用直接蒸發(fā)冷卻提高風(fēng)冷冷水機組性能的初步研究

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摘要：本文建立了紙質(zhì)填料的直接蒸發(fā)冷卻器的數(shù)學(xué)模型，分析了直接蒸發(fā)冷卻效率的主要影響因素，并將直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)冷冷水機組中，對改進系統(tǒng)進行了模擬仿真，得出了改進系統(tǒng)的性能，對改進系統(tǒng)在我國條件下的應(yīng)用前景進行了預(yù)測。關(guān)鍵詞：風(fēng)冷冷水機組直接蒸發(fā)冷卻紙質(zhì)填料空氣調(diào)節(jié)節(jié)能

1前言隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，空調(diào)設(shè)備的應(yīng)用日益廣泛，給能源尤其是電力造成較大的壓力。如何降低空調(diào)設(shè)備的能源消耗和提高空調(diào)設(shè)備的性能，已經(jīng)成為當(dāng)前研究的重要課題。直接蒸發(fā)冷卻是指循環(huán)水與空氣直接接觸而對空氣進行加濕冷卻，基本不消耗或很少消耗一次能源,且對環(huán)境無破壞作用。將直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)冷冷水機組，利用蒸發(fā)冷卻對進入冷凝器的空氣進行預(yù)處理，能夠達到節(jié)能和提高系統(tǒng)COP的目的。天津大學(xué)和同濟大學(xué)等已經(jīng)對此作了實驗研究，得出了一些重要結(jié)論，但也有一些不足，主要體現(xiàn)為直接蒸發(fā)冷卻采用的填料為金屬填料，雖然具有較高蒸發(fā)冷卻效率，但是填料厚度大，因而設(shè)備的體積大，適用性有限。本文提出以紙質(zhì)填料作為蒸發(fā)冷卻的填料，對此建立了數(shù)學(xué)模型，分析了直接蒸發(fā)冷卻效率的主要影響因素，并將直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)冷冷水機組中，對改進系統(tǒng)進行了模擬仿真，得出了改進系統(tǒng)的性能，對改進系統(tǒng)在我國條件下的應(yīng)用前景進行了預(yù)測。2直接蒸發(fā)冷卻器的原理2.1直接蒸發(fā)冷卻的原理直接蒸發(fā)冷卻是指循環(huán)水與空氣直接接觸，利用水蒸發(fā)吸熱對空氣進行冷卻。直接蒸發(fā)冷卻器主要由紙質(zhì)填料，布水器，接水盤，循環(huán)水泵等組成。紙質(zhì)填料，耐水浸泡，外形為45度斜波紋片相鄰片粘疊成塊,其比表面積為。水被循環(huán)水泵從接水盤中抽出，由布水器均勻地散布到紙質(zhì)填料上，在填料表面形成均勻的水膜，與流經(jīng)填料的空氣發(fā)生熱濕交換后流入接水盤中，循環(huán)使用，水溫近似為空氣的濕球溫度。當(dāng)空氣流經(jīng)填料時，一方面，水分蒸發(fā)，吸收空氣的顯熱，空氣被冷卻；另一方面，水蒸氣進入空氣中，空氣得到潛熱，同時被加濕，焓值基本不變?？諝獾臓顟B(tài)變化過程如圖1所示。1點表示空氣處理前的狀態(tài)，2點表示處理后的狀態(tài)，1、2、3近似為一條等焓線?？梢杂谜舭l(fā)冷卻效率來評價直接蒸發(fā)冷卻器處理空氣的完善程度，其表達式為：，式中，分別為空氣處理前后的干球溫度，為空氣的濕球溫度。2.2直接蒸發(fā)冷卻模型的建立及求解空氣沿方向X從外界進入紙質(zhì)填料層，水沿Y方向落下，形成水膜，空氣進口干球溫度，濕球溫度，空氣狀態(tài)參數(shù)沿X方向變化，如圖2所示。為簡化計算，作了如下假設(shè)：（a）水膜厚度均勻，整個水膜的溫度恒定，=0；水溫等于進口空氣的濕球溫度；水膜邊界層空氣達到飽和狀態(tài)，取水膜似的來計算水蒸氣飽和壓力。（b）設(shè)備保溫性和密封性好，除進出口外，沒有進漏風(fēng)處，空氣流速U恒定。（c）由于水的液體熱相對于水的汽化潛熱很小，可忽略不計。2.2.1質(zhì)量方程水的蒸發(fā)量=濕空氣含濕量的增加量……………（1）其中：為按水蒸汽密度差計算的傳質(zhì)系數(shù)（，g代表干空氣的屬性，q代表水蒸氣的屬性，s代表飽和空氣中水蒸氣的屬性。不妨設(shè)空氣入口處水蒸氣分壓力為p,所對應(yīng)的飽和水蒸氣分壓力為，則通過推導(dǎo)可得到：……（2）其中A=，，B為大氣壓，L為填料厚度。2.2.2求解傳質(zhì)系數(shù)由參考文獻[4]可得到紙質(zhì)填料的傳質(zhì)系數(shù):;;其中U為空氣流速，L為填料層厚度，為運動粘度;Sc為史密特數(shù),，式中是水蒸汽在空氣中的質(zhì)量擴散系數(shù)。舍伍德數(shù)：…………………………………………（6）；將(4)(5)(6)代入(3)式可求得：……(7)2.2.3能量方程空氣失去的總熱量=空氣得到的潛熱量,所以，空氣的總能量保持不變，在i-d圖上表現(xiàn)為空氣狀態(tài)變化在一等焓線上，如圖1所示。2.2.4求解蒸發(fā)冷卻的出口溫度和效率空氣入口參數(shù)為：干球溫度，濕球溫度，水蒸氣分壓力為p，焓值為h，含濕量為d；濕球溫度下的飽和水蒸氣分壓力為含濕量為；水溫度。由文獻[5]有：…………………（8）式中：;;;;;㎏/㎏.干空氣……（9）；入口濕空氣焓：kJ/㎏.干空氣；入口濕空氣含濕量：㎏/㎏.干空氣；水蒸氣分壓力：其中B為大氣壓。由空氣入口參數(shù)所對應(yīng)的水蒸氣p和濕球溫度下的飽和水蒸氣分壓力為的值，代入式（7）和（2），可直接求出出口濕空氣水蒸氣分壓力。出口濕空氣的含濕量：（B為大氣壓）由可得：出口濕空氣的干球溫度：蒸發(fā)冷卻效率為：2.3蒸發(fā)冷卻效率的影響因素2.3.1空氣流速u對效率的影響空氣流速u越大，空氣與紙質(zhì)填料表面的熱濕交換系數(shù)越大，但另一方面空氣與填料層熱濕交換接觸時間越短，交換越不充分，由圖3可知，風(fēng)速u越小，效率越大，但處理的風(fēng)量也越小。這說明用該填料處理空氣時，空氣的迎面流速要選取恰當(dāng)，過小會造成設(shè)備體積龐大，過大會造成效率低且阻力明顯增大?？諝獾挠媪魉僭?.0m/s左右為宜。2.3.2填料厚度L對效率的影響由圖4可知，隨著填料厚度L的增加，效率明顯升高。當(dāng)L=0.1m時，效率已達到0.8以上，以后當(dāng)L繼續(xù)增加時，效率的增加很緩慢，趨于平坦，當(dāng)L=0.2知，效率已接近于1.0，再增加填料層的厚度L，對空氣的處理已經(jīng)毫無意義?？紤]到設(shè)備的體積，以及空氣的阻力等因素，取填料層厚度L=0.1m，否則填料厚度L太大，會造成設(shè)備體積龐大，同時空氣阻力也會明顯加大，增加風(fēng)機的能耗和噪聲。2.3.3水量w對效率的影響雖然直接蒸發(fā)冷卻的模型及求解過程中，并未出現(xiàn)w這一變量，實際上水量w對效率的影響是確實存在的。在水量較小的情況下，由于水量不足，并不能使紙質(zhì)填料完全濕潤并在其表面形成均勻的水膜，紙質(zhì)填料的表面積應(yīng)用不充分，所以效率明顯不高?，F(xiàn)在，當(dāng)水量w增加到一定數(shù)值，能使紙質(zhì)填料完全濕潤并在其表面形成均勻的水膜，紙質(zhì)填料的表面積得以充分利用。此時水量對效率的影響很小，基本上可以忽略不計。當(dāng)水量過大時，淋水在填料層上從水膜變?yōu)椴粩嗷涞乃?，水對空氣通道的阻塞會愈加嚴重，空氣?cè)的阻力會迅速增加，因此存在一個最佳水量，前面的模型適用于水量充足的情形。2.4干球溫度和濕球溫度的影響由圖5可以看出，隨入口干球溫度的升高，效率有所下降，但變化平緩，影響不顯著。圖6可以看出，隨濕球溫度的升高，效率變化平緩，影響不顯著。通過上述分析可以看出，在淋水量充分的情況下，入口空氣干球溫度，濕球溫度對蒸發(fā)冷卻效率的影響不顯著，填料厚度和空氣的流速對蒸發(fā)冷卻效率有著決定的影響，當(dāng)L或u變化時，效率將有顯著變化。3蒸發(fā)冷卻技術(shù)在風(fēng)冷冷水機組中的應(yīng)用3.1改進的風(fēng)冷冷水機組結(jié)合直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的風(fēng)冷冷水機組示意圖如圖7所示：讓環(huán)境空氣先經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻器，充分利用干濕球溫差，使其干球溫度有降到（濕球溫差保持不變，空氣狀態(tài)變化過程如圖1所示），再進入風(fēng)冷式冷凝器。由于進入冷凝器的作為冷卻介質(zhì)的空氣溫度下降，相應(yīng)地冷凝溫度也下降，輸入功率減少，制冷量增加，而且直接蒸發(fā)冷卻基本上不消耗電能，因此使系統(tǒng)的COP有較大提高。盡管被直接蒸發(fā)冷卻的空氣含濕量增加，但是質(zhì)量很好的直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備其出風(fēng)口可以不帶水，保持風(fēng)冷冷凝器肋片間的干燥，對傳熱過程無不良影響。3.2改進系統(tǒng)的性能評價指標(biāo)為了更好地說明直接蒸發(fā)冷卻對風(fēng)冷冷水機組性能的改善，并消除冷水機組的個體性能和不同運行工況，對分析結(jié)果的影響，我們采用了基于相對值的性能評價指標(biāo)：性能系數(shù)（COP）增加的百分數(shù)用aCOP來表示，制冷量增加的百分數(shù)用a表示，功率減少的百分數(shù)用aP表示，它們分別定義如下：；；；其中：，，分別表示不采用直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)時的制冷量，功率和性能系數(shù)。，，分別表示采用直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)時的制冷量，功率和性能系數(shù)。3.3風(fēng)冷冷水機組的性能分析以p5G144DBE型壓縮機的風(fēng)冷式冷水機組為研究對象，在環(huán)境溫度從25℃變化到40℃時，制冷量和輸入功率及COP見表1。表1風(fēng)冷冷水機組性能表環(huán)境溫度(℃)制冷量（KW）輸入功率（KW）COP環(huán)境溫度(℃)制冷量（KW）輸入功率(KW）COP4026.9612.162.2183230.5611.372.6873927.4112.062.2733131.0211.272.7523827.8611.962.3293031.4711.172.8173728.3111.862.3862931.9011.072.8833628.7611.762.4442832.3810.972.9503529.2111.672.5042732.8310.873.0193429.6611.572.5642633.2910.773.0903330.1111.472.6252533.7510.673.161由上表中的數(shù)據(jù)可知，環(huán)境溫度每變化1℃，則使制冷量增加大約1.7%，輸入功率減少1.2%，COP增加3.1%。如果使環(huán)境空氣先經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻降溫，其結(jié)果必然將會使冷水機組的COP得到明顯的改善。3.4改進系統(tǒng)在全國各城市的性能分析為了評估改進系統(tǒng)在我國各城市的實用效果，我們對改進系統(tǒng)進行模擬仿真，得出了如下頁表2所示的數(shù)據(jù)。表2改進系統(tǒng)性能表城市aaPacop北京33.226.40.9189.445.6915.67大連28.4250.9274.472.947.54廣州33.527.70.9148.044.7713.19哈爾濱30.323.40.9219.235.9415.72昆明25.819.90.8716.994.9012.23蘭州30.520.20.89413.398.8123.38南京3528.30.9119.465.4515.42上海3428.20.9118.074.7313.18沈陽31.425.40.9218.155.1013.68天津33.426.90.9179.035.4114.93烏魯木齊34.118.50.89421.3713.4837.73武漢35.228.20.9119.925.7016.18西安35.2260.91713.147.7021.85香港32.427.30.9166.984.2311.50重慶36.527.30.91413.347.5621.91表4-2中表示夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度，表示濕球溫度，表示直接蒸發(fā)冷卻效率，a表示制冷量增加的百分數(shù)，aP表示輸入功率減少的百分數(shù)，aCOP表示COP增加的百分數(shù)。從上表可以看出：在計算的所有城市中，改進的風(fēng)冷冷水機組的COP均有所提高，制冷量都有不同程度的增加，輸入功率都有減少。在一些沿海城市如大連，香港等地COP增幅較小，約為7%到12%，制冷量增加百分比為4%—8%，功率減少的百分數(shù)為3%到4%；環(huán)境空氣干濕球溫差較大的我國西北地區(qū)，COP增幅最大，其中烏魯木齊高達37.73%，蘭州高達23.38%，西安高達21.85%，制冷量增加的百分數(shù)分別為21.37%、13.14%和13.39%，輸入功率減少的百分數(shù)為10%左右；絕大部分城市的COP增幅為10%到16%，制冷量增加8%到10%，輸入功率減少為5%到10%。COP值明顯提高，是由于雙向得益；制冷量的增加和輸入功率的下降。改進系統(tǒng)基本上適用于我國的所有城市，在我國具有廣泛的應(yīng)用前景。3.5改進系統(tǒng)的性能影響因素——干濕球溫差   改進系統(tǒng)與一般的風(fēng)冷式冷水機組相比，其最大的不同是利用了直接蒸發(fā)冷卻器，對進入冷凝器的空氣進行了預(yù)冷卻，充分利用了自然環(huán)境中的空氣的干濕球溫差。干濕球溫差是改進系統(tǒng)性能的主要影響因素。由圖10、11、12可見，隨著干濕球溫差的增大，制冷量直線上升，功率消耗顯著下降，COP明顯增加。干濕球溫差越大，直接蒸發(fā)冷卻效果越明顯，風(fēng)冷冷水機組性能提高越明顯。4結(jié)論利用波紋紙質(zhì)填料作為直接蒸發(fā)冷卻器填料是可行的，用它來處理空氣，熱濕交換充分，冷卻效率高。影響直接蒸發(fā)冷卻器效率的主要因素是空氣的迎面流速和填料層的厚度，水量和進口空氣的干濕球溫度影響不大。將蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)冷冷水機組中，能夠有效的增加系統(tǒng)的制冷量和減小輸入功率，從而提高系統(tǒng)的COP，這是一種行之有效的節(jié)能措施，在我國具有廣泛的應(yīng)用前景。參考文獻(References)【1】TohnR.Watt.Coolingourtomorrowseconomically,ASHRAEJournal.【2】AzmiKaya.Improvingefficiencyinexistingchillerswithoptimizationtechnology,ASHRAEJournal.【3】HunhoHwang,ReinhardRadermacherandWilliankopko,Anecperimentalevaluationofaresidential_sized,evaporativelycooledcondenser,InternatonalJournalofRefrigeration,Volume24,Issue3,May2001,Pages238－249.【4】D.Pearlmutter,E.Erell,Y.Etzion,I.A.Meir,H.Di,Refinetheuseoftheevaporationinanexperimentaldown-draftcooltower,EnergyandBuildings23(1996)191-196【5】薛殿華.空氣調(diào)節(jié).清華大學(xué)出版社.2000.1.【6】由世俊,張歡,劉光浩等.蒸發(fā)式空氣加濕冷卻的性能及其在風(fēng)冷冷水機組中的應(yīng)用.暖通空調(diào),1999.5.【7】張旭,陳沛霖.風(fēng)冷冷水機組與DEC聯(lián)用系統(tǒng)性能及應(yīng)用前景.暖通空調(diào),1999.6.【8】張慶民,陳沛霖.空氣經(jīng)過淋水紙質(zhì)填料時的熱濕交換過程.同濟大學(xué)學(xué)報,1995.12.【9】董炳戊,張曉莉.平面水膜淋水器蒸發(fā)冷卻過程的理論研究.蘭州鐵通學(xué)院報,2001.6.