直接蒸发冷却器用填料性能评价指标诠释

2012-09-18殷清海

制冷 2012年1期

夏青，黄翔，殷清海

（西安工程大学，陕西西安 710048）

1 前言

蒸发冷却以水为制冷剂，不使用CFCs，对大气环境无污染，是一种节能、环保、经济的冷却方法。其驱动力为自然条件下空气的干湿球温差，具有较低的冷却设备成本、能克服机械式制冷耗电量过大及用电高峰期电能需求紧张等问题、能减少温室气体排放量的特点[1-2]。

填料是直接蒸发冷却器的重要组成部分，它提供了空气和水直接进行热湿交换的界面，其性能直接影响其热湿交换性能[3]，因此，对于影响填料性能的主要因素进行研究，对蒸发冷却技术的发展有着重要的意义，而到目前为止，人们对于直接蒸发冷却器用填料性能评价指标，即蒸发冷却效率、饱和效率及加湿效率三者的概念模糊不清，在实际应用中，各生产厂家的产品样本和说明等资料又按各自的意愿进行说明，这种状况无疑对于蒸发冷却空调在我国的应用推广极为不利。所以，本文在研究相关文献的基础上，确定了评价蒸发冷却器用填料性能评价的指标，并加以区分，使人们对其各方面的性能更直接的对比判断，从而使该技术进一步推广使用。

2 直接蒸发冷却器

目前，直接蒸发冷却器主要有单元式和机组式两种类型，单元式直接蒸发冷却器指将直接蒸发冷却装置与风机组合在一起，而机组式直接蒸发冷却器指将直接蒸发冷却装置设在组合式空气处理机组内作为直接蒸发冷却功能段[4]。

直接蒸发冷却器结构示意图如图1所示，主要由填料、循环水泵、离心（轴流风机）、集水箱及布水系统等组成。水箱中的水经循环水泵送至填料顶部的布水系统，均匀喷淋在填料表面，与由风机吸入的室外空气进行热湿交换，对室外空气进行降温、加湿及过滤除尘等。

图1 直接蒸发冷却器（段）结构示意图

3 填料种类及性能

3.1 填料种类

目前常用的直接蒸发冷却器（段）填料有：有机填料，如瑞典蒙特公司的CELdek填料；无机填料如瑞典蒙特公司的GLASdek填料；一般由铝箔或不锈钢制成的金属填料；由天然树木经特殊加工而成的木丝填料等。

与此同时，随着材料科学的发展，出现一些新型填料，如由化纤加工而成的无纺布填料，多孔陶瓷填料，PVC填料等。

目前常用在直接蒸发冷却器的填料有有机填料、无机填料和金属填料3种类型，而由于多孔陶瓷填料具有独特的多孔结构，因此采用多孔陶瓷材料作为直接蒸发冷却器填料是目前的一种发展趋势[5]。

3.2 填料性能

填料是直接蒸发冷却器（段）的一个关键部件，其性能直接影响到它的降温加湿能力、外形尺寸、寿命、使用安全等。

填料的性能可以从以下几个方面来描述[6]：

1）比表面积（单位体积的填料外表面积）；

2）吸湿性能（1 m3填料所能吸纳的水量）；

3）阻力（空气经过填料时的阻力）；

4）热工性能（水在填料表面的蒸发能力）；

5）除尘性能（填料表面的水膜对空气中的灰尘、异味的洗涤和去除能力以及自净能力）；

6）物理性能 [填料的湿挺度（即吸湿后的刚度）、整体强度、干脆性能等]；

7）防腐性能（填料长期在湿环境下发生霉变以及细菌在其表面繁殖的可能性）；

8）阻燃性能（填料的防火性能）[6]。

4 蒸发冷却效率、饱和效率及加湿效率的区别

4.1 定义不同

4.1.1 蒸发冷却效率

直接蒸发冷却器（段）填料内的空气与水直接接触，使水分蒸发来冷却空气。这时由于水的蒸发，空气将会因不断地把自身的显热传递给水而得以降温，空气的显热转化为潜热，空气既得以降温，又实现了含湿量的增加，其焓值不变，这是一个绝热、降温、加湿过程。空气的状态变化过程见图2，1点为空气处理前的状态，2点为空气处理后的状态。

图2 直接蒸发冷却器（段）空气处理过程焓湿图

对于直接蒸发冷却器（段）填料的降温效果，通常采用蒸发冷却效率来描述其处理空气的完善程度，即直接蒸发冷却器（段）进、出口空气干球温度差与进口空气干、湿球温度差之比，其表达式为：

式中：

tgw—直接蒸发冷却器（段）进口空气干球温度，℃；

tgo—直接蒸发冷却器（段）出口空气干球温度，℃；

tsw—直接蒸发冷却器（段）进口空气湿球温度，℃

4.1.2 加湿效率

空气与水在直接蒸发冷却器（段）中直接接触时，空气与填料表面的饱和空气层之间不仅存在温差，还存在水蒸气分压力差，而水蒸气分压力差是潜热交换的推动力，使空气和水进行湿交换，水分在水蒸气分压力差的推动下，蒸发成水蒸气进入空气，空气的湿度增加，潜热增加。这种由填料构成的加湿器称为湿膜加湿器[7]。

利用湿膜加湿器加湿空气，在理想状态下，其理论最低温度可达到饱和点3，被冷却空气在整个过程的焓湿变化如图3所示，干球温度为t1的室外空气从图中状态1进入直接蒸发冷却器，冷却过程沿等焓线向空气湿球温度为t3的状态3点移动，但由于直接蒸发冷却器的冷却效率达不到100%，所以被处理空气只能被冷却到干球温度为t2的状态点2，状态点2的空气就是经过直接蒸发冷却器处理过后的空气。

图3 湿膜加湿器空气处理过程焓湿图

评价湿膜加湿器的加湿性能指标有饱和效率和加湿效率两种。

加湿效率即指湿膜加湿器中空气被加湿前的含湿量与空气被加湿后的含湿量差，与饱和状态空气的含湿量与空气被加湿前的含湿量差之比，其表达式为：

式中：

d1—空气被加湿前的含湿量，g/kg；

d2—空气被加湿后的含湿量，g/kg；

dmax—饱和状态空气的含湿量，g/kg

4.1.3 饱和效率

饱和效率即指湿膜加湿器中加湿前空气的干球温度与加湿后空气的干球温度差，与加湿前空气的干球温度与空气的湿球温度差之比，其表达式为：

式中：

t1—加湿前空气的干球温度，℃；

t2—加湿后空气的干球温度，℃；

t3—空气的湿球温度，℃

4.2 影响因素不同

4.2.1 蒸发冷却效率影响因素

目前，国内外学者、院校等对蒸发冷却效率的影响因素都做过相关的实验研究[8-10]。

研究表明，直接蒸发冷却器（段）的冷却效率与空气流速、填料的比表面积、填料的厚度以及空气与水膜之间的对流换热系数有关。而对流换热系数则与直接蒸发冷却器的结构尺寸、填料的种类、空气入口参数（干球温度、相对湿度）及淋水量等参数有关。

4.2.2 加湿性能影响因素

根据相关文献 [11]，[12]中分析得知，对于一定结构的湿膜加湿器，影响其加湿性能的参数主要有填料蒸发面积、填料厚度、空气流速及入口空气温度和水温等。其中，填料蒸发面积是影响其加湿效率的主要因素。一般通过在填料结构上采用波纹板交叉重叠形式来提高填料蒸发面积进而提高加湿效率。

5 蒸发冷却效率、饱和效率及加湿效率的联系

5.1 三者概念上的联系

蒸发冷却效率是评价直接蒸发冷却器用填料降温性能评价指标，指待处理空气经直接蒸发冷却器用填料后降温的程度，用来描述填料表面空气与水热质交换程度，即其处理空气（对空气降温）的完善程度。蒸发冷却效率越高，说明热质交换越完善。

饱和效率和加湿效率都是评价湿膜加湿器的加湿性能评价指标。饱和效率表示加湿使空气状态点产生变化时，所能达到的饱和程度，反映加湿是否充分，通俗地说就是要达到饱和点还需要加湿多少。饱和效率越高，表示加湿器使空气状态发生变化的能力越强。

加湿效率则是指空气离开饱和状态的程度，即空气离开饱和状态越远，其吸湿能力越强，加湿效率越高。因此，实际应用中，可以先将空气加热，然后再加湿，其加湿效率会有所提高。

由此可见，蒸发冷却效率、饱和效率及加湿效率表示不同的概念，是三个不同的术语，是直接蒸发冷却技术中重要的概念，也是生产厂家和消费者用来评价直接蒸发冷却器性能的重要指标。

下面从焓湿图上形象地说明此三者的区别与联系，如图4所示。A点为空气状态点，B点为饱和空气状态点，当A点距饱和点B越远，即当A点远离B点时，表示加湿效率越高。当A点越靠近饱和点B时，由焓湿图上可知，此时湿度增加，温降增加，蒸发冷却效率与饱和效率增加，但两者表示的含义不同，蒸发冷却效率表示的是一种温降的程度，饱和效率表示的是加湿效率的高低，反映加湿的充分程度，但加湿效率则不能反映饱和程度。饱和效率高，说明空气离饱和程度越来越近，而加湿效率高，则说明空气未饱和程度高，离饱和度越来越远。

图4 蒸发冷却效率、饱和效率及加湿效率三者关系示意图

5.2 三者运算上的联系

现举例说明影响蒸发冷却效率、饱和效率及加湿效率三者效率变化的因素。从表1[13]中可以看出，干湿球温差、温降及加湿量越小，蒸发冷却效率、加湿效率及饱和效率同时为最大，表中三者的效率大小基本一样，这是因为饱和效率大小是加湿效率高低的体现，即饱和效率高，则表示加湿效率高，两者成正比关系。饱和效率与蒸发冷却效率计算公式一样，计算结果一样，但是所表示的概念不同，而蒸发冷却效率与加湿效率则没有直接的关系，是直接蒸发冷却器用填料两种不同的性能评价指标。