徐 鵬，韓澤敏，熊亞選，鄭小兵

（1.供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)及空調(diào)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京建筑大學(xué)，北京 100044；2.北京設(shè)備安裝公司，北京 100023）

符號說明：

Cpa——干空氣的質(zhì)量比熱，kJ/kg；

Cpv——水蒸氣的質(zhì)量比熱，kJ/kg；

ω——含濕量，kJ/kg；

ωos——環(huán)境狀態(tài)下飽和濕空氣的含濕量，kJ/kg；

T0——環(huán)境狀態(tài)溫度，℃；

T ——進(jìn)出口空氣溫度，℃；

p0——環(huán)境狀態(tài)壓力，Pa；

p ——進(jìn)出口空氣壓力，Pa；

ex ——單位質(zhì)量?，kJ/kg；

exth——單位質(zhì)量熱能?，kJ/kg；

exch，exme——單位質(zhì)量機(jī)械?、化學(xué)?，kJ/kg；

η ——?效率；

m1，m2——一次、二次空氣質(zhì)量流量，kg/s；

Δ ——?的變化量。

0 引言

目前，我國能源短缺嚴(yán)重，環(huán)境污染問題日益加劇，開發(fā)利用可再生能源具有重大意義。蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)是一種以自然環(huán)境中空氣的干濕球溫差為驅(qū)動勢，通過空氣與水之間的熱濕交換降低空氣溫度的制冷技術(shù)［1］，露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻是蒸發(fā)冷卻技術(shù)的新發(fā)展。文獻(xiàn)［2-6］闡述了露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻技術(shù)的相關(guān)研究，該技術(shù)可以提供送風(fēng)干球溫度比室外濕球溫度低且接近露點(diǎn)溫度的空氣［7］，具有不需要壓縮機(jī)，不需要化學(xué)制冷劑，新風(fēng)量大，高效經(jīng)濟(jì)等諸多優(yōu)點(diǎn)［8］，已受到暖通空調(diào)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。絕大部分文獻(xiàn)是通過數(shù)值模擬或工程測試得出露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器的濕球效率、露點(diǎn)效率，進(jìn)而分析其性能。但是僅從效率方面無法全面的分析能量利用和損失的本質(zhì)。而?分析可以更深刻的找出能量損失的部位、大小、原因，從而可以找出減少能源損失的方法，使露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器的能量利用率最大化［9］。

本文主要通過計(jì)算分析露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器在不同的進(jìn)氣溫度、氣流速度、相對濕度條件下的?效率，研究提高露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器有用能利用率，促進(jìn)蒸發(fā)冷卻過程達(dá)到良好降溫效果的方法與途徑，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)及實(shí)際工程提供理論參考。

1 蒸發(fā)冷卻過程分析計(jì)算方法

1.1 環(huán)境狀態(tài)的選擇

當(dāng)一個熱力系統(tǒng)與環(huán)境間存在溫度、濃度、化學(xué)勢不平衡時，系統(tǒng)具有做功的能力。這里的環(huán)境是指一種抽象的環(huán)境，它具有穩(wěn)定的溫度T0，壓力P0以及確定的化學(xué)組成，任何熱力系與其交換熱量、功量和物質(zhì)，抽象環(huán)境的狀態(tài)都不會發(fā)生變化，這種抽象環(huán)境可稱為?分析的零基點(diǎn)。熱力學(xué)中定義熱力系統(tǒng)只與環(huán)境相互作用，從任意狀態(tài)可逆地變化到與環(huán)境相平衡的狀態(tài)時，作出的最大有用功稱為熱力學(xué)的?［10］。故對露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行?分析，首先要確定研究所需要的?分析的零基點(diǎn)，明顯選擇未飽和濕空氣作為環(huán)境狀態(tài)是不合理的，根據(jù)文獻(xiàn)［11］選擇以大氣溫度和壓力（T0，P0）所對應(yīng)的飽和濕空氣狀態(tài)（T0，P0，ω0）為環(huán)境狀態(tài)較為合適，具有穩(wěn)定的 T0，P0以及確定的化學(xué)組成。露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器干通道的進(jìn)口干空氣為未飽和的濕空氣，與環(huán)境狀態(tài)存在溫度、壓力、含濕量的不平衡，故具有做功能力。而露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器正是利用了未飽和的濕空氣具有做功的能力，使更多的能量轉(zhuǎn)化為有用能。

1.2 計(jì)算方法

當(dāng)系統(tǒng)溫度與環(huán)境溫度不平衡時具有的有用能為熱能?，計(jì)算式為［11］：

當(dāng)系統(tǒng)濕空氣的含濕量與環(huán)境狀態(tài)下濕空氣含濕量不平衡時具有的有用能為化學(xué)?，計(jì)算式為［11］：

當(dāng)系統(tǒng)壓力與環(huán)境壓力不平衡時的有用能為機(jī)械?，計(jì)算式為［11］：

單位質(zhì)量濕空氣的總?由熱能?，化學(xué)?，機(jī)械?組成，計(jì)算式為［11-17］：

?效率為收益?與總輸入?的比值，從做功能力的角度評價(jià)能量的轉(zhuǎn)換效率，計(jì)算式為：

1.3 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)全部來自于試驗(yàn)測試，為了對露點(diǎn)蒸發(fā)冷確器的參數(shù)進(jìn)行精確測量，構(gòu)建了專用的試驗(yàn)平臺，如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)

該測試系統(tǒng)主要由兩部分組成，分別為進(jìn)氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)和參數(shù)測量系統(tǒng)。進(jìn)氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)涉及到的主要儀器有電加熱器，濕度調(diào)節(jié)器，減濕器，干燥器等。參數(shù)測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)到的主要儀器有，溫度/濕度/空氣流速探頭，空氣壓力計(jì)，水壓計(jì)等。試驗(yàn)數(shù)據(jù)已在文獻(xiàn)［13］中被應(yīng)用，用此試驗(yàn)數(shù)據(jù)對露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行?分析，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，結(jié)論真實(shí)可信。

2 工作機(jī)理及轉(zhuǎn)化關(guān)系

2.1 露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器工作機(jī)理

該露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)如圖2所示，由風(fēng)機(jī)、水泵、水槽、布水器和數(shù)組緊密相連的干濕通道組成，濕通道表面采用親水性較好的纖維材料，多孔表面擴(kuò)大了有效蒸發(fā)面積，增大傳熱系數(shù)，強(qiáng)化傳熱。干濕通道由通道壁分隔，室外空氣由機(jī)組下方兩側(cè)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入干通道，與金屬壁板進(jìn)行對流換熱，將熱量傳給濕通道中的工作空氣，此過程為等濕降溫。循環(huán)水由水泵輸送到頂部的布水器，布水器將循環(huán)水噴淋到濕通道表面，水在沿壁面向下流動的過程中向四周擴(kuò)散形成潤濕的蒸發(fā)面，過量的水由下方的水槽收集并經(jīng)水泵循環(huán)使用。

圖2 露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器

干通道內(nèi)的空氣經(jīng)等濕冷卻處理后，一部分作為產(chǎn)出空氣送往室內(nèi)，另一部分則作為工作空氣進(jìn)入濕通道去完成吸濕增焓的過程。以溫差和水蒸汽壓力差作為驅(qū)動力，潤濕的蒸發(fā)面與工作空氣進(jìn)行熱濕交換，水蒸發(fā)大量吸收干通道內(nèi)空氣顯熱量，使產(chǎn)出空氣達(dá)到比室外濕球溫度更低且接近露點(diǎn)溫度。

2.2 露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器?轉(zhuǎn)化關(guān)系

為了研究露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器內(nèi)干濕通道的?轉(zhuǎn)化關(guān)系，定義干通道內(nèi)的?分別為一次熱能?、一次化學(xué)?，由于干通道內(nèi)空氣處理過程為等濕降溫，含濕量不發(fā)生變化，一次化學(xué)?的變化量為零。濕通道內(nèi)的?分別為二次熱能?、二次化學(xué)?。由于在某一狀態(tài)下，干濕通道的進(jìn)出口壓力與抽象環(huán)境狀態(tài)壓力相同，故進(jìn)出口機(jī)械?為零，由進(jìn)出口差值計(jì)算機(jī)械?變化顯然是不正確的，為了簡化計(jì)算，將風(fēng)機(jī)和水泵的功率視為輸入到露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器的機(jī)械?。分別測試室外空氣溫度分別為25，30，35 ℃時干濕通內(nèi)的各項(xiàng)?變化，結(jié)果見表1。

表1 露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器內(nèi)轉(zhuǎn)化關(guān)系 kJ·h-1

表1 露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器內(nèi)轉(zhuǎn)化關(guān)系 kJ·h-1

溫度 通道內(nèi)空氣?變化一次熱能?二次熱能?二次化學(xué)? 機(jī)械?25 ℃30 ℃35 ℃出口 112.0 0.1 285.2 0.0入口 0.0 0.0 640.0 0.0?變化 112.0 0.7 -354.8 -320.7出口 156.1 0.2 479.8 0.0入口 0.0 0.0 865.7 0.0?變化 156.1 0.2 -385.9 -322.8出口 206.7 0.2 797.1 0.0入口 0.0 0.0 1205.1 0.0?變化 206.7 0.2 -414.0 -324.8

由表1可知，一、二次熱能進(jìn)口?為零，原因是干濕通道的進(jìn)口空氣溫度分別與相對應(yīng)的抽象環(huán)境狀態(tài)溫度相同，不做功，不產(chǎn)生熱能?。

室外空氣進(jìn)入干通道，與通道壁進(jìn)行對流換熱，將顯熱量傳遞到濕通道，隨著室外空氣溫度不斷降低，干通道內(nèi)空氣溫度與抽象環(huán)境溫度的不平衡程度不斷增大，做功能力增強(qiáng)，故一次熱能?增加。由于濕通道空氣溫度與抽象環(huán)境溫度不平衡程度很小，故二次熱能?增加量很少。

由表可知，濕通道出口化學(xué)?少于進(jìn)口化學(xué)?，原因干通道內(nèi)的一部分空氣進(jìn)入濕通道內(nèi)，不斷的和潤濕蒸發(fā)面進(jìn)行熱濕交換，濕通道內(nèi)空氣的含濕量持續(xù)增大，接近飽和。濕通道內(nèi)空氣含濕量與飽和濕空氣的含濕量的不平衡程度逐漸減小。做功能力減弱，化學(xué)?減少。同時水和空氣的熱濕交換過程會造成不可逆化學(xué)?損。

故將干濕通道整體作為一個系統(tǒng)研究，系統(tǒng)熱能?增加，化學(xué)?和機(jī)械?減少。系統(tǒng)的化學(xué)?和機(jī)械?轉(zhuǎn)化為熱能?，但是熱能?的增加量小于化學(xué)?和機(jī)械?的減少量，原因是有用能在轉(zhuǎn)化過程中造成不可逆損失。

3 各參數(shù)對干濕通道內(nèi)分布及效率的影響

3.1 進(jìn)口空氣溫度對?分布及?效率的影響

進(jìn)氣溫度對?分布以及?效率的影響如圖3所示。

圖3 進(jìn)氣溫度對?分布以及?效率的影響

圖3（a）所示為氣流速度2.0 m/s，相對濕度20%的條件下，隨著進(jìn)氣溫度的升高，露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器內(nèi)熱能?、化學(xué)?、機(jī)械?的變化趨勢曲線。由圖可知隨著進(jìn)氣溫度的升高，干通道內(nèi)輸出的熱能?快速增加，由20 ℃的70.2 kJ增加到40 ℃的260.9 kJ，增加了271.9%。濕通道內(nèi)化學(xué)?減少量小幅度增加，由20 ℃的341.9 kJ增加到412.0 kJ，增加了20.5%。機(jī)械?的減少量由318.6 kJ增加到326.7 kJ，增加了2.5%。

圖3（b）為隨著進(jìn)氣溫度的升高，露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器的?效率變化趨勢曲線。由圖可知隨著進(jìn)氣溫度由20 ℃上升到40 ℃時，?效率由10.6%提高到36.7%。實(shí)測結(jié)果顯示：隨著進(jìn)氣溫度的升高，熱能?的快速增加是提高?效率的關(guān)鍵性影響因素。分析原因可知隨著進(jìn)氣溫度的升高，空氣熱源品位提升，有用能增加。熱能?增加的幅度大于化學(xué)?和機(jī)械?減少的幅度，并且隨著進(jìn)氣溫度的升高，干濕球溫差增大，蒸發(fā)冷卻潛力增大，濕通道內(nèi)空氣與潤濕蒸發(fā)面熱濕交換過程的不可逆?損失減少，?效率增大。

3.2 進(jìn)口空氣相對濕度對?分布及?效率的影響

進(jìn)氣相對濕度對?分布以?效率的影響如圖4所示。

圖4 進(jìn)氣相對濕度對?分布以及?效率的影響

圖4（a）為在進(jìn)氣溫度35 ℃，氣流速度為2.0 m/s的條件下，隨著進(jìn)氣相對濕度的增大，露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器的熱能?、化學(xué)?、機(jī)械?的變化趨勢曲線。由圖可知隨著相對濕度的增大，干通道內(nèi)增加的熱能?快速減少，由224.9 kJ減少到41.8 kJ，減少了81.4%。濕通道內(nèi)減少的化學(xué)?快速減少，由708.9 kJ減少到112.4 kJ，減少了84.1%。機(jī)械?的減少量略微增加，基本保持不變。

圖4（b）為隨著進(jìn)氣相對濕度的增大，露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器的?效率變化趨勢曲線。由圖可知隨著進(jìn)氣相對濕度的增大，?效率由21.8%快速下降到9.5%。實(shí)測結(jié)果顯示：隨著進(jìn)氣相對濕度的增加，濕通道內(nèi)化學(xué)?的快速減少是降低?效率的關(guān)鍵性影響因素。分析原因可知進(jìn)氣溫度不變，相對濕度增大，干濕球溫差減小，蒸發(fā)冷卻潛力降低，濕通道內(nèi)空氣與潤濕蒸發(fā)面熱濕交換過程的不可逆損失增大，化學(xué)?減少，通過熱交換傳到干通道的熱能?減少，且熱能?減少的幅度大于化學(xué)?和機(jī)械?減少的幅度，故?效率降低。

3.3 氣流速度對?分布及?效率的影響

圖5（a）為在進(jìn)氣溫度35 ℃，相對濕度為20%的條件下，隨著氣流速度的增大，露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器的熱能?、化學(xué)?、機(jī)械?的變化趨勢曲線。由圖可知隨著氣流速度的增大，干通道內(nèi)增加的熱能?由68.1 kJ增加到228.7 K，增加了235.8%，濕通道內(nèi)化學(xué)?的減少量呈線性快速增加，由153.5 kJ增加到748.8 kJ，增加了387.9%。機(jī)械?的減少量快速增加，由18.7 kJ增加到369.1 kJ，增加了1873.8%。

圖5（b）為隨著氣流速度的增大，露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器的?效率變化趨勢曲線。由圖可知隨著氣流速度的增大，?效率由18.2%下降到3.1%。實(shí)測結(jié)果顯示：隨著氣流速度的增加，機(jī)械?的減少量快速增加是降低?效率的關(guān)鍵性影響因素。分析原因可知隨著氣流速度由0.5 m/s增大到2.5 m/s，風(fēng)機(jī)的功率增大，機(jī)械?的減少量增加，流動阻力造成的?損失增大，且在同一時間內(nèi)通過干濕通道的空氣增多，化學(xué)?增多，但是由于濕通道內(nèi)空氣與潤濕蒸發(fā)面熱質(zhì)交換不充分，不可逆?損失增多。且熱能?的增加幅度小于化學(xué)?和機(jī)械?減少量增加的幅度，故?效率降低。

圖5 氣流速度對?分布以及?效率的影響

4 結(jié)論

（1）基于熱力學(xué)第二定律，采用?分析法，從能的“量”和“質(zhì)”兩方面全面的，評價(jià)了露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器的能源利用率。僅從能量方面分析，此露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器的制冷效率大于100%，但并不能說明露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器沒有節(jié)能空間，經(jīng)計(jì)算在本文的測試工況下?效率最高僅達(dá)到36.7%，存在大部分的?損，故仍具有很大的節(jié)能潛力。

（2）通過測試計(jì)算不同工況下干濕通道內(nèi)熱能?、化學(xué)?、機(jī)械?的分布以及變化，結(jié)合?效率，可以清楚地知道露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器節(jié)能的薄弱環(huán)節(jié)，從而找出減少能源損失的方法。

（3）當(dāng)進(jìn)氣溫度由20 ℃增大到40 ℃，露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器的?效率由10.6%提高到36.7%，熱能?的快速增加是提高?效率的關(guān)鍵因素，可通過促進(jìn)空氣與水的蒸發(fā)冷卻，減少傳熱傳質(zhì)過程的不可逆損失，以及減小空氣流過通道的阻力提高?效率。

（4）當(dāng)進(jìn)氣相對濕度由20%增大到60%，?效率快速降低，最高僅為21.8%。化學(xué)?的快速減少是降低?效率的關(guān)鍵因素，高溫高濕地區(qū)在保證輸入較少的機(jī)械?的前提下可以考慮在干通道進(jìn)風(fēng)口按安裝干燥裝置提高?效率。

（5）當(dāng)氣流速度由0.5 m/s提高到2.5 m/s時，?效率快速降低，最高僅為18.2%。機(jī)械?的快速增加是降低?效率的關(guān)鍵因素。氣流速度太大，增加風(fēng)機(jī)功率，二次空氣與潤濕蒸發(fā)面的熱質(zhì)交換過程不充分，機(jī)械?得不到充分利用，化學(xué)?損增大。氣流速度太小，制冷量達(dá)不到，因此氣流速度應(yīng)保持合理值，既保證制冷量，又使能量利用率達(dá)到最高。