屈悅瀅 黃 翔 趙 娟 楊立然
復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的應(yīng)用研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)
屈悅瀅 黃 翔 趙 娟 楊立然
(西安工程大學(xué) 西安 710048)
隨著露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的進(jìn)步,露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的應(yīng)用范圍擴(kuò)大。尤其在我國(guó)一些干燥地區(qū)甘肅、陜西等地得到實(shí)際應(yīng)用。介紹了復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在我國(guó)不同地區(qū)應(yīng)用的工程實(shí)例,通過(guò)對(duì)機(jī)組運(yùn)行期間的測(cè)試對(duì)比,總結(jié)了目前露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組存在的問(wèn)題,提出優(yōu)化方案,以期為后來(lái)的應(yīng)用提供價(jià)值參考。
復(fù)合式露點(diǎn);蒸發(fā)冷卻;測(cè)試;優(yōu)化設(shè)計(jì)
2003年,美國(guó)Dr. Valerij Maisotsenko首次提出M循環(huán)理論。其核心是一種穿孔叉流板式蒸發(fā)冷卻器,屬于一種間接蒸發(fā)冷卻器。理論上,M循環(huán)可以將任何氣體和液體冷卻到接近露點(diǎn)溫度。與傳統(tǒng)的間接蒸發(fā)冷卻器相比,這是它的最大優(yōu)勢(shì)[1]。目前,隨著蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用范圍與領(lǐng)域越來(lái)越廣泛,國(guó)內(nèi)外相關(guān)專(zhuān)家、學(xué)者通過(guò)對(duì)露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻的數(shù)學(xué)模型與數(shù)值模擬、試驗(yàn)、材料、產(chǎn)品等的深入研究[2]表明,露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻技術(shù)在制冷空調(diào)、建筑節(jié)能領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。
復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器將叉流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻與直接蒸發(fā)冷卻相結(jié)合,劉佳莉等對(duì)復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在干燥工況和高濕工況的二/一次風(fēng)量比、淋水量、耗電量等參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)分析[3,4],張鴻等主要對(duì)復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的間歇性噴水時(shí)間、耗水量等性能參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)分析[5]。但都沒(méi)有展開(kāi)對(duì)復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的實(shí)際應(yīng)用研究,實(shí)際工程中機(jī)組及功能段出現(xiàn)的問(wèn)題是解決露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組推廣應(yīng)用的關(guān)鍵所在,只有對(duì)實(shí)際中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的分析,針對(duì)性的提出如何優(yōu)化的方案,并進(jìn)行改善才能對(duì)蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的發(fā)展有長(zhǎng)遠(yuǎn)的幫助。
室外新風(fēng)通過(guò)過(guò)濾段后,首先進(jìn)入露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的干通道,一部分氣流通過(guò)孔口進(jìn)入另一側(cè)的濕通道,濕通道中空氣和噴淋水在水蒸氣分壓力差的驅(qū)動(dòng)勢(shì)下進(jìn)行熱濕交換,不同的孔口進(jìn)入不同狀態(tài)的空氣,實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用,干通道側(cè)的空氣濕球溫度不斷降低,作為產(chǎn)出氣流沿著芯體向前運(yùn)動(dòng),由于芯體末端密封,最終全部通過(guò)孔口進(jìn)入濕通道,同時(shí)與噴淋水進(jìn)行熱濕交換再次降溫[6]。
2.1.1 試驗(yàn)測(cè)試概況
測(cè)試地點(diǎn)為福州,夏季室外空調(diào)計(jì)算干球溫度36℃,計(jì)算濕球溫度28.1℃,屬高濕度地區(qū),測(cè)試期間有降雨。
2.1.2 溫濕度測(cè)試
圖3 6月23日測(cè)試結(jié)果
圖4 6月27日測(cè)試結(jié)果
圖5 6月28日測(cè)試結(jié)果
圖6 6月29日測(cè)試結(jié)果
圖7 6月30日測(cè)試結(jié)果
測(cè)試數(shù)據(jù)如表1、2??梢?jiàn)機(jī)組送風(fēng)溫度低于進(jìn)風(fēng)的濕球溫度,同時(shí)機(jī)組平均溫降為5.78℃,平均效率為108%,滿足設(shè)計(jì)要求。含濕量平均增加1.12g/kg,可見(jiàn)送風(fēng)的實(shí)際加濕能力小。
表1 測(cè)試數(shù)據(jù)匯總表
表2 測(cè)試數(shù)據(jù)匯總表
2.1.3 風(fēng)量測(cè)試
測(cè)試期間,對(duì)每一個(gè)送風(fēng)口用風(fēng)量罩進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多次測(cè)量取平均值。而進(jìn)風(fēng)口實(shí)測(cè)風(fēng)速約5.5m/s,計(jì)算得送風(fēng)量為6375m3/h,滿足進(jìn)風(fēng)口風(fēng)量=總的送風(fēng)風(fēng)量+排風(fēng)口風(fēng)量。同時(shí),機(jī)組排風(fēng)量與送風(fēng)量的比值為0.6。
2.1.4 風(fēng)壓測(cè)試
測(cè)試期間,對(duì)機(jī)組不同斷面的風(fēng)壓的測(cè)試表明,進(jìn)風(fēng)口與送風(fēng)口壓差為550Pa,進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口的壓差為280Pa。
2.1.5 不同排風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)量對(duì)比測(cè)試
前面的測(cè)試排風(fēng)量與送風(fēng)量之比基本維持在0.6,下面針對(duì)不同的排風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)量對(duì)機(jī)組進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表3所示。
表3 不同排風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)量比值對(duì)比表
為了使測(cè)試更加準(zhǔn)確,控制機(jī)組進(jìn)風(fēng)口的干、濕球溫度相差不大,因此當(dāng)排風(fēng)量與送風(fēng)量的比值在0.4~0.7之間時(shí),濕球效率比較高,在0.5左右時(shí)效果最佳。
2.2.1 陜西楊凌某工業(yè)車(chē)間
(1)工程概況
該廠房面積4900m2,共三層,層高6.5m,采用通風(fēng)換氣機(jī)通風(fēng)換氣。因該車(chē)間生產(chǎn)工藝原因,導(dǎo)致車(chē)間濕度較大,因此設(shè)計(jì)要求僅需要夏季制冷,要求夏季室內(nèi)溫度32℃,相對(duì)濕度60%。采用32臺(tái)復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組為廠房通風(fēng)降溫,每臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)風(fēng)量15000m3/h。
(2)測(cè)試性能及分析
7月13日,在室外平均溫度37℃,相對(duì)濕度53.1%,出風(fēng)溫度27.9℃的條件下,機(jī)組溫降10.7℃,室內(nèi)工作區(qū)溫度31℃,相對(duì)濕度51%,含濕量增加5.5g/kg,滿足人體舒適性要求。由于機(jī)組風(fēng)閥處于調(diào)試中,導(dǎo)致機(jī)組平均效率僅能達(dá)到86%,正常情況下效率應(yīng)在110%以上,溫降可達(dá)13℃。
7月24日,西安處于極端高溫天氣,室外平均溫度在40℃以上,逼近45℃,相對(duì)濕度為40%左右。僅開(kāi)啟露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻段,實(shí)測(cè)顯示機(jī)組溫降可達(dá)8℃。表明在極端工況下,機(jī)組性能保持良好。經(jīng)計(jì)算若開(kāi)啟直接蒸發(fā)冷卻段,機(jī)組溫降可達(dá)15℃以上。
2.2.2 陜西興平市某食品廠
(1)工程概況
該廠房共2層,每層面積150m2,一層為加工車(chē)間,二層為儲(chǔ)備間。該廠房設(shè)備發(fā)熱量大、粉塵濃度高,需較大風(fēng)量甚至全新風(fēng)模式的空調(diào)系統(tǒng)來(lái)滿足室內(nèi)降溫和通風(fēng)要求,其對(duì)濕度要求不高,采用5臺(tái)風(fēng)量為20000m3/h的露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組和2臺(tái)風(fēng)量為50000m3/h的蒸發(fā)式冷氣機(jī)為廠房通風(fēng)降溫。
(2)測(cè)試性能及分析
7月30日,在室外溫度32℃,相對(duì)濕度53%的條件下,機(jī)組平均的出風(fēng)溫度22.2℃,相對(duì)濕度93.9%,溫降8℃,機(jī)組效率113%,室內(nèi)崗位工作區(qū)的溫度25.7℃,相對(duì)濕度75.8%,機(jī)組降溫幅度較理想,同時(shí)平均含濕量增加0.8g/kg,滿足廠房對(duì)溫濕度的要求。
圖9 7月30日測(cè)試結(jié)果
2.2.3 甘肅省敦煌市某機(jī)場(chǎng)
(1)工程概況
該工程所用露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在公安、食堂、值班綜合用房工程,總建筑面積4203m2。測(cè)試機(jī)組風(fēng)量分別為10000m3/h、20000m3/h,前者為食堂操作間供冷,后者為食堂就餐區(qū)供冷。在今年最熱時(shí)間段,敦煌市室外空氣溫度已超45℃,室外空氣相對(duì)濕度在20%左右,空氣極度炎熱干燥,蒸發(fā)冷卻技術(shù)在敦煌機(jī)場(chǎng)的使用具有很大優(yōu)勢(shì)。
(2)測(cè)試性能及分析
8月20日,分別對(duì)兩臺(tái)露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組進(jìn)行測(cè)試。在室外空氣溫度33℃,相對(duì)濕度29%的條件下。10000m3/h風(fēng)量的機(jī)組平均進(jìn)風(fēng)溫度24℃,相對(duì)濕度30%,查得相對(duì)應(yīng)時(shí)間段的進(jìn)風(fēng)平均濕球溫度14℃,露點(diǎn)溫度溫度平均僅為6.4℃。在相同時(shí)間下,機(jī)組的平均出風(fēng)溫度13℃,平均相對(duì)濕度85%,計(jì)算得機(jī)組效率110%,且機(jī)組的出風(fēng)含濕量8.14g/kg,增加2.1g/kg,盡管機(jī)組已對(duì)空氣加濕,但敦煌空氣干燥,機(jī)組的平均溫降11.43℃,降溫效果很好。
與10000m3/h風(fēng)量機(jī)組相比,20000m3/h風(fēng)量機(jī)組運(yùn)行效果不夠理想,在進(jìn)風(fēng)參數(shù)幾乎相同的情況下,平均溫降7.5℃,平均出風(fēng)溫度17.2℃,平均露點(diǎn)溫度溫度11.1℃,機(jī)組平均冷卻效率70%。主要因?yàn)樵摍C(jī)組當(dāng)時(shí)處于調(diào)試階段,由機(jī)組本身所造成。同時(shí)機(jī)組出風(fēng)的平均含濕量9.3g/kg,滿足室內(nèi)的降溫需求。
(1)關(guān)于排風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)量比值對(duì)機(jī)組冷卻效率影響問(wèn)題
通過(guò)對(duì)不同地區(qū)相同機(jī)組的排風(fēng)量與送風(fēng)量之比對(duì)機(jī)組效率的影響做對(duì)比,發(fā)現(xiàn)其排風(fēng)量與送風(fēng)量的比值對(duì)機(jī)組效率有很大影響,結(jié)果如表4。露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組排風(fēng)量與送風(fēng)量比值在0.4~0.7之間時(shí),機(jī)組濕球效率較高,排風(fēng)量與送風(fēng)量比值在0.5左右時(shí)效果最佳,故機(jī)組在運(yùn)行時(shí),應(yīng)控制其風(fēng)量比在合理范圍內(nèi)。同時(shí)也驗(yàn)證了在福州對(duì)機(jī)組不同的排風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)量對(duì)機(jī)組效率影響的測(cè)試結(jié)論。
表4 不同地區(qū)機(jī)組排風(fēng)量與送風(fēng)量的比值與機(jī)組效率
(2)關(guān)于機(jī)組出風(fēng)濕度較大問(wèn)題
由于機(jī)組采用復(fù)合式露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻芯體,一次空氣出風(fēng)存在降溫加濕過(guò)程,在干燥地區(qū)一般可滿足要求。對(duì)室內(nèi)環(huán)境濕度有一定要求的場(chǎng)所,可為機(jī)組配置自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)檢測(cè)到室內(nèi)濕度的高低,選擇性開(kāi)啟直接蒸發(fā)冷卻段,自動(dòng)控制機(jī)組加濕量。
(3)關(guān)于機(jī)組阻力較大問(wèn)題
測(cè)試發(fā)現(xiàn),對(duì)于送風(fēng)段采用壓入式風(fēng)機(jī),進(jìn)風(fēng)量基本滿足設(shè)計(jì)要求。由于露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻芯體孔道較小,且進(jìn)風(fēng)流道彎折較多,當(dāng)大量空氣進(jìn)入時(shí),阻力較大。因此,需改進(jìn)芯體材料,增大一次空氣與二次空氣之間的空洞尺寸,降低流道阻力。
(4)關(guān)于芯體高度對(duì)冷卻效率影響問(wèn)題
蒸發(fā)冷卻效率受到露點(diǎn)芯體高度影響較大,且隨著高度增加而增加。試驗(yàn)證明當(dāng)芯體高度為0.8m時(shí),冷卻效率高達(dá)120%,還應(yīng)考慮設(shè)備體積及空氣阻力等影響因素,當(dāng)芯體過(guò)大時(shí),空氣阻力、風(fēng)機(jī)的能耗和噪聲也會(huì)明顯加大。
(5)關(guān)于工作空氣在芯體內(nèi)的流動(dòng)速度大小問(wèn)題
工作空氣在芯體內(nèi)的流動(dòng)速度對(duì)冷卻器外表面熱質(zhì)交換系數(shù)有重大影響。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),選取合適的迎風(fēng)斷面流速可保證機(jī)組效率:當(dāng)工作空氣流速過(guò)小,設(shè)備體積變大且造價(jià)成本高;當(dāng)工作空氣流速過(guò)大,換熱器效率低且阻力加大。若想其熱質(zhì)交換效率最佳,流速一般為4.0~6.0m/s。
(6)關(guān)于布水器噴嘴類(lèi)型的影響
不同噴嘴的霧化程度不同,致其淋水密度不同,對(duì)芯體表面水膜的形成有著直接影響,從而影響其換熱器的換熱效率。因此,應(yīng)設(shè)計(jì)選擇合理的布水器或采用新型布水方式,如高壓微霧式布水器。
(1)在不同地區(qū),機(jī)組的進(jìn)風(fēng)段采用不同的過(guò)濾網(wǎng),防止空氣中的顆粒物對(duì)機(jī)組內(nèi)部損害,同時(shí)也可以減少壓入式風(fēng)機(jī)的送壓阻力,確保各個(gè)功能段的穩(wěn)定。
(2)設(shè)計(jì)合理的送、排風(fēng)系統(tǒng),嚴(yán)格計(jì)算風(fēng)管的壓力和壓降,盡量使每個(gè)風(fēng)口的送風(fēng)量和風(fēng)速基本保持一致,保證室內(nèi)氣流組織均勻和壓力均衡,且正確布置排風(fēng)口,加大排風(fēng)量,使室內(nèi)的溫濕度達(dá)到要求。
(1)在高濕度地區(qū)福州某廠房的試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn),機(jī)組運(yùn)行良好,具有較好的降溫效果。晴天平均溫降達(dá)7℃,在陰雨天也有4℃溫降,機(jī)組效率可達(dá)110%,最高達(dá)120%??諝夂瑵窳?1g/kg,機(jī)組平均加濕量?jī)H1g/kg,滿足室內(nèi)環(huán)境需要。此外,對(duì)不同排風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)量對(duì)比測(cè)試,得出其比值在0.5左右時(shí)機(jī)組冷卻效率最佳。
(2)在中等濕度地區(qū)陜西楊凌、興平某廠房測(cè)試發(fā)現(xiàn):①機(jī)組全面開(kāi)啟時(shí),該機(jī)組降溫在7~11℃,濕球效率在110%左右,最高可達(dá)120%。機(jī)組關(guān)閉直接蒸發(fā)冷卻段時(shí),溫降在8℃左右。②在楊凌測(cè)試處于極端高溫天氣,室外平均溫度逼近45℃,相對(duì)濕度40%,機(jī)組出風(fēng)含濕量平均增加5.5g/kg,濕度較大。而在興平測(cè)試時(shí),室外平均溫度32℃,相對(duì)濕度53%,出風(fēng)含濕量平均增加僅0.8g/kg。
(3)在干燥地區(qū)敦煌某機(jī)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn):室外平均溫度33℃,相對(duì)濕度29%時(shí),機(jī)組降溫顯著,機(jī)組平均溫降11.43℃、平均濕球效率110%,與陜西地區(qū)一樣,含濕量增加為2.1g/kg,敦煌地區(qū)整體平均含濕量?jī)H為6g/kg,因此露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在干燥地區(qū)應(yīng)用效果更加明顯。在陜西半干旱地區(qū),降溫效果良好,但對(duì)工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)所有嚴(yán)格的濕度要求時(shí),需控制濕度。有關(guān)研究表明,當(dāng)單獨(dú)使用蒸發(fā)冷卻無(wú)法滿足要求時(shí),可輔助機(jī)械制冷,蒸發(fā)冷卻全年節(jié)能約達(dá)到40%~80%[10]。
(4)露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻空調(diào)商業(yè)化產(chǎn)品主要為產(chǎn)出介質(zhì)為冷風(fēng)的空調(diào)機(jī)組或者新風(fēng)機(jī)組。其冷卻效率高,降溫幅度大。在測(cè)試條件下濕球效率和露點(diǎn)效率可以達(dá)到預(yù)期要求,在實(shí)際應(yīng)用時(shí),通過(guò)不斷優(yōu)化改進(jìn),可實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能效果。
(5)通過(guò)機(jī)組本身和送排風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)的相關(guān)措施,提出露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的優(yōu)化方案,相比傳統(tǒng)機(jī)械制冷空調(diào)系統(tǒng),露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)的送風(fēng)濕度還是較大,因此必須設(shè)計(jì)合理的送排風(fēng)系統(tǒng)。若采取這些改進(jìn)措施對(duì)該類(lèi)機(jī)組和系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,則能夠更好的將機(jī)組進(jìn)行進(jìn)一步推廣和使用。
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Research and Development of Compound Dew Point Indirect Evaporative Cooling Air Conditioning Unit Optimal Design
Qu Yueying Huang Xiang Zhao Juan Yang Liran
( Xi'an Polytechnic University, Xi’an, 710048 )
With the development of dew point evaporative cooling air conditioning technology, the application range of dew point indirect evaporative cooling air conditioning unit is expanded. Especially in some dry areas of Gansu, Shaanxi and other places in China. This paper introduces the engineering examples of the application of compound dew point indirect evaporative cooling air conditioning unit in different areas of China. Through the test and comparison of the unit during operation, it summarizes the existing problems of the current dew point indirect evaporative cooling air conditioning unit, and puts forward the optimization scheme, in order to provide value reference for the later application.
combined dew point; evaporative cooling; test; optimal design
TU831.5
A
1671-6612(2020)05-517-07
“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào):2016YFC0700404);西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2020KJRC0023);西安工程大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助(編號(hào):chx2020039)
屈悅瀅(1995.01-),女,在讀碩士研究生,E-mail:530037889@qq.com
黃 翔(1962.07-),男,教授,E-mail:huangx@xpu.edu.cn
2019-11-08