用直接蒸发冷却提高风冷冷水机组性能的初步研究

1前言随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，空调设备的应用日益广泛，给能源尤其是电力造成较大的压力。如何降低空调设备的能源消耗和提高空调设备的性能，已经成为当前研究的重要课题。直接蒸发冷却是指循环水与空气直接接触而对空气进行加湿冷却，基本不消耗或很少消耗一次能源,且对环境无破坏作用。将直接蒸发冷却技术应用到风冷冷水机组，利用蒸发冷却对进入冷凝器的空气进行预处理，能够达到节能和提高系统COP的目的。天津大学和同济大学等已经对此作了实验研究，得出了一些重要结论，但也有一些不足，主要体现为直接蒸发冷却采用的填料为金属填料，虽然具有较高蒸发冷却效率，但是填料厚度大，因而设备的体积大，适用性有限。本文提出以纸质填料作为蒸发冷却的填料，对此建立了数学模型，分析了直接蒸发冷却效率的主要影响因素，并将直接蒸发冷却技术应用到风冷冷水机组中，对改进系统进行了模拟仿真，得出了改进系统的性能，对改进系统在我国条件下的应用前景进行了预测。2直接蒸发冷却器的原理2.1直接蒸发冷却的原理直接蒸发冷却是指循环水与空气直接接触，利用水蒸发吸热对空气进行冷却。直接蒸发冷却器主要由纸质填料，布水器，接水盘，循环水泵等组成。纸质填料，耐水浸泡，外形为45度斜波纹片相邻片粘叠成块,其比表面积为。水被循环水泵从接水盘中抽出，由布水器均匀地散布到纸质填料上，在填料表面形成均匀的水膜，与流经填料的空气发生热湿交换后流入接水盘中，循环使用，水温近似为空气的湿球温度。当空气流经填料时，一方面，水分蒸发，吸收空气的显热，空气被冷却；另一方面，水蒸气进入空气中，空气得到潜热，同时被加湿，焓值基本不变。空气的状态变化过程如图1所示。1点表示空气处理前的状态，2点表示处理后的状态，1、2、3近似为一条等焓线。可以用蒸发冷却效率来评价直接蒸发冷却器处理空气的完善程度，其表达式为：，式中，分别为空气处理前后的干球温度，为空气的湿球温度。2.2直接蒸发冷却模型的建立及求解空气沿方向X从外界进入纸质填料层，水沿Y方向落下，形成水膜，空气进口干球温度，湿球温度，空气状态参数沿X方向变化，如图2所示。为简化计算，作了如下假设：（a）水膜厚度均匀，整个水膜的温度恒定，=0；水温等于进口空气的湿球温度；水膜边界层空气达到饱和状态，取水膜似的来计算水蒸气饱和压力。（b）设备保温性和密封性好，除进出口外，没有进漏风处，空气流速U恒定。（c）由于水的液体热相对于水的汽化潜热很小，可忽略不计。2.2.1质量方程水的蒸发量=湿空气含湿量的增加量……………（1）其中：为按水蒸汽密度差计算的传质系数（，g代表干空气的属性，q代表水蒸气的属性，s代表饱和空气中水蒸气的属性。不妨设空气入口处水蒸气分压力为p,所对应的饱和水蒸气分压力为，则通过推导可得到：……（2）其中A=，，B为大气压，L为填料厚度。2.2.2求解传质系数由参考文献[4]可得到纸质填料的传质系数:;;其中U为空气流速，L为填料层厚度，为运动粘度;Sc为史密特数,，式中是水蒸汽在空气中的质量扩散系数。舍伍德数：…………………………………………（6）；将(4)(5)(6)代入(3)式可求得：……(7)2.2.3能量方程空气失去的总热量=空气得到的潜热量,所以，空气的总能量保持不变，在i-d图上表现为空气状态变化在一等焓线上，如图1所示。2.2.4求解蒸发冷却的出口温度和效率空气入口参数为：干球温度，湿球温度，水蒸气分压力为p，焓值为h，含湿量为d；湿球温度下的饱和水蒸气分压力为含湿量为；水温度。由文献[5]有：…………………（8）式中：;;;;;㎏/㎏.干空气……（9）；入口湿空气焓：kJ/㎏.干空气；入口湿空气含湿量：㎏/㎏.干空气；水蒸气分压力：其中B为大气压。由空气入口参数所对应的水蒸气p和湿球温度下的饱和水蒸气分压力为的值，代入式（7）和（2），可直接求出出口湿空气水蒸气分压力。出口湿空气的含湿量：（B为大气压）由可得：出口湿空气的干球温度：蒸发冷却效率为：2.3蒸发冷却效率的影响因素2.3.1空气流速u对效率的影响空气流速u越大，空气与纸质填料表面的热湿交换系数越大，但另一方面空气与填料层热湿交换接触时间越短，交换越不充分，由图3可知，风速u越小，效率越大，但处理的风量也越小。这说明用该填料处理空气时，空气的迎面流速要选取恰当，过小会造成设备体积庞大，过大会造成效率低且阻力明显增大。空气的迎面流速在2.0m/s左右为宜。2.3.2填料厚度L对效率的影响由图4可知，随着填料厚度L的增加，效率明显升高。当L=0.1m时，效率已达到0.8以上，以后当L继续增加时，效率的增加很缓慢，趋于平坦，当L=0.2知，效率已接近于1.0，再增加填料层的厚度L，对空气的处理已经毫无意义。考虑到设备的体积，以及空气的阻力等因素，取填料层厚度L=0.1m，否则填料厚度L太大，会造成设备体积庞大，同时空气阻力也会明显加大，增加风机的能耗和噪声。2.3.3水量w对效率的影响虽然直接蒸发冷却的模型及求解过程中，并未出现w这一变量，实际上水量w对效率的影响是确实存在的。在水量较小的情况下，由于水量不足，并不能使纸质填料完全湿润并在其表面形成均匀的水膜，纸质填料的表面积应用不充分，所以效率明显不高。现在，当水量w增加到一定数值，能使纸质填料完全湿润并在其表面形成均匀的水膜，纸质填料的表面积得以充分利用。此时水量对效率的影响很小，基本上可以忽略不计。当水量过大时，淋水在填料层上从水膜变为不断滑落的水滴，水对空气通道的阻塞会愈加严重，空气侧的阻力会迅速增加，因此存在一个最佳水量，前面的模型适用于水量充足的情形。2.4干球温度和湿球温度的影响由图5可以看出，随入口干球温度的升高，效率有所下降，但变化平缓，影响不显著。图6可以看出，随湿球温度的升高，效率变化平缓，影响不显著。通过上述分析可以看出，在淋水量充分的情况下，入口空气干球温度，湿球温度对蒸发冷却效率的影响不显著，填料厚度和空气的流速对蒸发冷却效率有着决定的影响，当L或u变化时，效率将有显著变化。3蒸发冷却技术在风冷冷水机组中的应用3.1改进的风冷冷水机组结合直接蒸发冷却技术的风冷冷水机组示意图如图7所示：让环境空气先经过直接蒸发冷却器，充分利用干湿球温差，使其干球温度有降到（湿球温差保持不变，空气状态变化过程如图1所示），再进入风冷式冷凝器。由于进入冷凝器的作为冷却介质的空气温度下降，相应地冷凝温度也下降，输入功率减少，制冷量增加，而且直接蒸发冷却基本上不消耗电能，因此使系统的COP有较大提高。尽管被直接蒸发冷却的空气含湿量增加，但是质量很好的直接蒸发冷却设备其出风口可以不带水，保持风冷冷凝器肋片间的干燥，对传热过程无不良影响。3.2改进系统的性能评价指标为了更好地说明直接蒸发冷却对风冷冷水机组性能的改善，并消除冷水机组的个体性能和不同运行工况，对分析结果的影响，我们采用了基于相对值的性能评价指标：性能系数（COP）增加的百分数用aCOP来表示，制冷量增加的百分数用a表示，功率减少的百分数用aP表示，它们分别定义如下：；；；其中：，，分别表示不采用直接蒸发冷却技术时的制冷量，功率和性能系数。，，分别表示采用直接蒸发冷却技术时的制冷量，功率和性能系数。3.3风冷冷水机组的性能分析以p5G144DBE型压缩机的风冷式冷水机组为研究对象，在环境温度从25℃变化到40℃时，制冷量和输入功率及COP见表1。表1风冷冷水机组性能表环境温度(℃)制冷量（KW）输入功率（KW）COP环境温度(℃)制冷量（KW）输入功率(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由上表中的数据可知，环境温度每变化1℃，则使制冷量增加大约1.7%，输入功率减少1.2%，COP增加3.1%。如果使环境空气先经过直接蒸发冷却降温，其结果必然将会使冷水机组的COP得到明显的改善。3.4改进系统在全国各城市的性能分析为了评估改进系统在我国各城市的实用效果，我们对改进系统进行模拟仿真，得出了如下页表2所示的数据。表2改进系统性能表城市aaPacop北京33.226.40.9189.445.6915.67大连28.4250.9274.472.947.54广州33.527.70.9148.044.7713.19哈尔滨30.323.40.9219.235.9415.72昆明25.819.90.8716.994.9012.23兰州30.520.20.89413.398.8123.38南京3528.30.9119.465.4515.42上海3428.20.9118.074.7313.18沈阳31.425.40.9218.155.1013.68天津33.426.90.9179.035.4114.93乌鲁木齐34.118.50.89421.3713.4837.73武汉35.228.20.9119.925.7016.18西安35.2260.91713.147.7021.85香港32.427.30.9166.984.2311.50重庆36.527.30.91413.347.5621.91表4-2中表示夏季空气调节室外计算干球温度，表示湿球温度，表示直接蒸发冷却效率，a表示制冷量增加的百分数，aP表示输入功率减少的百分数，aCOP表示COP增加的百分数。从上表可以看出：在计算的所有城市中，改进的风冷冷水机组的COP均有所提高，制冷量都有不同程度的增加，输入功率都有减少。在一些沿海城市如大连，香港等地COP增幅较小，约为7%到12%，制冷量增加百分比为4%—8%，功率减少的百分数为3%到4%；环境空气干湿球温差较大的我国西北地区，COP增幅最大，其中乌鲁木齐高达37.73%，兰州高达23.38%，西安高达21.85%，制冷量增加的百分数分别为21.37%、13.14%和13.39%，输入功率减少的百分数为10%左右；绝大部分城市的COP增幅为10%到16%，制冷量增加8%到10%，输入功率减少为5%到10%。COP值明显提高，是由于双向得益；制冷量的增加和输入功率的下降。改进系统基本上适用于我国的所有城市，在我国具有广泛的应用前景。3.5改进系统的性能影响因素——干湿球温差

 

改进系统与一般的风冷式冷水机组相比，其最大的不同是利用了直接蒸发冷却器，对进入冷凝器的空气进行了预冷却，充分利用了自然环境中的空气的干湿球温差。干湿球温差是改进系统性能的主要影响因素。由图10、11、12可见，随着干湿球温差的增大，制冷量直线上升，功率消耗显著下降，COP明显增加。干湿球温差越大，直接蒸发冷却效果越明显，风冷冷水机组性能提高越明显。4结论利用波纹纸质填料作为直接蒸发冷却器填料是可行的，用它来处理空气，热湿交换充分，冷却效率高。影响直接蒸发冷却器效率的主要因素是空气的迎面流速和填料层的厚度，水量和进口空气的干湿球温度影响不大。将蒸发冷却技术应用到风冷冷水机组中，能够有效的增加系统的制冷量和减小输入功率，从而提高系统的COP，这是一种行之有效的节能措施，在我国具有广泛的应用前景。参考文献(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】薛殿华.空气调节.清华大学出版社.2000.1.【6】由世俊,张欢,刘光浩等.蒸发式空气加湿冷却的性能及其在风冷冷水机组中的应用.暖通空调,1999.5.【7】张旭,陈沛霖.风冷冷水机组与DEC联用系统性能及应用前景.暖通空调,1999.6.【8】张庆民,陈沛霖.空气经过淋水纸质填料时的热湿交换过程.同济大学学报,1995.12.【9】董炳戊,张晓莉.平面水膜淋水器蒸发冷却过程的理论研究.兰州铁通学院报,2001.6.