传热传质研究报告------直接蒸发冷却原理的应用及进展

键入文字 1 9 传热传质过程报告传热传质过程报告 直接蒸发冷却原理的应用及进展直接蒸发冷却原理的应用及进展 院系名称 土木工程系 年 级 2010 级 专 业 建筑环境与设备工程 学生姓名 学 号 二零一三年五月 键入文字 2 9 摘要摘要 蒸发冷却具有节能 经济 环保等优点 在建筑热湿环境保障领域受到越来越多的关注 本文介绍了近年来直接蒸发冷却技术的工程应用情况及发展趋势 系统总结了直接蒸发冷却器的传热 传 湿与净化效能 蒸发冷却器与其他系统的结合方法 关键词关键词 直接 直接蒸发冷却 蒸发冷却 数学模型 数学模型 工程应用工程应用 发展趋势发展趋势 引言引言 直接蒸发冷却是在自然条件下利用空气的干湿球温差来取得冷量 的 它是以水为制冷剂 对环境没有污染 且所消耗的能量只有水泵和风机的 功耗 COP 值高于常规的机械制冷系统 因此它具有节能环保的特点 另外它 是全新风送风 可以改善空气品质 防止病毒感染的功能 所以在臭氧层的耗 减和全球温暖化进程的加剧的情况下 这种对环境污染少 能源消耗少的空调 技术中越来越受到人们的重视 正文正文 蒸发冷却技术内容介绍 1 1 传质冷却的机理 传质是体系中由于物质浓度不均匀而发生的质量转移过程 体系中由 于熵自动向最大值移动 即趋向均匀 如果各部分温度不均匀 会趋向一 个平均温度 如果浓度不均匀 也会趋向一个平均浓度 但浓度的传递必 须发生在流体中间 可以是两种流体 之间 也可以是一种流体和固体之间 传质 如萃取 但不可能在两种固体 之间发生传质过程 虽然可以发生传热 过程 然而传质冷却真是通过传质 所引起的温度的差异而实现的 各物 质的浓度的差异导致了高低温物质的 相互混合 以致综合后的总的物质的 温度下降 以达到降温的目的 3 9 2 2 直接蒸发冷却 直接蒸发冷却 直接蒸发冷却 Direct Evaporative Cooing 简称DEC 利用循环水在填料中 直接与空气充分接触 由于填料中水膜表面的水蒸汽分压力高于空气中的水蒸 气分压力 这种自然的压力差成为水蒸发的动力 水的蒸发使得空气和水的温 度都降低 而空气的含湿量增加 空气的显热转化为潜热 是等焓降温过程 图1直接蒸发冷却空调器是一种使用循环水的蒸发冷却设备 主要包括一个风机 填料 水泵 不断地将水池里的水喷到填料上以保持填料湿润 以及补水泄流 部件 风机抽室外空气通过湿润的填料 使得室外空气更潮湿更冷却 冷却的 空气进入房间 并将室内热空气从打开的窗口 门等处排出 这一点和传统制 冷空调明显不同 它不使用循环风 能保持室内空气清新 当不饱和的空气与 填料表面水膜直接接触时 在贴近水膜表面的地方或水滴周围 由于空气和水 温差的存在以及分子作不规则运动的结果 形成一个与水表面温度相等的饱和 空气边界层由于未饱和空气与边界层之间存在着温度差和水蒸汽浓度差或水蒸 气分压力差 当水的温度低于空气的温度而水表面的蒸汽分压力大于周围空气 的水蒸汽分压力时 则空气向水传递显热 空气温度下降 水温上升 水表面 边界层的水蒸气分子向空气中转移 即蒸发 使空气变湿润 水膜从周围吸收 汽化潜热并在紧贴水膜表面形成对应于水膜温度的饱和空气层 饱和空气层中 的水蒸气在水蒸气分压力差的推动下 向掠过水膜表面的不饱空气中迁移 进 行着以质量传递为形式的潜热交换 在这两个同时发生并互相耦合的热量及质 量传递过程中 其方向及强度受多因素的影响 形成典型的空气 水蒸气 水 两相多组分中伴随质量迁移的复杂传递过程 4 9 3 3 直接蒸发冷却模型的建立及求解 直接蒸发冷却模型的建立及求解 3 1 边界层理论模型 蒸发冷却技术属于低品位能源利用技术 其主要特点是在淋水填料表 面进行热质交换 其过程是流动 传热 传质同时发生 相互耦合 交叉 影响的复杂不可逆热力过程 空气和水呈叉流状 故对其内部的流动状况 进行描述 测量和计算比较困难 研究主要以实验为基础 理论计算也是 其难点之一 本文通过分析填料式直接蒸发冷却设备内部传热 传质过程 建立数学模型 为蒸发冷却设备的设计 应用提供理论基础和依据 现有的边界层理论建立的数学模型很少考虑到质量源项产生的动量源 项对动量方程的影响 为此 在建立动量方程时将动量源项的影响考虑进 去以减小数学模型和实际问题之间的偏差 3 2 假设条件 1 忽略空气 水与外界的换热 空气进行绝热加湿 2 空气温度 含湿量和水温只沿流动方向变化 3 液膜流动为层流 表面无波动 4 水膜很薄 淋水量只要满足润湿整个填料表面即可 故而忽略其厚度 5 直接蒸发冷却过程稳定 6 气液 液固界面表面无滑移 如图 3 所示 空气流动方向为 x 水流动方向为 y 填料宽度方向为 z 根据 假设条件 可简化为二维模型 确定如图 4 所示的计算区域 5 9 3 3 控制方程 6 1 质量方程 空气 1 v aa m x u 水 2 v ww m y u 2 动量方程 通常 x 轴 速度为 u 动量方程为 3 1 z w y v x u xz u zy u yx u xx p g z wu y vu x uuu x 考虑了动量源项影响的空气 水的动量方程如下 空气 3 x a axa aaa S x u x p g x uu 2 2 3 4 水 4 y w wyw www S y u y p g y uu 2 2 3 4 3 能量方程 空气 5 pa va pa aaaa c q x t cx tu 2 2 水 y o x 空气 o x y 空 气 出 口 边 界 空 气 入 口 边 界 水出口边界 u u a w 水入口边界 au uw z 图 3 空气和水流动坐标示意图图 4 计算区域及边界 6 9 水 6 pw vw pw wwww c q y t cy tu 2 2 4 空气含湿量质量守恒方程 7 v a pa aaaa m x d cx du 2 2 5 湿空气状态方程 8 T p T B q a 001315 0 00348 0 6 质量交换方程 9 aasav ddKm 7 热量交换方程 10 asapav ttcKq 8 Ka b1 mab2 b3 11 Ka与空气质量流率ma 淋水密度 以及填料种类和结构有关 3 4 边界条件 针对图 4 所示的计算区域 控制方程的边界条件表达如下 1 空气入口边界 x 0 入口边界的速度ua给定 温度 含湿量 焓给定 ua uai ta tai da dai ha hai 2 空气出口边界 x ua uao uai ha hao hai 3 水入口边界 y 0 入口边界的速度uw给定 焓也给定 uw uwi hw hwi 4 水出口边界 y 填料高度 uw uwi uwo hw hwo hwi 注 i 输入值 7 9 o 输出值 一般来说 出口边界总是最难处理的边界条件 按微分方程理论 应当给 定出口截面上的条件 但除非能用实验方法测定 否则我们对出口截面上的信 息一无所知 有时 这正是计算所想要知道的内容 目前广泛采用的一种处理 方法 即假定出口截面上的节点对第一个内节点已无影响 因而可以令边界节 点对内节点的影响系数为0 这样出口截面上的信息对内部节点就不起作用 也 就无需要知道出口边界上的值 这种处理的物理实质相当于假定出口截面上流 动方向的坐标是局部单向 下游不影响上游 7 4 4 数值结果及分析 数值结果及分析 文献的直接蒸发冷却器的效率定义为 3 1 1 11 21 wsip pp tt titi E 空气水间的换热过程 总能达到热的平衡 因此 3 2 2 2112ipipppsssttCmhhm 根据定义的饱和湿空气比热公式 3 2 3 12 12 wbswbs ss wbs wb tt hh dt dh C 可以得到 3 2 4 12 min max 12wbswbsipiptt C C tt 这里 称之为热容比或称之为水当量比 wbs pp cm cm C C max min 将公式 3 4 代入空气换热效率公式 8 9 3 2 5 1 1 21 wip ipip NTUp p tt tt e 可得 1 12 min max wip wbswbs tt tt C C 5 5 工程实际应用及最新进展 工程实际应用及最新进展 5 1 2011 年 由 北方工业大学建筑工程学院的陈伟娇和特灵空调系统 中国 有限公司的楼胜芳及日本名古屋工业大学水谷章夫三人研究成果 北方工业大 学科研基金项目 保水性铺装材料表面蒸发冷却效果的室内实验研究 发表在 期刊 建筑科学 2011 年 27 卷第六期上 这是蒸发冷却的新应用 保水性铺 装是一种通过表面蒸发冷却来有效降低铺装表面温度的方法 可以缓解城市热岛 现象 保水材料的种类不同 效果各异 若进行室外蒸发冷却实验会受到气候条 件的制约 该文分析了开粒度沥青表面铺装材料和具有吸水 保水性沥青表面铺 装材料的表面蒸发冷却效果 5 2 直接蒸发冷却通风降温在地铁高架车站的应用 西安地铁 3 号线高架车 站采用直接蒸发冷却通风降温方式 在地铁高架车站中采用该通风温降方式可 较好的改善站内环境 提高乘客的舒适感 通过初投资和运行能耗计算分析表 明 在初投资不高的情况下可产生良好的社会经济效益 通过工程实例的应用分 析研究可知 直接蒸发冷却通风降温方式在与西安气候条件相近的我国北方大多 数城市地铁高架车站应用也是合适可行的 5 3 蒸发冷却技术应用于大型汽轮发电机的 得出定子浸润式 转子开放管道 式蒸发冷却方案应用于大型汽轮发电机在技术上是可行的 同时对汽轮发电机转 子绕组开放管道式蒸发冷却技术 5 4 新型蒸发冷却式通风外墙 复合墙体内空气与水两种流体域的流动传热 与 常规的建筑墙体相比 利用水的蒸发冷却对外墙内表面进行降温的复合通风外墙 9 9 结构具有很好的隔热效果 蒸发冷却式通风外墙只能采用水层位于通风空气层内 侧的结构形式通过提高空气入口速度 可以达到更好的隔热效果而通风机的安装 位置和送风方向的选择相对自由 水层厚度与空气层厚度对墙体稳态热工性 总结总结 直接蒸发冷却过程是一个同时存在流动 传热和相变传质等多个 传递过程的复杂过程 理论上 可以从质量 能量守恒方程及传热传质方程出 发 求出关于 DEC 空调机进出口温湿度之间的变化规律 但是为了简化分析和 计算 在建立理论模型的时候引入了一定的假设条件 传热传质的过程其实非 常复杂 人们至今仍不能完全掌握它 蒸发冷却作为一种典型的热质交换过程 在工程中广泛应用 在暖通空调领域有着重要的地位 我们应当充分认识到这 一点 在总结前人研究的基础上 推陈出新 以及更好的了解传热传质过程并 应用于实际工程中 参考文献 参考文献 1 黄翔 武俊梅 等 中国西北地区蒸发冷却技术应用状况的研究 C 第 11 届全国暖通空调技 术信息网大会论文集 2 武俊梅 黄翔 殷清海 等 直接蒸发冷却空调机性能研究 J 建筑热能通风空调 2000 19 4 12 14 3 宣永梅 无机填料直接蒸发冷却空调机的理论与实验研究 D 西安工程科技学院 2001 4 Boris Halasz A general mathematical model of evaporative cooling devices J Rev G n The