填料—高壓微霧復(fù)合式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的探討

李成成,黃 翔,屈 元,劉曉峰,康 健

(1.西安工程大學(xué),陜西西安710048;2.南通昆侖空調(diào)有限公司,江蘇南通226008)

0 引言

21世紀(jì)是環(huán)保世紀(jì),環(huán)境問(wèn)題日趨重要,資源能源更趨緊張,構(gòu)筑循環(huán)經(jīng)濟(jì)社會(huì),走可持續(xù)發(fā)展道路已成為全球關(guān)注焦點(diǎn)和迫切任務(wù),并成為各行各業(yè)發(fā)展及人類活動(dòng)的準(zhǔn)則。

在2007年4月27日國(guó)務(wù)院舉行的 《全國(guó)節(jié)能減排工作電視電話會(huì)議》上,溫家寶總理作了重要講話,他強(qiáng)調(diào)要認(rèn)真貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀,動(dòng)員和部署加強(qiáng)節(jié)能減排的工作,確保國(guó)家 “十一五”減排目標(biāo)實(shí)現(xiàn),促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)又好又快的發(fā)展[1]。全面實(shí)施節(jié)能減排重點(diǎn)工程。

要努力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),積極發(fā)展核電等清潔能源,加快開(kāi)發(fā)利用水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源,推進(jìn)節(jié)能減排、科技進(jìn)步。要組織實(shí)施節(jié)能減排科技專項(xiàng)行動(dòng),組建一批國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,攻克一批節(jié)能減排關(guān)鍵和共性技術(shù)。鼓勵(lì)采用節(jié)能新設(shè)備、新工藝、新技術(shù)。

對(duì)于通信和核電站行業(yè)要實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置和合理利用,走可持續(xù)發(fā)展道路。其中一個(gè)重要目標(biāo)是大力推動(dòng)以節(jié)能和降耗為重點(diǎn)的設(shè)備更新和技術(shù)改造,大力推進(jìn)使用低耗能、低耗水、低耗材和設(shè)備的成品。

根據(jù)通信部門(mén)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析,通信行業(yè)的運(yùn)行成本是電成本。機(jī)房空調(diào)和核電機(jī)房的電能消耗占總電能消耗的50%。因此說(shuō)降低空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用,能有效的降低通信和核電行業(yè)的運(yùn)行成本。

而采用大自然中的水為制冷劑,利用水蒸發(fā)吸熱的原理對(duì)空氣進(jìn)行降溫的蒸發(fā)冷卻,是一種高效且經(jīng)濟(jì)的冷卻方式。它具有較低的冷卻成本;能大幅度降低用電量和用電高峰期對(duì)電能的要求[2];能減少溫室氣體和CFC的排放量。因此被稱為 “零費(fèi)用制冷技術(shù)”、“綠色空調(diào)”和 “仿生空調(diào)”,是真正意義上的節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的制冷空調(diào)技術(shù)。

在蒸發(fā)冷卻中直接接觸式熱濕交換設(shè)備噴水室實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣降溫加濕的目的,廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑等大空間、大風(fēng)量和對(duì)空氣有一定潔凈度要求的場(chǎng)合。但是經(jīng)過(guò)多年的使用也發(fā)現(xiàn)噴水室還存在一些不足之處,如占地面積大、噴嘴易堵塞、維護(hù)管理工作量大,能耗較高,系統(tǒng)復(fù)雜及調(diào)節(jié)不夠靈活等[3]。而隨著近年材料科學(xué)的不斷發(fā)展,采用高風(fēng)速、優(yōu)化水和空氣的相對(duì)速度、采用能增加接觸面積的填料等措施,都可以提高噴水室的傳熱效率,從而使之更加緊湊和高效,使占地面積大、維護(hù)管理工作量大的噴水室的缺點(diǎn)得以克服[4]。

針對(duì)填料式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)中填料與水的接觸時(shí)間有限從而使其熱交換效率降低,又出現(xiàn)了高壓噴霧加濕器,但這種加濕器給水壓力一般為0.1～0.5MPa,在被處理空氣溫度較低時(shí),噴出水霧蒸發(fā)比較困難,加濕效率低。目前出現(xiàn)了一種新型超高壓微霧加濕器,不僅能對(duì)水加壓到7MPa,而且噴出霧滴較細(xì)能與水進(jìn)行充分接觸,能解決較大車(chē)間加濕面積大、投資大、運(yùn)行成本高等問(wèn)題,這種新型高壓微霧對(duì)夏季室外溫度進(jìn)行很好的降溫加濕并且維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,降低能耗,能夠廣泛應(yīng)用在電子行業(yè)、印刷廠房、紡織行業(yè)、發(fā)電廠房、汽車(chē)涂裝廠,還可以應(yīng)用在園林景區(qū)的云霧造景、壓塵、除味、溫室、家畜養(yǎng)殖等諸多領(lǐng)域。

1 噴水室的特點(diǎn)

噴水室是空調(diào)之父開(kāi)利博士受大自然降雨現(xiàn)象啟發(fā)而發(fā)明的人工微氣候空調(diào)設(shè)備,從它的發(fā)明到現(xiàn)在已有100多年歷史[5]。

噴水室按被處理空氣流速大小分為低速和高速兩類。低速噴水室按空氣流動(dòng)方向又可分為臥式和立式兩種,臥式是指空氣流動(dòng)為水平方向,水以順噴或逆噴方向噴出。而立式是指空氣流動(dòng)由下向上或由上向下,水由上向下噴出。其中臥式噴水室又可以分為金屬外殼和非金屬外殼兩類。

為解決噴水室噴嘴易堵塞、維護(hù)工作量大、能耗較高、系統(tǒng)復(fù)雜及調(diào)節(jié)不夠靈活的缺點(diǎn),又開(kāi)發(fā)研制了新型流體動(dòng)力式噴水室[6]。該噴水室解決了噴嘴堵塞的問(wèn)題,降低了噴水室的能耗,提高了熱濕交換效率。

噴水室處理空氣的功能具有多樣性,既可以用于減焓、降溫、減濕,還可以用于增焓、升溫、加濕,同時(shí)還可以對(duì)空氣具有一定的凈化能力,洗滌空氣中的塵埃和可溶性有害氣體。并且在結(jié)構(gòu)上易于實(shí)現(xiàn)工廠化制作和現(xiàn)場(chǎng)安裝,金屬耗量少。在以調(diào)節(jié)濕度為主的紡織廠、煙草廠以及去除有害氣體為主要目的的凈化空間等得到了廣泛的應(yīng)用。

但是在實(shí)際的噴淋過(guò)程中,噴水量總是有限的,空氣與水接觸的時(shí)間也不可能無(wú)限長(zhǎng),所以空氣狀態(tài)和水溫都是不斷變化的,而且空氣的狀態(tài)也很難達(dá)到飽和,如圖1所示,同時(shí)噴水室具有占地面積大、水質(zhì)衛(wèi)生要求高、水量大、噴水室靠壓力將水霧化因而水泵耗電多、運(yùn)行費(fèi)用較高等缺點(diǎn)。

圖1 噴水室熱濕處理過(guò)程和焓濕圖

2 填料式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)與高壓微霧工作原理

2.1 填料式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)的工作原理

它是通過(guò)循環(huán)水泵從集水池中將水抽出,經(jīng)布水器均勻散布在填料上,靠重力作用向下流潤(rùn)濕填料表面并形成水膜,被處理的空氣沿水平方向垂直通過(guò)填料與其進(jìn)行熱交換。水吸收空氣的顯熱與其進(jìn)行熱質(zhì)交換。水吸收空氣中的顯熱而蒸發(fā)成水汽進(jìn)入空氣,使空氣降溫。它還是有效的空氣凈化器,主要是水通過(guò)布水器散布在填料上,通過(guò)慣性作用、洗滌作用對(duì)空氣凈化。如圖2所示。

2.2 填料式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)的特點(diǎn)

(1)利用填料實(shí)現(xiàn)空氣的絕熱蒸發(fā)冷卻,節(jié)省空間,彌補(bǔ)了噴水室占地面積大的缺點(diǎn)。

(2)它采用了波紋型填料,其比表面積大,增加了水和空氣的接觸面積。提高了傳熱、傳質(zhì)效率[7]。

(3)除了可對(duì)空氣實(shí)現(xiàn)多種熱濕處理過(guò)程外,還可以達(dá)到凈化室內(nèi)空氣的目的,能有效地去除大于5μ m的微粒,效率能達(dá)到95%以上。與傳統(tǒng)的過(guò)濾器相比不易產(chǎn)生二次污染。而且在使用過(guò)程中阻力和效率基本保持不變[8]。

(4)填料式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)是靠水在填料表面形成水膜,空氣與填料表面的水膜相互接觸進(jìn)行熱濕交換[9],但是空氣與水膜接觸的時(shí)間有限,從而降低了熱濕交換的效率。在實(shí)際的應(yīng)用中填料的效率一般能達(dá)到75%左右。另外填料式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)的阻力大,送風(fēng)機(jī)的能耗高。

圖2 填料式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)的工作原理

圖3 高壓微霧加濕器

2.3 高壓微霧的工作原理

高壓微霧采用高壓陶瓷柱塞泵將凈化處理過(guò)程的水加壓至7MPa,在通過(guò)高壓水管傳送到特殊結(jié)構(gòu)的高壓微霧噴嘴將水霧化產(chǎn)生霧滴能夠迅速?gòu)目諝庵形諢崃客瓿善U(kuò)散,從而完成空氣的降溫、加濕目的。在此過(guò)程中,空氣失去了顯熱也得到了潛熱,因而焓值基本保持不變。可以認(rèn)為高壓微霧是等焓降溫加濕過(guò)程。

2.4 高壓微霧的特點(diǎn)

(1)霧細(xì):高壓微霧噴嘴每秒產(chǎn)生50億粒霧滴,霧滴直徑為3-15μ m。猶如山中云霧,能夠迅速與空氣相互接觸加濕降溫效果顯著。

(2)可靠:目前高壓微霧采用進(jìn)口工業(yè)型柱塞泵,能夠24小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。在高粉塵環(huán)境中也不易損壞。

(3)節(jié)能:霧化一公升的水只需要消耗6W功率,是傳統(tǒng)電熱加濕器的百分之一,是離心式或汽水式加濕器的十分之一。

(4)高效:系統(tǒng)加濕效率極高,在室內(nèi)可達(dá)100%,即使在空調(diào)箱內(nèi),效率高達(dá)90%以上,而其它等焓加濕過(guò)程是無(wú)法做到的。

(5)衛(wèi)生:高壓微霧的水是密封的,不會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌的繁殖。

2.5 填料式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)與高壓微霧的對(duì)比

填料式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)加濕迅速、均勻、穩(wěn)定、不帶水滴、不帶細(xì)菌、節(jié)省電能、運(yùn)行費(fèi)用低、布置方便。而高壓微霧加濕器節(jié)能、高效、穩(wěn)定、霧細(xì)。但是它們都有各自的缺點(diǎn),填料式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)噴水量有限,在填料形成的水膜不均勻,水與空氣的接觸時(shí)間有限,不能夠?qū)⒖諝馓幚淼斤柡蜖顟B(tài),而高壓微霧對(duì)提供的水質(zhì)有一定的要求[10],電導(dǎo)率要達(dá)到3～15Ms/cm,通常工廠提供的自來(lái)水不能滿足使用要求,應(yīng)配置一套反滲透的純水制備系統(tǒng),規(guī)模按總體加濕量的1.2制備。而且高壓微霧不能調(diào)節(jié)加濕量的大小。當(dāng)生產(chǎn)車(chē)間的溫濕度達(dá)到生產(chǎn)工藝要求時(shí),需要手動(dòng)切斷開(kāi)關(guān)。如果將兩者結(jié)合解決了熱交換效率低,濕度不容易控制的缺點(diǎn)。能夠廣泛應(yīng)用于顯熱負(fù)荷大,加濕面積大的場(chǎng)所。

3 填料—高壓微霧與高壓微霧—填料方案對(duì)比分析

填料—高壓微霧是將室外空氣與填料表面的水膜進(jìn)行充分接觸進(jìn)行熱質(zhì)交換過(guò)程,在此過(guò)程中空氣的溫度高于水溫,水吸收空氣中的顯熱蒸發(fā)進(jìn)入空氣中使空氣加濕、降溫,進(jìn)入高壓微霧段時(shí)霧滴被強(qiáng)制吸收空氣中的熱量汽化,霧化的顆粒越小,顆粒的數(shù)目越多,接觸的表面積越大,所能達(dá)到的加濕效果越顯著。從而既充分發(fā)揮了填料—高壓微霧復(fù)合式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組中填料蒸發(fā)冷卻的主導(dǎo)作用,同時(shí)又克服了空氣與填料接觸時(shí)間短,冷卻效率低的缺點(diǎn),高壓微霧對(duì)填料起到很好的補(bǔ)充作用,提高了對(duì)空氣冷卻、加濕的效果。另外,填料布置在高壓微霧之前還可起到對(duì)被處理空氣均流的作用,增大空氣與高壓微霧所產(chǎn)生霧滴的接觸面積,提高冷卻和加濕效率。在高壓微霧后面設(shè)置的擋水板,還可以對(duì)被處理的空氣又一次降溫。

圖4 填料—高壓微霧新型蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組

圖5 高壓微霧—填料新型蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組

高壓微霧—填料則是先將水霧化成小霧滴吸收空氣中的顯熱然后再經(jīng)過(guò)填料從而使空氣達(dá)到降溫加濕的目的。這種布置方式的優(yōu)點(diǎn)是填料在高壓微霧的后面,因此可代替擋水板,減少擋水板的費(fèi)用,使空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)更加緊湊。另外,經(jīng)過(guò)高壓微霧加濕后的空氣,還可使填料表面未被水膜覆蓋到的地方潤(rùn)濕,提高布水的均勻性。同時(shí)可以節(jié)約大量的水量和水泵的能耗。但缺點(diǎn)是被處理空氣的干濕球溫差降低,熱質(zhì)交換的推動(dòng)力減少。當(dāng)空氣進(jìn)入填料蒸發(fā)冷卻段時(shí),會(huì)導(dǎo)致填料的效率降低。

4 結(jié)論

本文從填料式直接蒸發(fā)冷卻和高壓微霧的相互結(jié)合對(duì)空氣進(jìn)行等焓加濕降溫與傳統(tǒng)的噴水室及填料式直接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行對(duì)比分析,得出兩者相互結(jié)合的好處有以下幾點(diǎn):解決了填料式噴水室中水與空氣的接觸時(shí)間短、接觸面積小的缺點(diǎn),使冷卻效率升高;減少水泵耗電量、降低運(yùn)行成本、水系統(tǒng)簡(jiǎn)單具有高效的節(jié)能意義;對(duì)空氣進(jìn)行凈化避免了二次污染的問(wèn)題;應(yīng)用范圍廣泛適用于機(jī)房 (基站)和核電站設(shè)備間等室內(nèi)顯熱量大,散濕量小的場(chǎng)所。填料—高壓微霧直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組是一種具有高效、節(jié)能、凈化優(yōu)點(diǎn)的新型蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組,具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 黃翔,徐方成,武俊梅.蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)在節(jié)能與減排中的重要作用[J].制冷與空調(diào),2008,8(4):17-20

[2] 黃翔.國(guó)內(nèi)外蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)研究進(jìn)展 (1)[J].暖通空調(diào),2007,37(2):24-30

[3] 黃翔.空調(diào)工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006

[4] 張偉峰 ,黃翔 ,顏蘇芊.填料式噴水室凈化處理室外新風(fēng)PM10的實(shí)驗(yàn)研究 [C].潔凈與空調(diào)技術(shù),2006,(1):8-15

[5] 張偉峰 ,黃翔 ,顏蘇芊.填料式噴水室空調(diào)機(jī)組的節(jié)能研究[C].暖通空調(diào),2005,35(增刊):259-262

[6] 黃翔,武俊梅,鄒平輝,等.流體動(dòng)力噴水室的實(shí)驗(yàn)研究[C].暖通空調(diào),2000,30(1):35-38

[7] 孫賀江,由世俊,涂光備.空調(diào)用金屬填料傳熱傳質(zhì)性能試驗(yàn)[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2005,38(6):561-564

[8] 張歡,李博佳,由世俊.金屬填料型蒸發(fā)冷卻裝置在空氣處理機(jī)組中的應(yīng)用研究 [J].西安制冷,2009,(1-2):20-25

[9] 樊麗娟,黃翔,唐永戩,等.紡織車(chē)間高性能加濕降溫機(jī)組的性能測(cè)試及分析 [J].毛紡科技,2008,(9):1-4

[10] 吳銳.高壓微霧加濕器在卷煙空調(diào)中的應(yīng)用 [J].中國(guó)設(shè)備工程,2006,(12):51-53