高壓微霧與濕膜直接蒸發(fā)冷卻降溫特性的研究

周 敏 侯占魁

(中國建筑西北設計研究院有限公司，陜西 西安 710018)

·水·暖·電·

高壓微霧與濕膜直接蒸發(fā)冷卻降溫特性的研究

周 敏 侯占魁

(中國建筑西北設計研究院有限公司，陜西 西安 710018)

介紹了高壓微霧和濕膜直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的原理，通過理論計算和實驗測試，得出了幾種主要因素對這兩種直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的影響規(guī)律，并驗證了高壓微霧和濕膜直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的適用性和經(jīng)濟效益，對比分析了高壓微霧與濕膜直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的性能，得出了它們降溫特性之間的區(qū)別與聯(lián)系。

直接蒸發(fā)冷卻，高壓微霧，濕膜，適用性，節(jié)能效率，經(jīng)濟效益

0 引言

蒸發(fā)冷卻是一項利用水蒸發(fā)吸熱制冷的技術(shù)。由于蒸發(fā)冷卻空調(diào)可以最大限度地使用室外新風，而且在合理應用的條件下基本可以滿足舒適性空調(diào)的要求，同時具有能效比高、空氣品質(zhì)好、設備構(gòu)造簡單、降溫迅速以及不破壞臭氧層等特點，是集綠色、節(jié)能、環(huán)保、健康于一體的空調(diào)方式，因此倍受青睞。

本文以高效節(jié)能的高壓微霧和濕膜直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)為研究對象，即對當前安裝有高壓微霧或濕膜加濕裝置的全空氣系統(tǒng)，根據(jù)建筑物的冷負荷特點和室外氣象參數(shù)特點來調(diào)整加濕裝置的開啟和關(guān)閉時間或在未安裝有加濕裝置的全空氣系統(tǒng)中加入高壓微霧或濕膜加濕裝置，進行簡易的直接蒸發(fā)冷卻，既可以縮短冷機的開啟時間又能達到對加濕裝置綜合利用的目的，降低建筑物的能耗，同時，該系統(tǒng)是一個可持續(xù)發(fā)展的空氣處理系統(tǒng)。本文探討了高壓微霧和濕膜直接蒸發(fā)冷卻的熱質(zhì)交換規(guī)律。通過理論計算和實驗測試，得出了幾種主要因素對直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的影響規(guī)律，并驗證了高壓微霧和濕膜直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的實際性能和適用性。

參照常規(guī)機械制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟性能評價方法，初步地給出了一種直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)經(jīng)濟性能的計算方法，結(jié)合有效供冷的理念和有效供冷量表對某一具體工程中應用直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)代替常規(guī)機械制冷系統(tǒng)所帶來的經(jīng)濟效益進行了計算，結(jié)果表明直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的節(jié)能潛力巨大，經(jīng)濟性能相當可觀。并且以陜西省的西安市、榆林市和延安市為例，結(jié)合《中國建筑熱環(huán)境專用氣象數(shù)據(jù)集》中典型年的全年逐時氣象數(shù)據(jù)，給出了直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在這三個地區(qū)的推薦運行時間及不保證時間，并以某一典型建筑為例評價了該系統(tǒng)的節(jié)能效率及經(jīng)濟效益。

1 高壓微霧與濕膜直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)簡介

1.1 直接蒸發(fā)冷卻熱質(zhì)交換的基本過程

空氣與水膜或水滴接觸的熱質(zhì)交換發(fā)生在水膜或水滴的表面。空氣與水之間的熱量傳遞是顯熱交換和潛熱交換共同作用的結(jié)果。當水膜或水滴的溫度不同時，潛熱交換發(fā)生或顯熱交換與潛熱交換同時發(fā)生都是有可能的。顯熱與潛熱交換的代數(shù)和即為總的熱交換量。直接蒸發(fā)冷卻過程是空氣與水直接接觸的傳熱和傳質(zhì)過程，其熱濕交換過程與大自然中的空氣與江河湖泊中的水表面熱濕交換過程類似，大致可分為直接淋水式蒸發(fā)冷卻和填料式蒸發(fā)冷卻兩種。

1.2 高壓微霧與濕膜直接蒸發(fā)冷卻的熱質(zhì)交換原理與計算方法

高壓微霧直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的工作原理是通過柱塞泵將凈化處理過的水加壓到7 MPa左右后通過連接水管輸送到噴嘴，因為噴嘴的直徑很小，水從噴嘴噴出后立即霧化，以3 μm～10 μm的微霧噴射出去，噴出的水霧吸收空氣中的熱量后蒸發(fā)為水蒸氣。空氣由于顯熱量的失去而導致干球溫度降低，而同時空氣的含濕量和潛熱量都增大。由上面的分析得知，當水溫等于空氣的濕球溫度時，該過程為一等焓過程，空氣失去的顯熱量等于得到的潛熱量，總熱量保持不變。

高壓微霧直接蒸發(fā)冷卻結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

高壓微霧直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中，空氣與水的熱濕交換過程比較復雜，影響其熱質(zhì)交換效率的因素也很多，例如空氣的質(zhì)量流速、噴水系數(shù)、噴水室的結(jié)構(gòu)特性、空氣與水的初終狀態(tài)參數(shù)等，因此很難用純理論計算的方法確定熱濕交換的性能參數(shù)，我們只能采用實驗的方法。就是對某一結(jié)構(gòu)和空氣處理過程的高壓微霧噴水室進行實驗，對大量實驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到經(jīng)驗公式，從而來指導這種系統(tǒng)的設計和應用。

濕膜填料式直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中，空氣與水的直接接觸是通過填料來進行的。淋水依靠重力從填料的上部流下，填料良好的吸水性能使其表面具有很好的濕潤性。這樣，空氣與水在填料的濕潤表面上進行充分的熱濕交換。

濕膜直接蒸發(fā)冷卻結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

影響濕膜填料式直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)效率的因素也很多，例如填料種類、厚度及內(nèi)部結(jié)構(gòu)、迎面風速、淋水量和空氣進出口的狀態(tài)參數(shù)等。當前，對于濕膜填料式直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)來說，已經(jīng)有比較完整的熱工計算方法，可以通過計算得到出口空氣的干球溫度、含濕量以及直接蒸發(fā)冷卻效率等，這里不再贅述。

2 高壓微霧與濕膜直接蒸發(fā)冷卻的實驗研究

2.1 高壓微霧直接蒸發(fā)冷卻實驗研究

1)實驗臺簡介。

實驗臺如圖3所示。

本實驗通過改變空氣的質(zhì)量流速、入口空氣的狀態(tài)參數(shù)、噴嘴密度、噴水方向和噴淋排管距擋水板的距離，測試其對高壓微霧直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的熱濕交換效率影響。需要測試的物理量包括：入口和出口空氣的干球溫度及相對濕度、空氣的質(zhì)量流速。實驗主要測試儀器和設備包括：a.EE-16型空調(diào)用溫濕度傳感器；b.AI-702M型空氣溫濕度測量顯示儀；c.A4201數(shù)字式風速儀等。

2)實驗結(jié)果整理與分析。

a.迎面風速對進出口干球溫差的影響見圖4。

數(shù)據(jù)分析：隨著風速的增加，進出口干球溫差降低，以圖4a)為例，當進口空氣的干球溫度為30 ℃，相對濕度為50%時，風速為2.0 m/s時的溫降為7.2 ℃，風速為2.5 m/s時的溫降為7.0 ℃，風速為3.0 m/s時的溫降為6.8 ℃。

b.迎面風速對直接蒸發(fā)冷卻效率的影響見圖5。

數(shù)據(jù)分析：隨著風速的增加，直接蒸發(fā)冷卻效率降低，以圖5為例，當進口空氣的干球溫度為30 ℃，相對濕度為50%時，風速為2.0 m/s時的效率為90%，風速為2.5 m/s時的效率為88%，風速為3.0 m/s時的效率為85%。

從上面的數(shù)據(jù)統(tǒng)計還可以得出：噴排距擋水板的距離、噴嘴密度和噴水方向?qū)Ω邏何㈧F直接蒸發(fā)冷卻性能的影響規(guī)律，這里不再單獨繪制圖表。

2.2 濕膜直接蒸發(fā)冷卻實驗研究

1)實驗臺簡介。

實驗臺如圖6所示。

本實驗通過改變空氣的質(zhì)量流速、入口空氣的狀態(tài)參數(shù)、填料種類及厚度等，測試其對濕膜直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的熱濕交換效率影響。需要測試的物理量包括：入口和出口空氣的干球溫度及相對濕度、空氣的流速和過流阻力。實驗主要測試儀器和設備包括：a.EE-16型空調(diào)用溫濕度傳感器；b.AI-702M型空氣溫濕度測量顯示儀；c.A4201數(shù)字式風速儀；d.S2000系列壓差表等。

2)實驗結(jié)果整理與分析。

a.填料厚度對濕膜直接蒸發(fā)冷卻性能的影響(有機濕膜)。

數(shù)據(jù)分析：當填料的厚度逐漸增加時，出口空氣相對濕度、進出口空氣干球溫差和直接蒸發(fā)冷卻效率也升高；如圖7～圖9所示，當進口空氣的干球溫度為30 ℃，相對濕度為50%，風速為2.5 m/s時，100 mm，200 mm和300 mm厚的有機濕膜的出口相對濕度分別為87%，96%和99%，溫差分別為5.9 ℃，6.9 ℃和7.2 ℃，效率分別為73%，86%和89%。

b.填料厚度對濕膜直接蒸發(fā)冷卻性能的影響(無機濕膜)。無機濕膜的實驗數(shù)據(jù)見圖10～圖12。

c.迎面風速對濕膜過流阻力的影響見圖13。

從上面的數(shù)據(jù)統(tǒng)計還可以得出：迎面風速、入口空氣干球溫度和相對濕度、濕膜種類等對濕膜直接蒸發(fā)冷卻性能的影響規(guī)律，這里不再單獨繪制圖表。

3 高壓微霧與濕膜直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性能評價

1)高壓微霧與濕膜直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟性能評價指標[1]。

參考常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的能效比EER，我們也采用EER來衡量直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的經(jīng)濟性能。

其計算公式為：

(1)

式中：EER——按常規(guī)制冷模式計算的直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)的能效比；

Ma——空氣的質(zhì)量流速，kg/s；

Δtin-out——空氣的進出口干球溫差，℃；

Cp——空氣的比熱，kJ/(kg·℃)；

W——每小時耗電量，kW。

2)有效供冷與有效供冷量表。

直接蒸發(fā)冷卻的EER僅僅是表征最初機器冷卻空氣的性能，而不是用這種空氣冷卻房間或建筑物的性能。一般來講，直接蒸發(fā)冷卻的送風溫差比常規(guī)的機械制冷送風溫差小，因此在同等情況下要求的送風量就要增大，相應的冷風在輸送的過程中冷量損失也就會變大?？諝鈴闹苯诱舭l(fā)冷卻系統(tǒng)獲得的冷量并不等于最后從被冷卻房間去除掉的顯熱量，因為存在很大一部分的冷量損失，所以用于房間的凈供冷量小于直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的輸出冷量。經(jīng)國內(nèi)外專家和學者多年來的潛心研究，繪制出了有效供冷表，它表征直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中輸出的冷量中有效供冷量的百分數(shù)，這個百分數(shù)與室外的干濕球溫差和室內(nèi)的洗滌后空氣溫升有關(guān)，如表1所示。

表1 直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)輸出冷量中有效供冷量百分數(shù)[1]

3)直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在某個工程中經(jīng)濟性能評價舉例。

下面我們試著以一個具體工程為例，借助有效供冷量百分數(shù)表，計算直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的能耗，并將計算結(jié)果與常規(guī)的機械制冷系統(tǒng)的能耗進行對比，從而獲得直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的經(jīng)濟性能。假定我們已知新疆克拉瑪依市的一個會議廳的顯熱冷負荷。常規(guī)的機械制冷能效比EER=10.5，取15%的冷量損失[1]。該市所在地區(qū)供冷期平均干濕球溫差為13.5 ℃，某直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的能效比EER=96，克拉瑪依市的干濕球溫差設計值為16.1 ℃，送風溫差經(jīng)綜合考慮后取為7.2 ℃，由表1可以查得有效制冷量約為56%，則計算如下：

常規(guī)機械制冷：

EER′=EER×(1-15%)=10.5×85%=8.93

(2)

直接蒸發(fā)冷卻制冷：

(3)

節(jié)能量：

(4)

直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的節(jié)能效果很明顯，而且其結(jié)構(gòu)簡單，初投資和相應的設備維護費用也不高。

4)以陜西某地區(qū)全年氣象參數(shù)為例對直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)進行經(jīng)濟性能評價并給出運行時間與節(jié)能效率。

運行時間的確定。由于直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的運行效果受室外氣象條件的影響，那么我們就應該首先分析一下西安地區(qū)的全年氣象參數(shù)，其中包括：室外空氣的干濕球溫度和相對濕度等。西安地區(qū)的全年室外空氣干球溫度統(tǒng)計圖如圖14所示[2]。

由圖14的氣象統(tǒng)計規(guī)律可得，中央空調(diào)系統(tǒng)應該從大約5月15日到9月15日這四個月內(nèi)的常規(guī)工作時間里運行，對建筑物進行供冷。在5月，6月和9月的空調(diào)季里出現(xiàn)最多的室外氣象參數(shù)是30 ℃，35%和33 ℃，30%，當然也會出現(xiàn)溫度稍低相對濕度稍高或溫度稍高而相對濕度稍低的情況，這里只取以上所述兩種參數(shù)作為代表。當室外空氣參數(shù)為30 ℃，35%時，由標準焓濕圖計算可得其濕球溫度為18.9 ℃。此時，如果采用濕膜直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，選取實驗中所測試的有機濕膜，厚度取為200 mm，入口干球溫度為30 ℃，迎面風速取為2.5 m/s，此時的直接蒸發(fā)冷卻效率在85%左右，經(jīng)等焓降溫后處理，最后計算可得出口空氣的干球溫度大約為20.6 ℃，相對濕度約為85%。然后將20.6 ℃，85%的空氣送入室內(nèi)，吸收室內(nèi)的顯熱，空氣的溫度升高而相對濕度降低，當空氣達到室內(nèi)的設計參數(shù)時，例如26 ℃，65%時，將空氣通過排風機排至室外。在這個過程中，洗滌后空氣溫升為5.4 ℃,滿足要求。如果室內(nèi)的熱濕比很大，當洗滌后空氣達到26 ℃時，相對濕度在60%左右，更加的舒適。

同理，當室外空氣的參數(shù)為33 ℃，30%時，取實驗用200 mm厚有機填料，迎面風速2.5 m/s，此時濕膜直接蒸發(fā)冷卻的效率在90%左右，經(jīng)計算可得處理后的空氣參數(shù)約為21.2 ℃，89%。然后將21.2 ℃，89%的空氣送入室內(nèi)，吸收室內(nèi)的顯熱，空氣的溫度升高而相對濕度降低，當空氣達到室內(nèi)的設計參數(shù)時，例如26.5 ℃，65%時，將空氣通過排風機排至室外。在這個過程中，洗滌后空氣溫升為5.3 ℃,滿足要求。當溫度稍低相對濕度稍高或溫度稍高而相對濕度稍低時，此直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)也是完全可以滿足要求的，這里不再重復。當然，采用300 mm厚度的有機填料或200 mm厚度的無機濕膜，迎面風速也取為2.5 m/s時，其出口干球溫度會更低，而出口相對濕度和直接蒸發(fā)冷卻效率會更高，但是要注意空氣出口空氣的相對濕度值的范圍。而如果采用高壓微霧直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，適當?shù)恼{(diào)整迎面風速和噴嘴密度(選擇性的關(guān)閉一些噴嘴)，可以達到與濕膜直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)相同的冷卻效果。

由上面的分析和計算可知，對于西安市來說，5月中下旬、6月和9月上中旬的將近兩個月時間內(nèi)可以采用直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)代替機械制冷系統(tǒng)，而7月和8月中的絕大多數(shù)時間里空氣的干球溫度和相對濕度都較高，不建議采用直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)。

陜西的榆林市和延安市的氣候條件更加適合直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的應用。根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境專用氣象數(shù)據(jù)集》中典型年的氣象數(shù)據(jù)，榆林的供冷期大約為5月25日～8月25日的三個月時間，在榆林地區(qū)的大型綜合體建筑中可以用直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械制冷系統(tǒng)，不保證天數(shù)不超過10 d。而延安地區(qū)的供冷期大約為5月10日～9月10日這四個月時間，其中5月10日～6月30日和9月1日～9月10日這兩段時間內(nèi)直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)基本可以保證對空氣的冷卻效果，不保證天數(shù)不超過10 d，而在7月和8月的兩個月時間內(nèi)，可以保證7月中有將近半個月的時間達到冷卻效果，8月中也有將近半個月的時間達到冷卻效果，機械制冷系統(tǒng)只需要在不保證的時間段內(nèi)開啟，大概只需要開啟1個月左右的時間?？梢?，在陜西省北部的榆林市和延安市應用直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的節(jié)能效果和經(jīng)濟效果是相當明顯的。

4 結(jié)語

本文以高效節(jié)能的高壓微霧和濕膜直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)為研究對象，通過理論計算和實驗測試，得出了幾種主要因素對這兩種直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的影響規(guī)律，并驗證了高壓微霧和濕膜直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的實用性和經(jīng)濟效益。主要結(jié)論如下：

1)分別對高壓微霧和濕膜蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)進行了實驗研究。通過對影響因素的分析，得出本次高壓微霧系統(tǒng)熱工性能的主要影響因素為空氣的質(zhì)量流速、入口空氣的狀態(tài)參數(shù)、噴嘴密度、噴水方向和噴淋排管距擋水板的距離，而本次濕膜直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)熱工性能的主要影響因素為進口空氣干球溫度和相對濕度、填料厚度、迎面風速和填料的材料。

2)對于高壓微霧系統(tǒng)來說，隨著進口空氣干球溫度的升高、相對濕度的降低、噴嘴密度的增大、噴排間距的增加和迎面風速的減小，出口空氣的相對濕度、進出口空氣的溫差和直接蒸發(fā)冷卻效率都呈現(xiàn)上升的趨勢，而逆噴比順噴的熱工性能稍微好一點。例如當進口空氣的干球溫度為30 ℃，相對濕度為50%時，風速為2.0 m/s，2.5 m/s和3.0 m/s時的溫降分別為7.2 ℃,7.0 ℃和6.8 ℃，直接蒸發(fā)冷卻效率分別為90%，88%和85%(此處只列舉了實驗中部分工況的實驗數(shù)據(jù))。

3)對于濕膜系統(tǒng)來說，隨著進口空氣干球溫度的升高、相對濕度降低、填料厚度的增加和迎面風速的減小，出口空氣的相對濕度、進出口空氣的溫差和直接蒸發(fā)冷卻效率都呈現(xiàn)上升的趨勢，而在其他條件相同的情況下，無機填料比有機填料的降溫和加濕性能更加的優(yōu)越，但是空氣的過流阻力較大。例如當進口空氣的干球溫度為30 ℃，相對濕度為50%，迎面風速為2.5 m/s時，100 mm，200 mm和300 mm厚的有機濕膜的出口相對濕度分別為87%，96%和99%，進出口干球溫差分別為5.9 ℃，6.9 ℃和7.2 ℃，直接蒸發(fā)冷卻效率分別為73%，86%和89%(此處只列舉了實驗中部分工況的實驗數(shù)據(jù))。無機填料與有機填料相比，出口空氣的相對濕度、進出口空氣的干球溫差和直接蒸發(fā)冷卻效率都比較大，而且過流阻力也較大。就直接蒸發(fā)冷卻的性能來看，300 mm厚的有機填料與200 mm厚的無機填料相當，而200 mm厚的有機填料與100 mm厚的無機填料相當。

4)初步的給出了一種高壓微霧與濕膜直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)經(jīng)濟性能的計算方法，并且以陜西省的西安市、榆林市和延安市為例，結(jié)合《中國建筑熱環(huán)境專用氣象數(shù)據(jù)集》中典型年的全年逐時氣象數(shù)據(jù)，給出了直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在這三個地區(qū)的推薦運行時間和不保證時間，并以某一典型建筑為例評價了該系統(tǒng)的節(jié)能效率及經(jīng)濟效益，再次證明了高壓微霧和濕膜直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)具有巨大的節(jié)能效果與經(jīng)濟效益。同時，也給出了今后在設計和應用此系統(tǒng)時的分析和計算方法，其中包括推薦的運行時間和不保證時間的確定方法，為進一步推廣高壓微霧和濕膜直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的應用起到了一定的作用。

[1] 張 丹，黃 翔.關(guān)于直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)經(jīng)濟性能的評價[J].制冷空調(diào)與電力機械，2005，26(5)：57-59.

[2] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學建筑技術(shù)科學系.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

Research on high-pressure micro fog and wet film direct evaporating cooling features

Zhou Min Hou Zhankui

(ChinaNorthwestArchitectureDesignandResearchInstituteCo.,Ltd,Xi’an710018,China)

The paper introduces the principle for the high-pressure micro fog and wet film direct evaporating cooling, and obtains the influence low of several main factors in the two kinds of direct evaporating cooling system through the theoretical calculation and experiment test, proves its adoptability and economic benefits, compares and analyzes its performance, and concludes the differences and relationship between their cooling features.

direct evaporating cooling, high-pressure micro fog, wet film, adoptability, energy-saving effect, economic benefits

1009-6825(2015)07-0107-05

2014-12-22

周 敏(1963- )，男，教授級高級工程師； 侯占魁(1986- )，男，工程師

TU831

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