传质冷却报告

1、直接蒸发冷却空调器摘要：蒸发冷却填料中空气与水之间传热传质过程同时发生，过程复杂。在对蒸发冷却传热传质及空气处理过程机理的分析基础上，建立边界层理论模型，为蒸发冷却设备的设计、应用提供理论基础和依据。 关键词：直接蒸发冷却 边界层理论模型 传热 传质0 引言 地温空调（亦称地源空调、地能空调）是近年来国内外重点研究和开发的新型能、环保空调。地下水具有四季恒温（1518）特征，地下水与地面空气在夏季存在负温差，在冬季存在正温差。直接蒸发冷却式地温空调的原理就是利用地下水与地面空气在不同季节的温差，通过多孔结构热湿交换器（亦称填料、水帘）将地面空气进行蒸发冷却（或传导加热）、除湿（或加湿）和除尘净

2、化再送入室内置换原来受污染的高温高湿（或低温低湿）空气，达到净化室内空气和调节室内温湿度的目的。该技术与常规冷媒制冷（热）技术相比，具有对大气环境无污染和低耗能等优点。在全球大气逐渐变暖，大气臭氧层破坏日益严重的情况下，这种环保型空调技术越来越受到人们的重视。多孔结构热湿交换材料是直接蒸发冷却式地温空调技术的核心，其性能直接影响到空调机的运行效果。因此，有必要深入研究热湿交换材料，以求全面提高直接蒸发冷却式地温空调的技术水平，降低运行成本。 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，

3、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。2 直接蒸发式冷却空调机的技术原理直接蒸发冷却是指未饱和空气与循环水直接接触，水蒸发时从周围吸收汽化潜热而对空气进行冷却。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

4、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

5、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。 3 直接蒸发冷却传热传质及空气处理过程分析 图2，3显示了直接蒸发冷却的物理过程和空气处理工程，室外空气 风机的作用下流过被水淋湿的填料而被冷却，空气的干球温度降低而湿球温度保持不变，蒸发冷却器通过液态水汽化吸收汽化潜热来降低干空气温度。理论上是显热和潜热的转化

6、，当水和未饱和干空气接触时发生热和质的传递，传递是由水和空气之间的温度差和蒸汽压力差引起。从空气到水的热传递使部分水分蒸发，而部分水分蒸发成水蒸气进入空气又是质传递，热质传递在蒸发冷却器中同时进行，结果干空气的部分显热传给了水并通过蒸发部分水分而变成潜热，蒸发的部分水分带着吸收的潜热变成水蒸气又成为空气中的一部分，所以空气的全部热量既没增加也没减少，但是空气干球温度由于失去部分显热而降温，而它的湿球温度并不因为吸收了水蒸气中的潜热而受影响，因为水蒸气是在湿球温度下进入空气中的。这个过程为绝热加湿。空气的全热（焓）始终不变只是热的干空气变成冷的湿空气。4 边界层理论模型 蒸发冷却技术属于低品位能

7、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 。本章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。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

8、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。控制方程（1） 质量方程 空气： (1) 水： (2)（2） 动量方程通常x轴（速度为u）动量方程为：考虑了动量源项影响的空气、水的动量方程如下：空气： (3) 水： (4)（3） 能量方程空气： (5) 水： (6)（4） 空气含湿量质量守恒方程 (7)（5） 湿空气状态方程 (8)（6） 质量交换方程 (9)（7） 热量交换方程 （10）（8） Kab1mab2b3 （11） 一般来说，出口边界总是最难处

9、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。5 小结 从公式（1）（11）可以看出，质量方程、动量方程和能量方程中都出现了源项。这是因为在直接蒸发冷却过程中，蒸发后的水分进入空气，使得空气的含湿量增加，同时失去显热，温度降

10、低，这些蒸发的水分就被视为质量源项。但是，不能单纯地只把质量源项放入连续性方程中，由于水分蒸发进入空气中和空气一起流动，这些气态的水具有速度，所以会增加空气的动量，所以它的出现会同时对动量方程产生影响，因此，还应把相关联的量带入动量控制方程中。这些源项都是所求解未知量的函数，如质量源项Mv是含湿量的函数，能量源项qv是温度的函数，而动量方程中的源项Sx和Sy也分别是速度ua和uw的函数。容积传质系数Ka的引入虽然给计算带来了方便，但仍有近似性。此外，模型假设直接蒸发冷却过程稳定，即水温基本不变，一直维持在接近空气湿球温度的数值，模型没有考虑到水温变化的影响。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