立管間接-靶式噴嘴復(fù)合蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的設(shè)計與性能分析

宋祥龍，黃翔，申長軍，呂偉華，黃萍，張彥，席培涵，朱永鋒

（1-西安工程大學(xué)，陜西西安 710048；2-陜西金翼通風(fēng)科技有限公司，陜西咸陽 712000）

立管間接-靶式噴嘴復(fù)合蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的設(shè)計與性能分析

宋祥龍*1，黃翔1，申長軍1，呂偉華1，黃萍2，張彥2，席培涵2，朱永鋒2

（1-西安工程大學(xué)，陜西西安 710048；2-陜西金翼通風(fēng)科技有限公司，陜西咸陽 712000）

針對現(xiàn)有間接蒸發(fā)冷卻器、直接蒸發(fā)冷卻填料易堵且難以清洗，蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組占地面積大、難以靈活布置等缺陷，本文提出了一種立管間接—靶式噴嘴復(fù)合蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組，并從結(jié)構(gòu)角度對機(jī)組的防堵性能進(jìn)行了分析。以10,000 m3/h為例，本文設(shè)計計算與制作了這一新型機(jī)組，并進(jìn)行制冷量與能效比計算，為該新型蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的設(shè)計提供一些參考。

立管式間接蒸發(fā)冷卻器；靶式撞擊流噴嘴；設(shè)計計算；防堵；蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組

0 引言

近年來，在國家節(jié)能減排政策的推動下，蒸發(fā)冷卻空調(diào)因其節(jié)能、環(huán)保、綠色、健康的特點(diǎn)，日益受到行業(yè)人士的矚目[1-5]。其中憑借管式間接蒸發(fā)冷卻器換熱效率穩(wěn)定、空氣流動阻力小、成本低廉、直接蒸發(fā)冷卻填料比表面積大和換熱效率高等優(yōu)勢，管式間接+直接蒸發(fā)冷卻填料的兩級或三級蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組得到了廣泛推廣，并取得良好的應(yīng)用效果。

但在風(fēng)沙嚴(yán)重的西北地區(qū)、以及含塵濃度較高的部分工藝車間，空氣品質(zhì)較差，在使用一段時間后，管式間接蒸發(fā)冷卻器及填料均出現(xiàn)結(jié)垢甚至堵塞現(xiàn)象，降低換熱效率，縮短使用壽命。同時由于結(jié)構(gòu)因素，蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組占地面積較大，難以靈活布置，這些缺陷使得蒸發(fā)冷卻空調(diào)在該類地區(qū)或場所的應(yīng)用受到限制。因此本文提出立管間接-靶式噴嘴復(fù)合蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組，分析機(jī)組的防堵性能，并以10,000 m3/h為例，進(jìn)行機(jī)組的設(shè)計計算與制作。

1 復(fù)合蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)及工作原理

該立管間接-靶式噴嘴復(fù)合蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組主要由立管式間接蒸發(fā)冷卻段、流體動力式噴水室段及送風(fēng)機(jī)段組成，機(jī)組結(jié)構(gòu)示意如圖1。

1-進(jìn)風(fēng)閥，2-空氣過濾器，3-立管式間接蒸發(fā)冷卻器，4-流體動力式噴水室，5-送風(fēng)機(jī)，6-送風(fēng)閥，7-二次排風(fēng)機(jī)

1.1 立管式間接蒸發(fā)冷卻器

與傳統(tǒng)臥管式間接蒸發(fā)冷卻器不同，立管式間接蒸發(fā)冷卻器，其一次空氣流經(jīng)換熱管外側(cè)，二次空氣與循環(huán)水流經(jīng)換熱管內(nèi)，由于管外較寬的空氣流道以及管內(nèi)循環(huán)水的自沖刷作用，換熱器的堵塞問題大大緩解，同時采用立管式可縮小間接蒸發(fā)冷卻器在水平方向尺寸，減小機(jī)組占地面積。其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖2。

1.2 流體動力式噴水室

流體動力式噴水室的主要結(jié)構(gòu)為靶式撞擊流噴嘴。與離心噴嘴旋流離心霧化機(jī)理不同，靶式撞擊流噴嘴利用高速水流與靶板的相向撞擊，在撞擊面形成較高靜壓，蓄集的壓能使流體產(chǎn)生徑向速度，擠壓出一圓形水膜，迎面氣流與水膜發(fā)生劇烈摩擦，將其撕碎，從而達(dá)到霧化作用[6-8]。撞擊式流噴嘴霧化角為180°，節(jié)省噴嘴的使用量，同時由于水流的自沖刷作用，噴嘴堵塞問題得到緩解，圖3為流體動力式噴水室結(jié)構(gòu)示意及工作原理圖。

圖3 流體動力式噴水室結(jié)構(gòu)示意及工作原理圖

2 復(fù)合蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組設(shè)計計算

以10,000 m3/h為例，對該立管間接—靶式噴嘴復(fù)合蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組進(jìn)行設(shè)計計算。

2.1 立管式間接蒸發(fā)冷卻器設(shè)計計算

立管式間接蒸發(fā)冷卻器按單個模塊處理風(fēng)量5,000 m3/h設(shè)計，機(jī)組設(shè)置雙模塊。立管式間接蒸發(fā)冷卻器為管內(nèi)布水，為便于換熱管內(nèi)壁形成均勻穩(wěn)定的貼附水膜，換熱管采用圓管，管外徑d=30 mm，管壁厚0.3 mm，管長1.5 m，管材采用鋁合金，管壁內(nèi)側(cè)進(jìn)行噴砂親水處理。同時，為增加一次空氣擾動性增強(qiáng)換熱，換熱管束排列方式設(shè)置為叉排，其中奇數(shù)排16根、偶數(shù)排15根，換熱管間距如圖4所示，其中S1=40 mm、S2=35 mm。

換熱管內(nèi)壁貼附的循環(huán)水膜與二次空氣逆流接觸，發(fā)生熱濕交換降溫，同時與管外流過的一次空氣間接換熱，最后由二次排風(fēng)攜帶蒸發(fā)掉的水蒸氣排出。當(dāng)管內(nèi)熱質(zhì)交換與管外顯熱交換形成動態(tài)平衡時，管內(nèi)循環(huán)水溫度趨近于二次空氣的濕球溫度（因與管外空氣存在顯熱交換，循環(huán)水溫度略高于濕球溫度1 ℃～2 ℃）。因此，忽略管壁熱阻，立管式間接蒸發(fā)冷卻器的換熱屬管壁壁溫恒定、空氣外掠圓管管束對流換熱[9]。

圖4 換熱管束排列示意圖

通過查詢換熱設(shè)備h概略值[11]，換熱管內(nèi)循環(huán)水側(cè)對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1=400 W/(m2·K)。

忽略管壁熱阻，又因管壁很薄可按平壁計算傳熱系數(shù)：

聯(lián)立式(5)與式(2)并代入數(shù)據(jù)得：

查詢排數(shù)修正表，取修正系數(shù)εz=0.995，得出排數(shù)n=18.5，取整后排數(shù)為19。

因此該立管式間接蒸發(fā)冷卻器選用d=30 mm圓管，迎風(fēng)斷面上，換熱管數(shù)奇數(shù)排為16根、偶數(shù)排為15根，共設(shè)計19排，總換熱面積為39 m2，單個模塊風(fēng)量為5,000 m3/h，模塊尺寸長×寬×高=680 mm×710 mm×1,500 mm，機(jī)組設(shè)置雙模塊，設(shè)置布水器及收水器后，立管式間接蒸發(fā)冷卻段尺寸為長×寬×高=680 mm×1,500 mm×2,000 mm。二次/一次風(fēng)量比選為0.7，二次空氣流量為7,000 m3/h。

2.2 流體動力式噴水室設(shè)計計算

流體動力式噴水室性能參數(shù)如表1所示[12]。由立管式間接蒸發(fā)冷卻器尺寸可得，流體動力式噴水室迎風(fēng)面尺寸寬×高=1,500 mm×2,000 mm。

表1 流體動力式噴水室性能參數(shù)表

2.3 整機(jī)尺寸、功耗及能效比

通過設(shè)計計算確定立管式間接蒸發(fā)冷卻段及流體動力式噴水室段結(jié)構(gòu)及尺寸，并設(shè)置送風(fēng)機(jī)段，最終機(jī)組尺寸為：長×寬×高=4,000 mm× 1,500 mm×2,300 mm。機(jī)組實(shí)物如圖5所示。

圖5 立管間接—靶式噴嘴復(fù)合蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組實(shí)物圖

通過機(jī)組風(fēng)量及水力計算選取風(fēng)機(jī)，通過噴淋水量及噴水壓力選取水泵，最終機(jī)組動力設(shè)備功率如表2所示，總功率W=7.45 kW。

表2 機(jī)組動力設(shè)備功率表

根據(jù)設(shè)計，立管式間接蒸發(fā)冷卻器換熱效率取65%、流體動力式噴水室濕球效率取90%，以西安地區(qū)為例，機(jī)組制冷量為Q=59 kW，機(jī)組能效比EER=7.9。

3 結(jié)論

針對目前現(xiàn)有間接蒸發(fā)冷卻設(shè)備、直接蒸發(fā)冷卻填料易堵、機(jī)組占地面積大等缺陷，本文提出了立管間接—靶式噴嘴復(fù)合蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組。由于特殊的空氣流道及霧化機(jī)理，立管式間接蒸發(fā)冷卻器及流體動力式噴水室均具有良好的防堵性能，適于在風(fēng)沙大、含塵高的地區(qū)場所應(yīng)用。以10,000 m3/h為例對機(jī)組進(jìn)行設(shè)計計算與制作，經(jīng)計算機(jī)組能效比為7.9，為今后該新型蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的應(yīng)用與推廣提供一些參考。

[1] 黃翔. 蒸發(fā)冷卻空調(diào)理論與應(yīng)用[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2010.

[2] 郝航, 黃翔, 白延斌, 等. 模塊化間接—直接蒸發(fā)冷卻復(fù)合冷水機(jī)組的設(shè)計計算[J]. 西安工程大學(xué)學(xué)報, 2013, 27(4): 462-466.

[3] 王偉. 管式間接+直接多級蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的優(yōu)化和應(yīng)用研究[D]. 西安: 西安工程大學(xué), 2012.

[4] 張守信, 張聰, 張華, 等. 換熱器結(jié)構(gòu)布置對分體式空調(diào)室內(nèi)機(jī)性能的影響[J]. 制冷技術(shù), 2014, 34(5): 17-21.

[5] 劉曉峰, 羅絨, 黃翔. 轉(zhuǎn)輪兩級蒸發(fā)冷卻空調(diào)在通信機(jī)房的應(yīng)用研究[J]. 制冷技術(shù), 2014, 34(5): 57-61.

[6] 黃翔, 顏蘇芊, 武俊梅, 等. 流體動力式空調(diào)噴水室的理論與熱工性能試驗研究[J]. 制冷學(xué)報, 2002, 23(3): 18-23.

[7] 黃翔, 盧迅, 許世剛. 撞擊流技術(shù)與流體動力式噴水室的研究進(jìn)展[J]. 西安工程科技學(xué)院學(xué)報, 2002, 16(3): 213-217.

[8] 黃翔, 李剛, 顏蘇芊. 流體動力式空調(diào)噴水室理論及靶式撞擊流噴嘴的實(shí)驗研究[J]. 暖通空調(diào), 2004, 34(12): 55-58.

[9] 錢頌文. 換熱器設(shè)計手冊[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.

[10] GB 50736-2012 民用建筑供暖通風(fēng)及空調(diào)調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2012.

[11] 章熙民. 傳熱學(xué) [M]. 5版. 北京: 中國工業(yè)出版社, 2007.

[12] 黃翔, 武俊梅, 鄒平輝, 等. 流體動力式空調(diào)噴水室的實(shí)驗研究[J]. 暖通空調(diào), 2000, 30(1): 35-38.

Design and Performance Analysis of a Vertical Tube Type Indirect and Target Type Nozzly Composite Evaporative Cooling Air Conditioning Unit

SONG Xiang-long*1, HUANG Xiang1, SHEN Chang-jun1, Lü Wei-hua1HUANG Ping2, ZHANG Yan2, XI Pei-han2, ZHU Yong-feng2
(1-Xi'an Polytechnic University, Xi'an, Shaanxi 710048, China; 2-Shanxi Gold Wing Ventilation Technology Co., Ltd., Xianyang, Shaanxi 712000, China)

Indirect evaporative coolers and direct evaporative cooling packing have the disadvantages of easy blocking, difficult cleaning, large size and inflexibility layout. To overcome the above disadvantages, a vertical tube type indirect and target type nozzly composite evaporative cooling air conditioning unit was proposed. The anti-blocking performance of the units was analyzed from the view of structure. A unit was designed and fabricated for 10,000 m3/h. The refrigerating capacity and energy efficiency ratio of the unit were calculated. The study provides references for the design of the evaporative cooling air conditioning unit.

Vertical tube type indirect evaporative cooler; Target type impinging stream nozzle; Design and calculation; Anti-blocking; Evaporative cooling air conditioning unit

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.02.204

*宋祥龍（1989-），男，在讀研究生。研究方向：蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)。聯(lián)系地址：陜西省西安市碑林區(qū)金華南路19號西安工程大學(xué)，郵編：710048。聯(lián)系電話：15091197178。E-mail：lelexianglong@163.com。

西安工程大學(xué)研究生創(chuàng)新基金（2013075），西部地區(qū)利用干空氣可再生能源的節(jié)能低碳型蒸發(fā)冷卻空調(diào)開發(fā)與應(yīng)用（項目編號2011KTCQ01-10）