直接蒸發(fā)冷卻器用填料性能評(píng)價(jià)指標(biāo)詮釋

夏 青，黃 翔，殷清海

（西安工程大學(xué)，陜西西安 710048）

1 前 言

蒸發(fā)冷卻以水為制冷劑，不使用CFCs，對(duì)大氣環(huán)境無(wú)污染，是一種節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的冷卻方法。其驅(qū)動(dòng)力為自然條件下空氣的干濕球溫差，具有較低的冷卻設(shè)備成本、能克服機(jī)械式制冷耗電量過(guò)大及用電高峰期電能需求緊張等問(wèn)題、能減少溫室氣體排放量的特點(diǎn)[1-2]。

填料是直接蒸發(fā)冷卻器的重要組成部分，它提供了空氣和水直接進(jìn)行熱濕交換的界面，其性能直接影響其熱濕交換性能[3]，因此，對(duì)于影響填料性能的主要因素進(jìn)行研究，對(duì)蒸發(fā)冷卻技術(shù)的發(fā)展有著重要的意義，而到目前為止，人們對(duì)于直接蒸發(fā)冷卻器用填料性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，即蒸發(fā)冷卻效率、飽和效率及加濕效率三者的概念模糊不清，在實(shí)際應(yīng)用中，各生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品樣本和說(shuō)明等資料又按各自的意愿進(jìn)行說(shuō)明，這種狀況無(wú)疑對(duì)于蒸發(fā)冷卻空調(diào)在我國(guó)的應(yīng)用推廣極為不利。所以，本文在研究相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，確定了評(píng)價(jià)蒸發(fā)冷卻器用填料性能評(píng)價(jià)的指標(biāo)，并加以區(qū)分，使人們對(duì)其各方面的性能更直接的對(duì)比判斷，從而使該技術(shù)進(jìn)一步推廣使用。

2 直接蒸發(fā)冷卻器

目前，直接蒸發(fā)冷卻器主要有單元式和機(jī)組式兩種類型，單元式直接蒸發(fā)冷卻器指將直接蒸發(fā)冷卻裝置與風(fēng)機(jī)組合在一起，而機(jī)組式直接蒸發(fā)冷卻器指將直接蒸發(fā)冷卻裝置設(shè)在組合式空氣處理機(jī)組內(nèi)作為直接蒸發(fā)冷卻功能段[4]。

直接蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由填料、循環(huán)水泵、離心 （軸流風(fēng)機(jī)）、集水箱及布水系統(tǒng)等組成。水箱中的水經(jīng)循環(huán)水泵送至填料頂部的布水系統(tǒng)，均勻噴淋在填料表面，與由風(fēng)機(jī)吸入的室外空氣進(jìn)行熱濕交換，對(duì)室外空氣進(jìn)行降溫、加濕及過(guò)濾除塵等。

圖1 直接蒸發(fā)冷卻器 （段）結(jié)構(gòu)示意圖

3 填料種類及性能

3.1 填料種類

目前常用的直接蒸發(fā)冷卻器 （段）填料有：有機(jī)填料，如瑞典蒙特公司的CELdek填料；無(wú)機(jī)填料如瑞典蒙特公司的GLASdek填料；一般由鋁箔或不銹鋼制成的金屬填料；由天然樹木經(jīng)特殊加工而成的木絲填料等。

與此同時(shí)，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)一些新型填料，如由化纖加工而成的無(wú)紡布填料，多孔陶瓷填料，PVC填料等。

目前常用在直接蒸發(fā)冷卻器的填料有有機(jī)填料、無(wú)機(jī)填料和金屬填料3種類型，而由于多孔陶瓷填料具有獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)，因此采用多孔陶瓷材料作為直接蒸發(fā)冷卻器填料是目前的一種發(fā)展趨勢(shì)[5]。

3.2 填料性能

填料是直接蒸發(fā)冷卻器 （段）的一個(gè)關(guān)鍵部件，其性能直接影響到它的降溫加濕能力、外形尺寸、壽命、使用安全等。

填料的性能可以從以下幾個(gè)方面來(lái)描述[6]：

1）比表面積 （單位體積的填料外表面積）；

2）吸濕性能 （1 m3填料所能吸納的水量）；

3）阻力 （空氣經(jīng)過(guò)填料時(shí)的阻力）；

4）熱工性能 （水在填料表面的蒸發(fā)能力）；

5）除塵性能 （填料表面的水膜對(duì)空氣中的灰塵、異味的洗滌和去除能力以及自凈能力）；

6）物理性能 [填料的濕挺度 （即吸濕后的剛度）、整體強(qiáng)度、干脆性能等]；

7）防腐性能 （填料長(zhǎng)期在濕環(huán)境下發(fā)生霉變以及細(xì)菌在其表面繁殖的可能性）；

8）阻燃性能 （填料的防火性能）[6]。

4 蒸發(fā)冷卻效率、飽和效率及加濕效率的區(qū)別

4.1 定義不同

4.1.1 蒸發(fā)冷卻效率

直接蒸發(fā)冷卻器 （段）填料內(nèi)的空氣與水直接接觸，使水分蒸發(fā)來(lái)冷卻空氣。這時(shí)由于水的蒸發(fā)，空氣將會(huì)因不斷地把自身的顯熱傳遞給水而得以降溫，空氣的顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱，空氣既得以降溫，又實(shí)現(xiàn)了含濕量的增加，其焓值不變，這是一個(gè)絕熱、降溫、加濕過(guò)程。空氣的狀態(tài)變化過(guò)程見(jiàn)圖2，1點(diǎn)為空氣處理前的狀態(tài)，2點(diǎn)為空氣處理后的狀態(tài)。

圖2 直接蒸發(fā)冷卻器 （段）空氣處理過(guò)程焓濕圖

對(duì)于直接蒸發(fā)冷卻器 （段）填料的降溫效果，通常采用蒸發(fā)冷卻效率來(lái)描述其處理空氣的完善程度，即直接蒸發(fā)冷卻器 （段）進(jìn)、出口空氣干球溫度差與進(jìn)口空氣干、濕球溫度差之比，其表達(dá)式為：

式中：

tgw—直接蒸發(fā)冷卻器 （段）進(jìn)口空氣干球溫度，℃；

tgo—直接蒸發(fā)冷卻器 （段）出口空氣干球溫度，℃；

tsw—直接蒸發(fā)冷卻器 （段）進(jìn)口空氣濕球溫度，℃

4.1.2 加濕效率

空氣與水在直接蒸發(fā)冷卻器 （段）中直接接觸時(shí)，空氣與填料表面的飽和空氣層之間不僅存在溫差，還存在水蒸氣分壓力差，而水蒸氣分壓力差是潛熱交換的推動(dòng)力，使空氣和水進(jìn)行濕交換，水分在水蒸氣分壓力差的推動(dòng)下，蒸發(fā)成水蒸氣進(jìn)入空氣，空氣的濕度增加，潛熱增加。這種由填料構(gòu)成的加濕器稱為濕膜加濕器[7]。

利用濕膜加濕器加濕空氣，在理想狀態(tài)下，其理論最低溫度可達(dá)到飽和點(diǎn)3，被冷卻空氣在整個(gè)過(guò)程的焓濕變化如圖3所示，干球溫度為t1的室外空氣從圖中狀態(tài)1進(jìn)入直接蒸發(fā)冷卻器，冷卻過(guò)程沿等焓線向空氣濕球溫度為t3的狀態(tài)3點(diǎn)移動(dòng)，但由于直接蒸發(fā)冷卻器的冷卻效率達(dá)不到100%，所以被處理空氣只能被冷卻到干球溫度為t2的狀態(tài)點(diǎn)2，狀態(tài)點(diǎn)2的空氣就是經(jīng)過(guò)直接蒸發(fā)冷卻器處理過(guò)后的空氣。

圖3 濕膜加濕器空氣處理過(guò)程焓濕圖

評(píng)價(jià)濕膜加濕器的加濕性能指標(biāo)有飽和效率和加濕效率兩種。

加濕效率即指濕膜加濕器中空氣被加濕前的含濕量與空氣被加濕后的含濕量差，與飽和狀態(tài)空氣的含濕量與空氣被加濕前的含濕量差之比，其表達(dá)式為：

式中：

d1—空氣被加濕前的含濕量，g/kg；

d2—空氣被加濕后的含濕量，g/kg；

dmax—飽和狀態(tài)空氣的含濕量，g/kg

4.1.3 飽和效率

飽和效率即指濕膜加濕器中加濕前空氣的干球溫度與加濕后空氣的干球溫度差，與加濕前空氣的干球溫度與空氣的濕球溫度差之比，其表達(dá)式為：

式中：

t1—加濕前空氣的干球溫度，℃；

t2—加濕后空氣的干球溫度，℃；

t3—空氣的濕球溫度，℃

4.2 影響因素不同

4.2.1 蒸發(fā)冷卻效率影響因素

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者、院校等對(duì)蒸發(fā)冷卻效率的影響因素都做過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究[8-10]。

研究表明，直接蒸發(fā)冷卻器 （段）的冷卻效率與空氣流速、填料的比表面積、填料的厚度以及空氣與水膜之間的對(duì)流換熱系數(shù)有關(guān)。而對(duì)流換熱系數(shù)則與直接蒸發(fā)冷卻器的結(jié)構(gòu)尺寸、填料的種類、空氣入口參數(shù) （干球溫度、相對(duì)濕度）及淋水量等參數(shù)有關(guān)。

4.2.2 加濕性能影響因素

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn) [11]，[12]中分析得知，對(duì)于一定結(jié)構(gòu)的濕膜加濕器，影響其加濕性能的參數(shù)主要有填料蒸發(fā)面積、填料厚度、空氣流速及入口空氣溫度和水溫等。其中，填料蒸發(fā)面積是影響其加濕效率的主要因素。一般通過(guò)在填料結(jié)構(gòu)上采用波紋板交叉重疊形式來(lái)提高填料蒸發(fā)面積進(jìn)而提高加濕效率。

5 蒸發(fā)冷卻效率、飽和效率及加濕效率的聯(lián)系

5.1 三者概念上的聯(lián)系

蒸發(fā)冷卻效率是評(píng)價(jià)直接蒸發(fā)冷卻器用填料降溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，指待處理空氣經(jīng)直接蒸發(fā)冷卻器用填料后降溫的程度，用來(lái)描述填料表面空氣與水熱質(zhì)交換程度，即其處理空氣 （對(duì)空氣降溫）的完善程度。蒸發(fā)冷卻效率越高，說(shuō)明熱質(zhì)交換越完善。

飽和效率和加濕效率都是評(píng)價(jià)濕膜加濕器的加濕性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。飽和效率表示加濕使空氣狀態(tài)點(diǎn)產(chǎn)生變化時(shí)，所能達(dá)到的飽和程度，反映加濕是否充分，通俗地說(shuō)就是要達(dá)到飽和點(diǎn)還需要加濕多少。飽和效率越高，表示加濕器使空氣狀態(tài)發(fā)生變化的能力越強(qiáng)。

加濕效率則是指空氣離開飽和狀態(tài)的程度，即空氣離開飽和狀態(tài)越遠(yuǎn)，其吸濕能力越強(qiáng)，加濕效率越高。因此，實(shí)際應(yīng)用中，可以先將空氣加熱，然后再加濕，其加濕效率會(huì)有所提高。

由此可見(jiàn)，蒸發(fā)冷卻效率、飽和效率及加濕效率表示不同的概念，是三個(gè)不同的術(shù)語(yǔ)，是直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)中重要的概念，也是生產(chǎn)廠家和消費(fèi)者用來(lái)評(píng)價(jià)直接蒸發(fā)冷卻器性能的重要指標(biāo)。

下面從焓濕圖上形象地說(shuō)明此三者的區(qū)別與聯(lián)系，如圖4所示。A點(diǎn)為空氣狀態(tài)點(diǎn)，B點(diǎn)為飽和空氣狀態(tài)點(diǎn)，當(dāng)A點(diǎn)距飽和點(diǎn)B越遠(yuǎn)，即當(dāng)A點(diǎn)遠(yuǎn)離B點(diǎn)時(shí)，表示加濕效率越高。當(dāng)A點(diǎn)越靠近飽和點(diǎn)B時(shí)，由焓濕圖上可知，此時(shí)濕度增加，溫降增加，蒸發(fā)冷卻效率與飽和效率增加，但兩者表示的含義不同，蒸發(fā)冷卻效率表示的是一種溫降的程度，飽和效率表示的是加濕效率的高低，反映加濕的充分程度，但加濕效率則不能反映飽和程度。飽和效率高，說(shuō)明空氣離飽和程度越來(lái)越近，而加濕效率高，則說(shuō)明空氣未飽和程度高，離飽和度越來(lái)越遠(yuǎn)。

圖4 蒸發(fā)冷卻效率、飽和效率及加濕效率三者關(guān)系示意圖

5.2 三者運(yùn)算上的聯(lián)系

現(xiàn)舉例說(shuō)明影響蒸發(fā)冷卻效率、飽和效率及加濕效率三者效率變化的因素。從表1[13]中可以看出，干濕球溫差、溫降及加濕量越小，蒸發(fā)冷卻效率、加濕效率及飽和效率同時(shí)為最大，表中三者的效率大小基本一樣，這是因?yàn)轱柡托蚀笮∈羌訚裥矢叩偷捏w現(xiàn)，即飽和效率高，則表示加濕效率高，兩者成正比關(guān)系。飽和效率與蒸發(fā)冷卻效率計(jì)算公式一樣，計(jì)算結(jié)果一樣，但是所表示的概念不同，而蒸發(fā)冷卻效率與加濕效率則沒(méi)有直接的關(guān)系，是直接蒸發(fā)冷卻器用填料兩種不同的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表1 無(wú)機(jī)填料GLASdek在西北部分城市使用效果

6 結(jié)束語(yǔ)

蒸發(fā)冷卻效率、飽和效率及加濕效率都是蒸發(fā)冷卻器用填料性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，但三者的概念是不同的，蒸發(fā)冷卻效率是填料降溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，飽和效率和加濕效率是填料加濕性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，但二者是不同的，飽和效率是加濕效率高低的體現(xiàn)，反映的是一種飽和程度，但是加濕效率反映的是一種空氣未飽和的程度。

[1] 黃翔.空調(diào)工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006

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[6] 宣永梅，黃翔，武俊梅.直接蒸發(fā)冷卻式空調(diào)機(jī)用填料的性能評(píng)價(jià) [J].潔凈與空調(diào)技術(shù)，2001（1）：6-8

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[9] 劉小文，黃翔，吳志湘.直接蒸發(fā)冷卻器填料性能的研究 [J].流體機(jī)械，2010（4）：53-57

[10] 黃翔，武俊梅，宣永梅.兩種填料直接蒸發(fā)冷卻式空調(diào)機(jī)性能的實(shí)驗(yàn)研究 [J].制冷學(xué)報(bào)，2001，（3）：33-40

[11] 黃秋菊，劉乃玲.濕膜加濕器的加濕機(jī)理及影響因素分析 [J].節(jié)能，2005，（10）：2，8-11

[12] 黃秋菊，劉乃玲，陳偉.濕膜加濕器加濕性能的數(shù)值模擬分析 [J].制冷，2006，25（3）：44-50

[13] 宣永梅.無(wú)機(jī)填料直接蒸發(fā)式冷卻空調(diào)機(jī)的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].西安：西安工程科技學(xué)院，2001