環(huán)保高效且經(jīng)濟的冷卻方式。它具有較低的冷卻設備成本;能大幅度降低用電量和用電高峰期對電能的要求;能減少溫室氣體和CFC的排放量。因此,蒸發(fā)冷卻技術可廣泛應用于居住建筑和公共建筑中的舒適性冷卻,并可在傳統(tǒng)的工業(yè)領域如紡織廠、面粉廠、鑄造車間、動力發(fā)電廠等工業(yè)建筑中提高工人的舒適性。蒸發(fā)冷卻可以降低干球溫度,給居住者提供一個較舒適的環(huán)境;蒸發(fā)冷卻還可通過控制干球溫度和相對濕度來改善農作物的生長環(huán)境及滿足生產工藝要求。本文主要介紹直接蒸發(fā)冷卻器的研究情況。目前,直接蒸發(fā)冷卻器主要有兩種類型:一類是將直接蒸發(fā)冷卻裝置與風機組合在一起,成為單元式空氣蒸發(fā)冷卻器,另一類是將直接蒸發(fā)冷卻裝置設在組合式空氣處理機組內作為直接蒸發(fā)冷卻段。填料或介質是直接蒸發(fā)冷卻器的核心部件。目前,填料主要有木絲填料、剛性填料和合成填料三種。國內市場上常見的剛性填料有瑞典某公司生產的CELdek有機填料和GLASdek無機填料及國產的金屬(不銹鋼或鋁箔)填料等。國家空調設備質量監(jiān)督檢驗中心對三種填料的檢驗結果如表1所示。從填料的熱工性能來看,三種填料中無機填料最好。綜合考慮填料的防腐耐久性、防火性、除塵性及經(jīng)濟性等,金屬填料性能最好,目前在工程中應用最廣。1熱質傳遞系數(shù)Dzivama等人對四種作為主動式蒸發(fā)冷卻器填料的材料(碎海綿、莖海綿、黃麻纖維及炭)進行了測試,實驗結果表明,當環(huán)境溫度為32℃、相對濕度為25%時,莖海綿的性能最好,能使溫度降到18℃,相對濕度達到84%。Faleh設計了一種專門的測試裝置,對用于蒸發(fā)冷卻器填料的三種天然纖維(棕櫚(莖)纖維、黃麻和Luffa纖維)的性能進行了評估,結果表明,幾種濕填料中,黃麻的平均冷卻效率最高,達到62.1%,Luffa纖維為55.1%,棕櫚(莖)纖維為38.9%,用來作對比的商用填料的平均冷卻效率為49.9%。材料性能測試結果表明,黃麻的鹽沉積最少,其次是棕櫚(莖)纖維和Luffa纖維,而商用填料則最多;Luffa纖維抵制發(fā)霉的能力最強,其次是棕櫚(莖)纖維,而商用填料和黃麻纖維則很差。冷卻效率衰減幅度的研究結果表明,Luffa纖維在整體優(yōu)勢上強于棕櫚(莖)纖維,商用填料的冷卻效率衰減明顯,而黃麻纖維則最差?？傮w結果顯示,Luffa纖維最好,對于黃麻纖維,如果能對表面作防霉處理,那么它將成為商用填料的最佳替代物。Chung-MinLiao等人設計了一個簡潔緊湊的風洞,用于模擬蒸發(fā)冷卻填料-風機系統(tǒng),以便能夠直接測試系統(tǒng)的性能。選擇了孔徑為2.5mm的粗糙PVC海綿篩網(wǎng)和孔徑為7.5mm的優(yōu)質PVC海綿篩網(wǎng)兩種填料進行測試。通過風洞實驗,測試了空氣流速、水流量、通過填料的靜壓降、填料厚度等對蒸發(fā)冷卻效率的影響情況,以及填料-風機系統(tǒng)正常運行下填料的迎面風速和相關的靜壓降;得到了不同厚度填料時熱質傳遞系數(shù)的量綱一方程。測試結果表明,在淋水密度為15L/(min·m2),填料厚度為150mm,氣流速度為0.75～1.5m/s等條件下,粗糙PVC海綿篩網(wǎng)的冷卻效率為81.75%～84.48%,優(yōu)質PVC海綿篩網(wǎng)的冷卻效率為76.68%～91.64%。Chung-MinLiao等人還對無紡纖維多孔填料和椰子皮纖維填料進行了風洞實驗,得到了不同厚度替代填料的蒸發(fā)冷卻過程的熱質傳遞系數(shù)的量綱一方程。測試結果表明,在氣流速度為2.0～3.0m/s時,對于150mm厚的填料來講,通過無紡纖維多孔填料的靜壓降和冷卻效率分別為48～108Pa,89.69%～92.86%;而通過椰子皮纖維填料的則分別為60～130Pa,89.69%～92.86%。Y.J.Dai等人考察了一個填料由濕的耐用蜂巢紙構成的交叉流直接蒸發(fā)冷卻器,建立了一個包括液膜、氣態(tài)物質、交界面邊界條件等諸多控制方程在內的數(shù)學模型。綜合各方面因素,預測了降膜的界面溫度。分析結果表明,存在一個最佳氣流通道長度使溫度最低,通過優(yōu)化運行參數(shù),可進一步提高系統(tǒng)的性能。由世俊等人對金屬填料表面上的熱質傳遞性能進行了理論與實驗研究,建立了理論模型,采用差分方法建立方程組并求解,得出了填料表面水溫和空氣溫濕度的分布規(guī)律。理論分析和實驗結果表明,填料的傳質系數(shù)不僅與淋水密度、空氣的質量流速、填料的進口水溫、進口空氣狀態(tài)有關,還與填料的材料、表面處理方法、幾何尺寸等多個因素有關。采用比表面積為500m2/m3的鋁合金填料,在高度為400mm、沿氣流方向長度為500mm時,空氣比焓降可達到37kJ/kg。邢永杰和孫賀江等人分別對金屬填料的傳熱傳質性能進行了實驗研究。通過采用美國SAS實驗數(shù)據(jù)多元回歸分析專用統(tǒng)計分析軟件,對填料出口空氣溫度、相對濕度,填料兩側靜壓差及接觸系數(shù)等回歸公式中的變量進行了顯著性分析,結果表明相關系數(shù)均大于0.98,各因素的顯著水平均在0.05以上。由世俊和邢永杰等人還分別選擇了鋁質和不銹鋼薄板金屬制孔板波紋填料進行了冷卻除濕實驗研究。實驗表明,金屬填料是一種性能良好的空氣熱濕處理材料,不但可實現(xiàn)絕熱加濕過程,還可實現(xiàn)冷卻除濕過程。在實際應用中,建議風速取2.2～2.8m/s。如果綜合考慮填料的熱質傳遞性能和阻力,比表面積為500m2/m3、沿空氣流動方向填料的長度為500mm、高度為500～800mm的填料是最佳的。華君和李泌如也分別對金屬填料的除濕性能及加熱加濕性能進行了研究。黃翔、宣永梅和武俊梅等人分別對采用木絲和GLASdek兩種不同填料的直接蒸發(fā)冷卻式空調機進行了實驗研究,系統(tǒng)地分析了進口空氣干濕球溫度和相對濕度對兩種不同填料空調機溫降、加濕管冷卻效率及加濕效率的影響。對目前直接蒸發(fā)冷卻式空調機常用的有機填料、無機填料、金屬填料和無紡布填料的熱工性能進行了對比分析,結果表明GLASdek填料的熱工性能最好,但金屬填料的綜合性能最好。另外,從填料層厚度的優(yōu)化、淋水量的優(yōu)化、迎面風速的優(yōu)化、過濾器設置、風機選擇、風量調節(jié)、水泵選擇、室內濕度控制以及空調機整體結構的優(yōu)化等方面提出了直接蒸發(fā)冷卻式空調機優(yōu)化設計的主要措施,以提高其綜合性能。杜鵑等人通過對直接蒸發(fā)冷卻式空調機與冷卻塔的傳熱傳質過程進行類比分析,推導出了直接蒸發(fā)冷卻式空調機的熱工計算方法,并分別對迎面風速、空氣與填料表面的傳熱系數(shù)、填料厚度及填料的面積系數(shù)等影響直接蒸發(fā)冷卻式空調機熱濕交換性能的各因素進行了詳細的分析。在此基礎上,對直接蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)的傳熱傳質過程進行了數(shù)值模擬,采用SIMPLE算法求解后,將數(shù)值模擬值與實驗測試值進行了對比。結果表明二者吻合得很好,得到了溫度場和濕度場的分布圖,并通過在求解程序中改變不同變量的值,根據(jù)數(shù)值模擬結果繪出了迎面風速、填料厚度及空氣入口狀態(tài)參數(shù)等因素對直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)冷卻效率及空氣出口狀態(tài)的影響關系曲線。黃秋菊等人從濕膜加濕機機理出發(fā),建立了數(shù)學控制方程,利用有限差分法將控制方程離散,并利用MATLAB軟件編程序求解。根據(jù)數(shù)值求解的結果,研究了濕膜加濕器的加濕性能,并對影響加濕性能的因素進行了分析,為提高加濕性能提供了理論依據(jù)。宣永梅和杜鵑分別對無機填料直接蒸發(fā)冷卻空調機和直接蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)的傳熱傳質過程進行了理論與實驗研究及數(shù)值模擬。董炳戌等人認為我國西北大部分地區(qū)可以利用水膜處理空氣來達到冷卻的目的,建立了數(shù)學模型,給出了用平面水膜淋水器處理空氣所能達到的送風參數(shù),經(jīng)計算分析后,得到了各種因素的影響,為實驗設備尺寸的設計提供了依據(jù),并為新型節(jié)能環(huán)保、高效空調的開發(fā)提供了理論基礎。宋垚臻對空氣與水逆流通過填料的熱質交換過程進行了分析,建立了通用的計算公式,并應用MATLAB數(shù)學軟件方便快速地對公式進行了求解。同時利用文獻中建立的模型公式和計算方法,計算出了空氣與水逆流通過紙質填料后空氣和水的狀態(tài)參數(shù),并與前人的實驗結果比較,驗證了文獻給出的模型公式的準確性,并為模型公式的推廣應用提供依據(jù)。蘇為等人總結了近幾十年來關于濕簾體內蒸發(fā)降溫機理的分析方法,著重討論了各種分析方法得出的結論,及其對提高濕簾換熱效率的指導意義,在此基礎上提出了深入分析濕簾工作效率的思路。張繼元研究了濕熱冷卻裝置在噴淋水完全蒸發(fā)條件下的熱質交換特征,經(jīng)理論推導給出了噴淋水量及濕熱參數(shù)的計算式。從節(jié)能節(jié)水的角度出發(fā),提出了在控制好噴淋用水量的基礎上取消循環(huán)水泵,實現(xiàn)噴淋水完全蒸發(fā)的降溫方案。強天偉等人也對不循環(huán)噴淋水噴淋填料的過程進行了分析,得到的結論為:有循環(huán)噴淋水噴淋填料時,直接蒸發(fā)冷卻器冷卻效率受噴淋水溫度的影響較大,但只有當不循環(huán)噴淋水溫度等于空氣濕球溫度時,蒸發(fā)冷卻效率最高。呂金虎等人就進口空氣相對濕度對直接蒸發(fā)冷卻式空調機性能的影響進行了分析,得到了在保證一定冷卻效果的條件下冷卻效率、填料厚度和出口空氣相對濕度與進口空氣相對濕度的關系曲線。張正一等人通過風洞實驗檢驗了各種填料的阻力特性和降溫特性,利用不銹鋼絲網(wǎng)制成一種26層的金屬絲網(wǎng)多孔材料,并對以這種材料為填料的蒸發(fā)冷卻中冷器的阻力特性和蒸發(fā)降溫特性進行了實驗,結果表明,用蒸發(fā)冷卻中冷器替換原有中冷器是可行的,可用于柴油機、燃氣輪機及ICR船用燃氣輪機。蔣毅等人對空氣經(jīng)過無機填料的直接蒸發(fā)冷卻過程進行了實驗研究,分析了直接蒸發(fā)冷卻效率、換熱系數(shù)以及空氣阻力的主要影響因素,并給出了關于體積換熱系數(shù)和空氣阻力的兩個經(jīng)驗公式,具有較好的精度,能滿足一般工程設計的要求。孫洲陽和由世俊以及強天偉先后對直接蒸發(fā)冷卻填料的傳熱傳質性能進行了深入的理論研究。孫洲陽、由世俊和強天偉等人還分別采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法預測分析了直接蒸發(fā)冷卻空調機的傳熱傳質性能,預測結果與實測結果吻合較好。2蒸發(fā)冷卻器的使用Paschold等人在一蒸發(fā)冷卻器測試室中對室內外可吸入顆粒物進行了測定,以確定蒸發(fā)冷卻對環(huán)境空氣的影響。通過在兩個普通蒸發(fā)冷卻器模型中所做的實驗,發(fā)現(xiàn)采用蒸發(fā)冷卻器后室內PM10可吸入顆粒物可減少50%,對PM2.5可吸入顆粒物的去除效率為10%～40%。這些結果與采用除塵系統(tǒng)的結果是一致的。Wen-WhaiLi等人于2001年夏天在美國德克薩斯州西部的E1Paso地區(qū)10所居室內對空氣中的可吸入顆粒物進行了測定,同時記錄了德克薩斯西部一裝有蒸發(fā)冷卻器的居室內外的PM2.5和PM10可吸入顆粒物的10min平均濃度,并建立了室內外PM的相互關系。測定結果表明,蒸發(fā)冷卻器作為PM過濾器使用能有效地對室內空氣進行置換,可使室內空氣中PM10可吸入顆粒物的濃度大約減小40%,而PM2.5的濃度大約減小35%。不論是剛性填料還是木絲填料,兩種蒸發(fā)冷卻器對PM2.5和PM10可吸入顆粒物的去除率相似。Paschold等人對美國德克薩斯州西部的E1Paso地區(qū)的10所居室所使用的蒸發(fā)冷卻器的冷卻水成分進行了測定,采集了各家的水樣用于化學及PM關系分析。測定結果表明,蒸發(fā)冷卻器供水并未向室內空氣中引入不溶性固體?？傊?蒸發(fā)冷卻器能給室內提供清潔的空氣。Paschold的博士論文見文獻。孫賀江等人提出了一種完全區(qū)別于空氣過濾概念的過濾-脫離理念,并根據(jù)該理念研究出能夠同時完成過濾、脫離、滅菌消毒三個過程的填料型洗滌式空氣過濾器。實驗研究表明,對于直徑大于1,3,5和10μm的塵粒及氣溶膠,大氣塵計數(shù)效率分別為31.4%,93.3%,96.4%和96.5%,而空氣阻力只有99.96Pa。填料型洗滌式空氣過濾器的大氣塵計數(shù)效率達到中效過濾器的水平,而空氣阻力卻低于傳統(tǒng)粗效過濾器的平均值。馬德剛等人提出利用濕式填料除塵器作為空氣粉塵過濾和消毒的功能段。通常情況下,濕式填料除塵器對1μm粉塵的去除效率可以達25%～40%,對5μm粉塵的去除效率為75%～98%,壓力損失范圍為30～130Pa。結果表明,濕式填料除塵器具備凈化消毒、加濕、蒸發(fā)冷卻等功能,可以替代傳統(tǒng)空調中的粗效過濾器,對阻止傳染病通過空調系統(tǒng)蔓延,改善室內空氣質量和節(jié)能具有重要作用。王一飛等人提出利用洗滌式金屬填料過濾器來代替原空調系統(tǒng)的纖維過濾器,以去除車間內化纖油劑形成的油霧。首先以大氣塵作為過濾的對象進行了必要的實驗研究,在對大氣塵過濾實驗結果進行整理分析的基礎上,對洗滌式金屬填料過濾器應用于化纖油劑的去除進行了探討。張偉峰等人研究了填料式噴水室中填料段對PM10可吸入顆粒物的去除率情況。實驗結果表明,風速(范圍為1.2～1.58m/s)一定時,填料段對PM10可吸入顆粒物的去除效率隨噴水量的增加而增大;噴水量一定時,填料段對PM10的去除率隨著風速增加而減小,去除率最高可達57.6%。3對不同地區(qū)的蒸發(fā)冷卻技術的分析Prasad詳細介紹了坐落于印度Kanpur的某私人公司的生產廠房的蒸發(fā)冷卻通風系統(tǒng)的設計情況。據(jù)觀測,廠房內彌漫著濃度很高的氨氣,由于冷卻器填料上的淋水可以溶解氨水,所以該系統(tǒng)可以向用戶提供更高質量的空氣。針對表面蒸發(fā)的形式,設計了幾種不同的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng),尤其是提出了填料間歇供水的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng),節(jié)能顯著且又安全可靠。D.A.Hindoliya等人通過模擬研究對居住者的熱舒適性和室內相對濕度進行了評價。為了保持室內相對濕度低于65%,對蒸發(fā)冷卻器的飽和效率和房間換氣次數(shù)作了規(guī)定。觀察發(fā)現(xiàn),把具有高飽和效率的直接蒸發(fā)冷卻器應用于室內相對濕度要求較低的場所是不可取的。對于這些要求低濕度的場所,在允許室內有較高換氣次數(shù)的前提下,可采用普通的低飽和效率(60%)的直接蒸發(fā)冷卻器。Chaker等人通過對美國122個地區(qū)的氣象參數(shù)進行詳細分析,得到了這些地方使用直接蒸發(fā)冷卻器的時間。汽輪機操作者利用這些數(shù)據(jù)可以很方便地對蒸發(fā)冷卻的經(jīng)濟性作出評價。通過數(shù)學分析的方法得出了美國不同地區(qū)應用蒸發(fā)冷卻技術的潛力,并對汽輪機在美國122個地區(qū)的簡單循環(huán)運行進行了模擬。Krishan等人分析研究了印度Delhi等地區(qū)的綜合辦公樓在4～6月份使用蒸發(fā)冷卻器的可能性。利用模擬手段研究了蒸發(fā)冷卻空調建筑內溫度和濕度以及換氣次數(shù)和旁通量對空調運行的影響。研究能否找到使室內相對濕度保持在80%以下,溫度保持在27～31℃之間的換氣次數(shù)和旁通量范圍。結果表明,如果環(huán)境空氣的溫度和相對濕度太高,直接蒸發(fā)冷卻器則不能達到該房間的舒適性要求。為了得到最好的效果,必須選擇適當?shù)膿Q氣次數(shù)和旁通量。Lucas等人針對葡萄牙Alentejo地區(qū)夏季高溫和低濕的氣候條件是導致生豬產量減少的主要原因開展了研究。分析了1995—1997年Alentejo地區(qū)四個氣象臺記錄的逐時氣溫和相對濕度數(shù)據(jù),建立了氣溫與相對濕度之間的函數(shù)關系,給出了溫度-濕度指標(THI),并用氣象臺的THI加以證實,通過這些指標可確定出夏季的熱壓期。得到了在熱壓期頻繁出現(xiàn)的地區(qū)采用蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)可能是減少高溫對生豬產量影響的靈活有效的解決方案的結論。林易談介紹了蒸發(fā)型制冷機在國內外高溫車間的應用情況,認為與傳統(tǒng)空調相比,蒸發(fā)型制冷機不僅能有效排除車間內有害氣體,增加換氣量,而且可以降