填料—高压微雾复合式直接蒸发冷却空调机组的探讨

李成成,黄 翔,屈 元,刘晓峰,康 健

(1.西安工程大学,陕西西安710048;2.南通昆仑空调有限公司,江苏南通226008)

0 引言

21世纪是环保世纪,环境问题日趋重要,资源能源更趋紧张,构筑循环经济社会,走可持续发展道路已成为全球关注焦点和迫切任务,并成为各行各业发展及人类活动的准则。

在2007年4月27日国务院举行的 《全国节能减排工作电视电话会议》上,温家宝总理作了重要讲话,他强调要认真贯彻落实科学发展观,动员和部署加强节能减排的工作,确保国家 “十一五”减排目标实现,促进国民经济又好又快的发展[1]。全面实施节能减排重点工程。

要努力优化能源结构,积极发展核电等清洁能源,加快开发利用水能、风能、太阳能等可再生能源,推进节能减排、科技进步。要组织实施节能减排科技专项行动,组建一批国家工程实验室和国家重点实验室,攻克一批节能减排关键和共性技术。鼓励采用节能新设备、新工艺、新技术。

对于通信和核电站行业要实现资源的优化配置和合理利用,走可持续发展道路。其中一个重要目标是大力推动以节能和降耗为重点的设备更新和技术改造,大力推进使用低耗能、低耗水、低耗材和设备的成品。

根据通信部门的统计数据分析,通信行业的运行成本是电成本。机房空调和核电机房的电能消耗占总电能消耗的50%。因此说降低空调机组的运行费用,能有效的降低通信和核电行业的运行成本。

而采用大自然中的水为制冷剂,利用水蒸发吸热的原理对空气进行降温的蒸发冷却,是一种高效且经济的冷却方式。它具有较低的冷却成本;能大幅度降低用电量和用电高峰期对电能的要求[2];能减少温室气体和CFC的排放量。因此被称为 “零费用制冷技术”、“绿色空调”和 “仿生空调”,是真正意义上的节能环保和可持续发展的制冷空调技术。

在蒸发冷却中直接接触式热湿交换设备喷水室实现了对空气降温加湿的目的,广泛应用于工业与民用建筑等大空间、大风量和对空气有一定洁净度要求的场合。但是经过多年的使用也发现喷水室还存在一些不足之处,如占地面积大、喷嘴易堵塞、维护管理工作量大,能耗较高,系统复杂及调节不够灵活等[3]。而随着近年材料科学的不断发展,采用高风速、优化水和空气的相对速度、采用能增加接触面积的填料等措施,都可以提高喷水室的传热效率,从而使之更加紧凑和高效,使占地面积大、维护管理工作量大的喷水室的缺点得以克服[4]。

针对填料式直接蒸发冷却空调中填料与水的接触时间有限从而使其热交换效率降低,又出现了高压喷雾加湿器,但这种加湿器给水压力一般为0.1～0.5MPa,在被处理空气温度较低时,喷出水雾蒸发比较困难,加湿效率低。目前出现了一种新型超高压微雾加湿器,不仅能对水加压到7MPa,而且喷出雾滴较细能与水进行充分接触,能解决较大车间加湿面积大、投资大、运行成本高等问题,这种新型高压微雾对夏季室外温度进行很好的降温加湿并且维护系统的稳定性,降低能耗,能够广泛应用在电子行业、印刷厂房、纺织行业、发电厂房、汽车涂装厂,还可以应用在园林景区的云雾造景、压尘、除味、温室、家畜养殖等诸多领域。

1 喷水室的特点

喷水室是空调之父开利博士受大自然降雨现象启发而发明的人工微气候空调设备,从它的发明到现在已有100多年历史[5]。

喷水室按被处理空气流速大小分为低速和高速两类。低速喷水室按空气流动方向又可分为卧式和立式两种,卧式是指空气流动为水平方向,水以顺喷或逆喷方向喷出。而立式是指空气流动由下向上或由上向下,水由上向下喷出。其中卧式喷水室又可以分为金属外壳和非金属外壳两类。

为解决喷水室喷嘴易堵塞、维护工作量大、能耗较高、系统复杂及调节不够灵活的缺点,又开发研制了新型流体动力式喷水室[6]。该喷水室解决了喷嘴堵塞的问题,降低了喷水室的能耗,提高了热湿交换效率。

喷水室处理空气的功能具有多样性,既可以用于减焓、降温、减湿,还可以用于增焓、升温、加湿,同时还可以对空气具有一定的净化能力,洗涤空气中的尘埃和可溶性有害气体。并且在结构上易于实现工厂化制作和现场安装,金属耗量少。在以调节湿度为主的纺织厂、烟草厂以及去除有害气体为主要目的的净化空间等得到了广泛的应用。

但是在实际的喷淋过程中,喷水量总是有限的,空气与水接触的时间也不可能无限长,所以空气状态和水温都是不断变化的,而且空气的状态也很难达到饱和,如图1所示,同时喷水室具有占地面积大、水质卫生要求高、水量大、喷水室靠压力将水雾化因而水泵耗电多、运行费用较高等缺点。

图1 喷水室热湿处理过程和焓湿图

2 填料式直接蒸发冷却空调与高压微雾工作原理

2.1 填料式直接蒸发冷却空调的工作原理

它是通过循环水泵从集水池中将水抽出,经布水器均匀散布在填料上,靠重力作用向下流润湿填料表面并形成水膜,被处理的空气沿水平方向垂直通过填料与其进行热交换。水吸收空气的显热与其进行热质交换。水吸收空气中的显热而蒸发成水汽进入空气,使空气降温。它还是有效的空气净化器,主要是水通过布水器散布在填料上,通过惯性作用、洗涤作用对空气净化。如图2所示。

2.2 填料式直接蒸发冷却空调的特点

(1)利用填料实现空气的绝热蒸发冷却,节省空间,弥补了喷水室占地面积大的缺点。

(2)它采用了波纹型填料,其比表面积大,增加了水和空气的接触面积。提高了传热、传质效率[7]。

(3)除了可对空气实现多种热湿处理过程外,还可以达到净化室内空气的目的,能有效地去除大于5μ m的微粒,效率能达到95%以上。与传统的过滤器相比不易产生二次污染。而且在使用过程中阻力和效率基本保持不变[8]。

(4)填料式直接蒸发冷却空调是靠水在填料表面形成水膜,空气与填料表面的水膜相互接触进行热湿交换[9],但是空气与水膜接触的时间有限,从而降低了热湿交换的效率。在实际的应用中填料的效率一般能达到75%左右。另外填料式直接蒸发冷却空调的阻力大,送风机的能耗高。

图2 填料式直接蒸发冷却空调的工作原理

图3 高压微雾加湿器

2.3 高压微雾的工作原理

高压微雾采用高压陶瓷柱塞泵将净化处理过程的水加压至7MPa,在通过高压水管传送到特殊结构的高压微雾喷嘴将水雾化产生雾滴能够迅速从空气中吸收热量完成汽化并扩散,从而完成空气的降温、加湿目的。在此过程中,空气失去了显热也得到了潜热,因而焓值基本保持不变。可以认为高压微雾是等焓降温加湿过程。

2.4 高压微雾的特点

(1)雾细:高压微雾喷嘴每秒产生50亿粒雾滴,雾滴直径为3-15μ m。犹如山中云雾,能够迅速与空气相互接触加湿降温效果显著。

(2)可靠:目前高压微雾采用进口工业型柱塞泵,能够24小时连续运转。在高粉尘环境中也不易损坏。

(3)节能:雾化一公升的水只需要消耗6W功率,是传统电热加湿器的百分之一,是离心式或汽水式加湿器的十分之一。

(4)高效:系统加湿效率极高,在室内可达100%,即使在空调箱内,效率高达90%以上,而其它等焓加湿过程是无法做到的。

(5)卫生:高压微雾的水是密封的,不会导致细菌的繁殖。

2.5 填料式直接蒸发冷却空调与高压微雾的对比

填料式直接蒸发冷却空调加湿迅速、均匀、稳定、不带水滴、不带细菌、节省电能、运行费用低、布置方便。而高压微雾加湿器节能、高效、稳定、雾细。但是它们都有各自的缺点,填料式直接蒸发冷却空调喷水量有限,在填料形成的水膜不均匀,水与空气的接触时间有限,不能够将空气处理到饱和状态,而高压微雾对提供的水质有一定的要求[10],电导率要达到3～15Ms/cm,通常工厂提供的自来水不能满足使用要求,应配置一套反渗透的纯水制备系统,规模按总体加湿量的1.2制备。而且高压微雾不能调节加湿量的大小。当生产车间的温湿度达到生产工艺要求时,需要手动切断开关。如果将两者结合解决了热交换效率低,湿度不容易控制的缺点。能够广泛应用于显热负荷大,加湿面积大的场所。

3 填料—高压微雾与高压微雾—填料方案对比分析

填料—高压微雾是将室外空气与填料表面的水膜进行充分接触进行热质交换过程,在此过程中空气的温度高于水温,水吸收空气中的显热蒸发进入空气中使空气加湿、降温,进入高压微雾段时雾滴被强制吸收空气中的热量汽化,雾化的颗粒越小,颗粒的数目越多,接触的表面积越大,所能达到的加湿效果越显著。从而既充分发挥了填料—高压微雾复合式直接蒸发冷却空调机组中填料蒸发冷却的主导作用,同时又克服了空气与填料接触时间短,冷却效率低的缺点,高压微雾对填料起到很好的补充作用,提高了对空气冷却、加湿的效果。另外,填料布置在高压微雾之前还可起到对被处理空气均流的作用,增大空气与高压微雾所产生雾滴的接触面积,提高冷却和加湿效率。在高压微雾后面设置的挡水板,还可以对被处理的空气又一次降温。

图4 填料—高压微雾新型蒸发冷却空调机组

图5 高压微雾—填料新型蒸发冷却空调机组

高压微雾—填料则是先将水雾化成小雾滴吸收空气中的显热然后再经过填料从而使空气达到降温加湿的目的。这种布置方式的优点是填料在高压微雾的后面,因此可代替挡水板,减少挡水板的费用,使空调机组结构更加紧凑。另外,经过高压微雾加湿后的空气,还可使填料表面未被水膜覆盖到的地方润湿,提高布水的均匀性。同时可以节约大量的水量和水泵的能耗。但缺点是被处理空气的干湿球温差降低,热质交换的推动力减少。当空气进入填料蒸发冷却段时,会导致填料的效率降低。

4 结论

本文从填料式直接蒸发冷却和高压微雾的相互结合对空气进行等焓加湿降温与传统的喷水室及填料式直接蒸发冷却器进行对比分析,得出两者相互结合的好处有以下几点:解决了填料式喷水室中水与空气的接触时间短、接触面积小的缺点,使冷却效率升高;减少水泵耗电量、降低运行成本、水系统简单具有高效的节能意义;对空气进行净化避免了二次污染的问题;应用范围广泛适用于机房 (基站)和核电站设备间等室内显热量大,散湿量小的场所。填料—高压微雾直接蒸发冷却空调机组是一种具有高效、节能、净化优点的新型蒸发冷却空调机组,具有广阔的应用前景。

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[3] 黄翔.空调工程[M].北京:机械工业出版社,2006

[4] 张伟峰 ,黄翔 ,颜苏芊.填料式喷水室净化处理室外新风PM10的实验研究 [C].洁净与空调技术,2006,(1):8-15

[5] 张伟峰 ,黄翔 ,颜苏芊.填料式喷水室空调机组的节能研究[C].暖通空调,2005,35(增刊):259-262

[6] 黄翔,武俊梅,邹平辉,等.流体动力喷水室的实验研究[C].暖通空调,2000,30(1):35-38

[7] 孙贺江,由世俊,涂光备.空调用金属填料传热传质性能试验[J].天津大学学报,2005,38(6):561-564

[8] 张欢,李博佳,由世俊.金属填料型蒸发冷却装置在空气处理机组中的应用研究 [J].西安制冷,2009,(1-2):20-25

[9] 樊丽娟,黄翔,唐永戬,等.纺织车间高性能加湿降温机组的性能测试及分析 [J].毛纺科技,2008,(9):1-4

[10] 吴锐.高压微雾加湿器在卷烟空调中的应用 [J].中国设备工程,2006,(12):51-53