二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)性能研究

楊昌春， 季旭， 許強(qiáng)強(qiáng)， 王進(jìn)康， 廖超，徐海洋， 韓景陽, 楊德龍

(1.云南師范大學(xué) 能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院；2.云南師范大學(xué) 太陽能研究所,云南 昆明 650500)

蒸發(fā)冷卻空調(diào)是利用水蒸發(fā)吸熱，將室外空氣降溫、加濕、除塵及過濾后再送入室內(nèi)的新型節(jié)能、環(huán)?？照{(diào)[1-6].但是經(jīng)過多年的使用還存在一些不足之處，如噴水室與滴水式填料中空氣與水膜的接觸時(shí)間有限，使得熱濕交換效率低，因而附加了高壓噴霧加濕器，但這種加濕器給水壓力一般為0.1～0.5 MPa，在被處理空氣溫度較低時(shí)，噴出水霧蒸發(fā)比較困難，加濕效率低，限制其推廣及應(yīng)用.針對(duì)這個(gè)問題，西安工程大學(xué)與南通昆侖空調(diào)有限公司合作開發(fā)出填料-高壓微霧復(fù)合式兩級(jí)直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組，降溫效果顯著,該機(jī)組與傳統(tǒng)的噴水室、填料式噴水室空調(diào)機(jī)組相比具有高效、節(jié)能、凈化等優(yōu)點(diǎn).李成成等[7]通過對(duì)填料-高壓微霧與高壓微霧-填料方案對(duì)比分析，得出填料-高壓微霧既充分發(fā)揮了填料-高壓微霧復(fù)合式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組中填料蒸發(fā)冷卻的主導(dǎo)作用，同時(shí)又克服了空氣與填料接觸時(shí)間短，冷卻效率低的缺點(diǎn)，高壓微霧對(duì)填料起到很好的補(bǔ)充作用，提高了對(duì)空氣冷卻、加濕的效果.本文搭建了一套基于填料-高壓微霧的二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)，系統(tǒng)研究其降溫性能，并分析了干濕球溫度、入口風(fēng)速、相對(duì)濕度對(duì)二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)性能的影響.

1 系統(tǒng)原理及性能參數(shù)

1.1 系統(tǒng)原理

二次蒸發(fā)加濕降溫系統(tǒng)是室外空氣先經(jīng)過濕簾，與填料表面的水膜進(jìn)行充分接觸進(jìn)行熱質(zhì)交換，水吸收空氣中的顯熱蒸發(fā)進(jìn)入空氣中使空氣加濕、降溫，然后進(jìn)入高壓微霧段，霧滴被強(qiáng)制吸收空氣中的熱量汽化.

蒸發(fā)冷卻降溫的過程如圖 2所示，室外空氣的原始狀態(tài)為 1 點(diǎn)，當(dāng)空氣與水接觸，在沒有其他熱量傳遞給水和空氣的情況下，水蒸發(fā)所需的潛熱全部來自空氣，空氣的狀態(tài)變化為一絕熱加濕的過程.由于進(jìn)入空氣中的水蒸氣在液態(tài)下焓值很小(可忽略不計(jì))，因此水在空氣中絕熱蒸發(fā)的過程可近似為一等焓過程.蒸發(fā)冷卻降溫過程中空氣的狀態(tài)將沿等焓線變化，即沿圖中的 1-2-3-4 線變化.如果水與空氣充分接觸蒸發(fā)，則空氣的狀態(tài)為相對(duì)濕度為 100%的 4 點(diǎn)，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度即為空氣的濕球溫度.由于蒸發(fā)冷卻降溫的過程實(shí)際上不可能進(jìn)行得徹底，因此經(jīng)過一次降溫空氣可能達(dá)到的狀態(tài)為 2 點(diǎn)，經(jīng)過二次降溫，空氣狀態(tài)點(diǎn)可達(dá)到3點(diǎn)，與 a 點(diǎn)相比， 其溫度下降，焓濕量增大，相對(duì)濕度也相應(yīng)增大了.

1.2 冷卻效率

直接蒸發(fā)降溫的極限是空氣的濕球溫度，即在最理想的情況下可使空氣溫度降低至空氣濕球溫度.在經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻裝置后，空氣能夠達(dá)到的溫度越接近濕球溫度，說明其降溫過程進(jìn)行的越充分.通常采用蒸發(fā)冷卻效率ηDEC[8-11]來評(píng)價(jià)蒸發(fā)冷卻裝置的降溫性能，其定義為

圖1 系統(tǒng)原理圖

圖2 空氣冷卻過程焓濕圖

(1)

為了評(píng)價(jià)二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)的降溫性能，可依據(jù)直接蒸發(fā)冷卻效率的公式定義為

(2)

式中，tin為進(jìn)口空氣干球溫度，℃；tout1為一次出口空氣的干球溫度，℃；tout2為二次出口空氣的干球溫度，℃；ts為入口空氣濕球溫度，℃.

1.3 進(jìn)出口的溫降

Δt1=tin-tout1

(3)

Δt2=tin-tout2

(4)

式中，Δt1為一次出口空氣的溫降，℃；Δt2為二次出口空氣的溫降，℃.

1.4 進(jìn)出口的加濕量

Δd1=dout1-din

(5)

Δd2=dout2-din

(6)

式中，Δd1為一次出口空氣的加濕量，g/kg ； Δd2為二次出口空氣的加濕量，g/kg ；din為進(jìn)口空氣的含濕量，g/kg；dout1為一次出口空氣的含濕量，g/kg；dout2為二次出口空氣的含濕量，g/kg.

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)過程

如圖3(a)所示，二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：水冷模塊、冷卻箱、通風(fēng)管道、水管、閥門、風(fēng)機(jī)和水泵.系統(tǒng)中水冷模塊外部箱體的尺寸為60 cm×30 cm×70 cm，箱體的左右兩邊設(shè)有3個(gè)風(fēng)口，而在箱體內(nèi)部上端，有3個(gè)直徑為20 cm的霧化噴頭，霧化噴頭通過水管與冷卻箱相連，在其下端，置有4個(gè)尺寸為30 cm×10 cm×30 cm纖維濕簾，單個(gè)濕簾厚度為10 cm，纖維濕簾上方有4個(gè)布水器，通過增壓水泵將冷卻箱內(nèi)冷卻水噴淋在纖維濕簾上，如圖3(b)所示.水冷模塊對(duì)進(jìn)入的熱空氣進(jìn)行兩次降溫加濕后，先經(jīng)下層的濕簾進(jìn)行一次降溫加濕，接著進(jìn)入上層進(jìn)行二次噴霧降溫加濕，兩次利用后的水經(jīng)出水口進(jìn)入冷卻塔冷箱，而后利用水泵將冷卻水提升流入進(jìn)水口循環(huán)利用.經(jīng)過兩次徹底降溫加濕后的空氣經(jīng)出風(fēng)口輸出.實(shí)驗(yàn)過程中，冷卻水溫度保持為20 ℃，環(huán)境溫度約為22 ℃，相對(duì)濕度為60%，對(duì)應(yīng)的含濕量約為8.3 g/kg.

(a)二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)實(shí)物圖

(b)水冷模塊

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用Agilent 34970A來進(jìn)行相關(guān)的測(cè)量,Agilent 34970A不僅可以對(duì)空氣的干濕球溫度進(jìn)行測(cè)量，而且還可以對(duì)空氣的相對(duì)濕度進(jìn)行間接測(cè)量，通過查閱相關(guān)說明書，進(jìn)行電壓信號(hào)與相對(duì)濕度的轉(zhuǎn)換.入口風(fēng)速的大小則可通過HT-8392型風(fēng)速儀進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量范圍為0.3～45 m/s，精度為±(3%+0.1 m/s)；入口的干球溫度及相對(duì)濕度可以通過熱風(fēng)儀進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)控.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 入口空氣干球溫度對(duì)二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)的影響

在入口風(fēng)速為1.5 m/s,濕球溫度為24 ℃的條件下，通過改變?nèi)肟诳諝飧汕驕囟?30～38 ℃)對(duì)二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)進(jìn)行研究(如圖4).從圖4(a)可以看出，隨著入口空氣干球溫度的增加，一次出口和二次出口溫度和溫降不斷增大，而出口加濕量和含濕量均隨入口空氣干球溫度的升高而增大；在相同條件下，二次出口溫降比一次出口的溫降高1.5～2 ℃，加濕量平均增加0.3 g/kg.從圖4(b)可以看出，二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)的冷卻效率也隨入口空氣干球溫度的升高而不斷增加，在入口溫度達(dá)38 ℃時(shí)，制冷效率達(dá)75%；由于入口空氣干球溫度的升高，導(dǎo)致空氣干濕球溫度差加大，空氣與水之間熱交換更為劇烈，出口溫降加大，冷卻效率便隨之增大.

3.2 入口空氣濕球溫度對(duì)二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)的影響

在入口風(fēng)速為1.5 m/s,干球溫度為35 ℃的條件下，通過改變?nèi)肟诳諝鉂袂驕囟?20～30 ℃)對(duì)二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)進(jìn)行研究.從圖5(a)可以看出，一次和二次出口溫度隨著入口空氣濕球溫度的加大而不斷增大，溫降相應(yīng)減少，而隨著入口空氣濕球溫度的增大，出口加濕量和含濕量卻不斷減??；在相同條件下，二次出口溫降比一次出口的溫降高1.5～2.1 ℃，加濕量平均增加0.2 g/kg.從圖5(b)可以看出，二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)的冷卻效率隨著入口濕球溫度的增加而不斷降低，效率由77%降到63%，這是由于入口空氣濕球溫度的升高，會(huì)導(dǎo)致其對(duì)應(yīng)的進(jìn)出口空氣溫差和干濕球溫差的變化，因此影響了冷卻效率.

(a)入口空氣干球溫度對(duì)出口溫度和加濕量的影響 (b) 入口空氣干球溫度對(duì)η的影響

圖4入口空氣干球溫度對(duì)二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)的影響

Fig.4 Effect of inlet air dry bulb temperature on secondary humidification evaporation and cooling system

(a)入口空氣濕球溫度對(duì)出口溫度和加濕量的影響 (b) 入口空氣濕球溫度對(duì)η的影響

圖5入口空氣濕球溫度對(duì)二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)的影響

Fig.5 Effect of inlet air wet bulb temperature on secondary humidification evaporation and cooling system

(a)入口風(fēng)速對(duì)出口溫度和加濕量的影響 (b) 入口風(fēng)速對(duì)η的影響

圖6入口風(fēng)速對(duì)二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)的影響

Fig.6 Effect of inlet wind speed on secondary humidification evaporation and cooling system

·

3.3 入口風(fēng)速對(duì)二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)的影響

在入口空氣干球溫度為35 ℃，濕球溫度為24 ℃的條件下，通過改變?nèi)肟陲L(fēng)速(1～3.5 m/s)對(duì)二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)進(jìn)行研究.從圖6(a)可以看出，在入口空氣干濕球溫度一定時(shí)，一次和二次出口溫度隨著入口風(fēng)速的增大而不斷增大，溫降相應(yīng)減少，而隨著入口風(fēng)速的增大，出口加濕量和含濕量均不斷減?。辉谙嗤瑮l件下，二次出口溫降比一次出口的溫降高2.0～2.6 ℃，加濕量平均增加0.25 g/kg.從圖6(b)可以看出，二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)的冷卻效率隨著入口風(fēng)速的增加而不斷降低，效率由76%降到62%，這是由于風(fēng)速的增大，導(dǎo)致了空氣與水熱交換的時(shí)間大大縮短，影響了整個(gè)系統(tǒng)的性能.

3.4 入口空氣相對(duì)濕度對(duì)二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)的影響

在入口風(fēng)速為1.5 m/s,干球溫度為35 ℃的條件下，通過改變?nèi)肟谙鄬?duì)濕度(35%～60%)對(duì)二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)進(jìn)行研究.從圖7(a)可以看出，出口溫度隨著入口空氣相對(duì)濕度增大而不斷增大，溫降相應(yīng)減少，而隨著入口空氣相對(duì)濕度的增大， 出口加濕量和含濕量均不斷減小；在相同條件下，二次出口溫降比一次出口的溫降高1.6～2.1 ℃，加濕量平均增加0.15 g/kg.從圖7(b)可以看出，隨著入口空氣相對(duì)濕度的增加，二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)的冷卻效率是不斷降低的.

(a)入口空氣相對(duì)濕度對(duì)出口溫度和加濕量的影響 (b) 入口空氣相對(duì)濕度對(duì)η的影響

圖7入口空氣相對(duì)濕度對(duì)二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)的影響

Fig.7 Effect of inlet air relative humidity on secondary humidification evaporation and cooling system

3.5 三種不同降溫系統(tǒng)制冷性能對(duì)比分析

如表1所示，一次直接蒸發(fā)冷卻效率為73%，高壓微霧蒸發(fā)冷卻效率為62%[12]，直接蒸發(fā)冷卻+高壓微霧蒸發(fā)冷卻效率為77%，說明采用填料—高壓微霧的方式， 高壓微霧對(duì)填料起到補(bǔ)充作用，提高了冷卻效率 .

表1三種不同降溫系統(tǒng)制冷性能

Table 1 Refrigeration performance of three different cooling systems

名稱一次直接蒸發(fā)冷卻高壓微霧蒸發(fā)直接+高壓微霧蒸發(fā)效率73%62%77%

4 結(jié) 論

本文搭建了一套二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)，分析了入口干濕球溫度、風(fēng)速及相對(duì)濕度對(duì)二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)的影響，得出了以下結(jié)論：(1)在風(fēng)速一定的條件下，入口空氣干球溫度越高，相對(duì)濕度越低，冷卻效率越高，制冷效果越好；(2)在干濕球溫度一定的條件下，入口風(fēng)速越大，冷卻效率越低，當(dāng)風(fēng)速超過3.5 m/s時(shí)，冷卻效率低于63%，不利于系統(tǒng)的制冷；(3)同等條件下，二次加濕蒸發(fā)降溫系統(tǒng)的出口溫降比一次直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的出口溫降平均高出2 ℃左右，加濕量增加5%～10%，冷卻效率提高4%～10%.