浅谈蒸发冷却

浅谈蒸发冷却浅谈蒸发冷却 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 本文主要介绍蒸发冷却这一制冷方式的原理技术 构成 关键设 备 空气处理过程等 并浅谈蒸发冷却技术在工程应用中的影响因素 以及国 内外近来重点关注的研究方向情况 关键词关键词 接蒸发冷却 间接蒸发冷却 国内外发展情况 应用前景 优势等 AbstractAbstract evaporative cooling has the advantages of energy saving economic environmental protection in the field of building thermal wet environment protection is more and more attention This paper mainly introduces the principle of evaporative cooling the refrigeration technology structure key equipment air handling process etc And discuss the influence factors of evaporative cooling technology in engineering application as well as the research direction of the recent focus on both at home and abroad KeywordsKeywords direct evaporative cooling and indirect evaporative cooling the domestic and foreign development situation application prospects advantages and so on 0 0 引言引言 蒸发冷却空调技术是利用自然环境中可再生能源干燥空气的干球温度与露 点温度差 通过水与空气之间的热湿交换来获取冷量的一种环保高效而且经济的 冷却方式 具有较低的冷却设备成本 能大幅度降低用电量和用电高峰期对电能 的要求 能减少温室气体和 CFC 的排放量的特点 1 2 被称为 零费用制冷技术 绿色空调 和 仿生空调 是真正意义上的节能环保和可持续发展的制冷空调技 术 在我国的实施减排中起着重要的作用 3 1 1 蒸发冷却的原理技术及应用蒸发冷却的原理技术及应用 1 11 1 蒸发冷却原理技术 循环水直接喷淋未饱和湿空气形成的增湿 降温 等焓过程称为直接蒸发冷 却 direct evaporative cooling 简称 DEC 而利用 DEC 处理后的空气 二次 空气 secondary air 或水 通过换热器冷却另外一股空气 一次空气 primary air 其中一次空气不与水接触 其含湿量不变 这种等湿冷却过程称为间 接蒸发冷却 indirect evaporative cooling 简称 IEC 上面两种方法的联 合即直接 间接蒸发冷却 这种蒸发冷却器由两级组成 第一级为间接蒸发冷 却器 经间接蒸发冷却后的一次空气再送入直接蒸发冷却器进行等焓加湿冷却 另一种复合式蒸发冷却系统是与除湿装置组合在一起的蒸发冷却系统 亦称除 湿蒸发冷却系统 直接蒸发冷却 1 直接蒸发冷却 简称 DEC 是指空气与水大面积的直接接触 由于水的蒸发 使空气和水的温度都降低 此过程中而空气的含湿量有所增加 空气的显热转 化为潜热 这是一个绝热加湿过程 整个蒸发冷却过程要在冷却塔 喷水室或 其他绝热加湿设备内实现 其装置原理因式如图 所示 对应的蒸发冷却过程 在 i d 图上可表示为图 2 由图可知 状态 1 的室外空气在接触式换热器内与 水进行热湿交换后 温度下降 含湿量增加 沿绝热线变化到状态 温度由 T1 下降到 T2 间接蒸发冷却 2 间接蒸发冷却 简称 IEC 是指把直接蒸发冷却过程中降温后的空气和水通 过非接触式换热器冷却待处理的空气 那么就可以得到温度降低而含湿量不变 的送风空气 此过程为等湿冷却过程 若把直接蒸发冷却中用的空气称二次空 气 待处理的空气称一次空气 则可得到用间接蒸发冷却装置原理图 如图 3 所示 图中的一次空气表示室外空气 二次空气表示出口的一次空气 图 4 为 过程焓湿图 可见温度为 T1 的空气由间接蒸发冷却设备处理后沿等湿线温度下 降到 T2 二次空气的进口温度也就等于一次空气的出口温度 T2 利用间接蒸发 冷却系统处理空气 空气处理前后的温度差一般不会超过空气处理前干湿球温 度差的 80 间接蒸发冷却可以用于很多地区 在集中空调系统中常用的一种 形式就是在过渡季节 直接将冷却塔提供的冷却水送入空气处理机组在表冷器 或房间内的风机盘管中处理空气 而停开制冷机组 1 2 实际应用 一般而言 蒸发冷却的空气处理都有下述一些方法 空气处理焓湿图 空气处理过程 2 2 关键设备 关键设备 蒸发冷却设备主要包括闭式冷却塔 蒸发式冷凝器以及传统的开式冷却塔 2 1 闭式冷却塔 英文叫做 Closed Circuit Coolers 国内通常翻译成闭式 冷却塔 蒸发冷却器 也有人翻译成蒸发空冷器 普遍应用于被冷却介质是水 或者某些溶液的场所 2 2 蒸发式冷凝器 英文叫做 Evaporative Condensers 主要应用于冷却氨 氟利昂等制冷介质 换热过程有相变的场所 2 3 开式冷却塔 英文叫做 Cooling Towers 就是我们传统意义上的冷却塔 为了和闭式冷却塔区分开 通常我们称之为开式冷却塔 3 3 发展近况发展近况 3 1 国外研究情况 Chker 通过对美国 122 个地区的气象参数进行详细分析得到了这些地方使 用直接蒸发冷却器的时间 3 Martinez 等人设计了一个混合式空气能量回收系统 该系统由两个热管和 间接蒸发换热器组成 4 Riffat 等人介绍了热管作为换热设备的间接蒸发冷却器的原理 5 F J R Martynez 等人提出了一种半间接陶瓷蒸发冷却器 该装置可以阻止 有害物质通过多孔结构 防止二次空气 回风 中污染物造成二次污染 6 美国戴维斯能源组提出了第三代两级蒸发冷却器 即露点式间接蒸发冷却器 和直接蒸发冷却器 第三代蒸发冷却器的 EER 比第一代和第二代的提高了 28 53 7 DESSOUKY 提出了一种新型的空调系统 该系统将膜空气干燥和间接 直接蒸 发冷却进行了复合 分析表明 膜除湿蒸发冷却系统相对于机械蒸发式制冷机可 节能 86 2 8 3 2 国内研究情况 王晓杰等人提出以水平吸液芯热管式换热器作为间接蒸发 冷却用 换热器 应用于空调系统中 9 黄翔等人通过研究为新型热管式间接蒸发冷却器在炎热 干旱地区的应用提供了依据 10 黄翔等人在消化吸收国外多级蒸发冷却空调系统技术的基础上 提出了适 合于我国西北地区的三级蒸发冷却空调系统 11 并在现有的国外蒸发冷却空调 集成系统的基础上 根据我国的实际情况 提出了一种新的蒸发冷却新风空调集 成系统方案 该集成系统将蒸发 除湿 冷却与机械制冷相结合 由新风机组 承担新风负荷和室内负荷 采用全空气系统 无回风 新风与排风之间采用全热交 换器 新风机组上安装了粒子过滤效率 99 999 的高效空气过滤器 控制系统采 用 VA V 控制 12 贺进宝等人分析了椭圆管式间接蒸发冷却器的热质交换过程 13 指出椭圆 管式间接蒸发冷却器的使用效果受气流速度 淋水量及其结构特性的影响 王 玉刚等人从管内插入螺旋线和管外包覆吸水性材料两方面入手 对开发和研究低 能耗 高效率的管式间接蒸发冷却器进行了理论与实验研究 14 采用半集中式蒸发冷却空调系统的方案 并对该方案的应用场所和条件进行 了详细的阐述 15 为蒸发冷却空调系统在西北地区更多的民用与公共建筑中推 广应用指明了方向 此外 最新的技术研究有多级蒸发冷却空调系统 除湿与蒸发冷却相结合 的空调系统 半集中式蒸发冷却空调系统 建筑物被动蒸发冷却技术 蒸发冷 却自动控制系统及蒸发冷却水质处理等 链接 4 4 蒸发冷却空调的应用前景 好处 蒸发冷却空调的应用前景 好处 蒸发型空调与传统的压缩机型空调相比 具有以下优点 这也是促使我们不 断深入研究蒸发型空调技术的主要原因所在 初投资的成本低 约为传统机械制冷的 1 2 机械制冷系统的造价为 1 400 元 m2 左右 而蒸发型制冷系统为 250 元 m2 左右 一般三年即可收回初投 资 耗电量为传统空调的 1 8 蒸发型空调 蒸发式冷气机 设备中所需 2 的主要动力为风机和水泵动 无制冷压缩机 能效比 COP 值很高 通常机械制 冷系统的耗电为 50W m2 左右 而蒸发型空调系统为 10 W m2 左右 节电 80 左 右 蒸发型空调 蒸发式冷气机 运行方式为全新风运行 且具有空气过滤 3 和加湿功能 不断输入 100 新鲜冷空气 有效的正压送风可使有害的空气排出 室外 保持室内洁净 大大改善其室内空气品质 保护环境 零污染 由于蒸发型空调 蒸发式冷气机 设备以水为制 4 冷剂 不氟里昂 对大气无污染 维护简单 保养费用低 传统压缩式空调机组一般需要冷水机组 冷 5 却塔 冷却水泵 末端装置等复杂的成套设备 运行 维护都麻烦 且需专业 人员操作 耗资很大 而蒸发型空调系统运行管理方便 一般无须专业人员 5 5 影响因素 影响因素 蒸发冷却是一种常见的自然现象 夏天的时候 我们在水泥地面上洒水 稍 后就会感觉凉爽些 这不是因为水温的变化 而是因为水泥地面上的水分蒸发 时 吸收并带走大量的热量造成的 我们出汗 或者退烧时用酒精擦拭身体 有凉快的感觉也是蒸发冷却的作用 事实上 蒸发冷却是一种强力又经济的冷 却技术 水分为什么会蒸发呢 水分的蒸发与空气中的水分是否饱和有关 对温度没 有要求 即使是零度的水也可以蒸发 在不饱和状态 无论在什么温度 液体 中总有一些速度很大的分子能够飞出液面而成为汽分子 这就是蒸发过程 影响蒸发的主要因素 与相对湿度有关 只要空气的相对湿度没有到达 100 的饱和状态 暴露在 1 空气中的液体或者固体的水分子就会飞出液面变成汽分子 就会发生水分蒸发 的过程 但是 如果空气中的水分已经达到了它的最大的容量 相对湿度已经 到了 100 处于饱和状态 水分就不蒸发了 其它参数相同的情况下 相对湿 度越低 蒸发的水分就越多 与露点温度有关 露点越低 表示气体中的含水量越少 气体越干燥 2 由于直接冷却和水接触 含湿量变大 直接饱和了 达到湿球温度 露点温度 指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下 冷却到饱和时的温度 间接冷却 正是不改变水含湿量 所以是露点温度 下面以针对露点间接蒸发冷却系统来说 这里可以分为 4 种情况 1 当露点温度低于室内设定状态点的温度时 焓值低于室内设定状态点的焓值 湿度也低于室内的湿度 系统处理后的空气可以作为送风 来消除室内的热负 荷 对于我国的绝大部分地区 此时的湿度是满足要求的 2 当露点温度低于室内设定状态点的温度 焓值低于室内设定状态点的焓值 湿 度高于室内的湿度时 系统处理后的空气也可以考虑作为送风 来消除室内的热 负荷 只是这样又增加了室内的潜热负荷对于这种情况要仔细计算 综合考虑 根据实际情况做出合理选择 3 当露点温度低于室内设定状态点的温度 焓值高于室内设定状态点的焓值 湿 度低于室内的湿度时 系统处理后的空气也可以考虑 作为送风 来消除室内的热 负荷 只是这样增加了室内的显热负荷 一般这部分显热负荷不大 遇见这种情 况也要仔细计算 综合考虑 根据实际情况做出理的选择 4 当露点温度低于室内设定状态点的温度 焓值高于室内设定状态点的焓值 湿 度也高于室内的湿度时 露点间接蒸发冷却系统几乎是无效的 与液面面积大小有关 如果液体表面面积增大 处于液体表面附近的分 3 子数目就会增加 在相同的时间里 从液面飞出的分子数就增多 所以液面面 积增大 蒸发就加快 与空气流动有关 当飞入空气里的汽分子和空气分子或其他汽分子发生 4 碰撞时 有可能被碰回到液体中来 如果液面空气流动快 通风好 分子重新 返回液体的机会越小 蒸发就越快 5 5 蒸发型空调技术的特点及其技术难点蒸发型空调技术的特点及其技术难点 蒸发型空调的主要功能就是对空气进行热湿处理 使空气达到送风的要求 满足空气调节空间的温湿度 风速和洁净度等要求 其核心问题就是空气和水 的热质交换 从热力学角度分析 无论是在直接蒸发冷却还是间接蒸发冷却 它都是一个流动 传热 传质同时发生 并且多个传热过程相互耦合 相互交 叉影响的复杂不可逆过程 蒸发冷却过程中的热量 质量传递推动势相对较小 因此蒸发型空调技术属于低品位能源利用技术 直接蒸发型空调可以直接利用 空气的干湿球温度差获取冷量 这也是蒸发型空调得冷量的主要手段 只消耗 极少的一次能源且对环境无破坏作用 蒸发型空调系统中的热和质的交换问题 是传热界的一个主要研究方向 近年来国内外仍有许多学者正对此问题进行更深入的理论和实验研究 但从系 统整体综合考虑各个部件的热质交换特性的还没有 由于水和空气间热质交换 过程表现出高度的时变和非线性特性 使得无论是在物理模型的建立 还是在 数学模型的求解上都非常困难 这也阻碍了这个课题的深入研究 6 6 总结总结 蒸发冷却作为一种环保 节能 健康的空调方式 有着其独特的优势 通过本文 的简单了解 可以认识到其原理和其运作的基础知识 加深对蒸发冷却的印象 明白其存在的意义 特别是在环境日益恶化 能源日趋枯竭 健康受到威胁的 今天 蒸发冷却将成为空调发展的一个强大趋势 并朝着更为广阔的空间发展 应用人类生产 生活的各个方面 参考文献参考文献 1 黄翔 空调工程 M 北京 机械工业出版社 2006 2 黄翔 国内外蒸发冷却空调技术研究进展 1 暖通空调 2007 2 24 25 3 ChakerM Meher HomjiCB MeeIIITetal Inletfoggingofgasturbineenginesdetailedclimatican alysisofgasturbineevaporationcoolingpotentialintheUSA J Transctionso ftheASME 2003 125 300 309 4 FranciscoJavierReyMartinez MarioAntonioAlvarez GuerraPlasencia EloyVelascoGomez etal Designandesperimentalstudyofami xedenergyrecoverysystem heatpipesandindi rectevaporativeequipmentfor airconditioning J EnergyandBuildings 2003 35 1021 1030 5 RiffatSB JieZhu Mathematicalmodelofindirectevaporativecoolerusingp orousceramicandheatpipe J AppliedTher malEngineering 2004 24 457 470 6 Martinez FJR Gomez E V Martin R H et al Comparative study of two different evaporative systems an indrect evaporative cooler and a se mi indirect cramic evaporative cooler J Energy and Buildings 2004 7 Davis Energy Group Development of an improved t w o stage evapo rative cooling system J Consultant Re port Marc h 2004 8 EL DESSO UK Y H T E TT OU NEY H M and BOUHAMRAW A novel air conditioning system membrane air drying and evaporative cooling J Institution of Chemical Engineers 2000 78 999 1009 9 王晓杰 黄翔 武俊梅 一种新型热管间接蒸发冷却器的分析 J 流体机械 20