淺析風側間接蒸發(fā)冷卻空調技術中核心的幾個術語

夏 青,黃 翔,殷清海

(西安工程大學,環(huán)境與化學工程學院,陜西西安710048)

0 前 言

術語研究是標準化研究的最基本的對象,正確使用標準術語是實現(xiàn)有效交流的前提和保證[1]。目前,我國在風側間接蒸發(fā)冷卻空調技術理論和應用方面已取得了巨大成就,因此,在未來一段時期內,風側間接蒸發(fā)冷卻空調技術術語標準化將逐步成為我國蒸發(fā)冷卻空調技術發(fā)展的重點[2]。

風側間接蒸發(fā)冷卻空調設備一般有兩股氣流同時經(jīng)過,分別是一次空氣和二次空氣,而“一次空氣(產(chǎn)出空氣)”、“二次空氣(工作空氣)”是構成描述風側間接蒸發(fā)冷卻空調設備工作原理的核心詞匯。此外,“濕球效率”和“露點效率”也是風側間接蒸發(fā)冷卻空調技術中經(jīng)常使用的兩個詞,他們同時描述風側蒸發(fā)冷卻空調設備的工作效率。

本文對風側間接蒸發(fā)冷卻空調技術中的“一次空氣(產(chǎn)出空氣)”、“二次空氣(工作空氣)”、“濕球效率”、“露點效率”所表達的概念意義加以分析。這些詞語都屬于風側間接蒸發(fā)冷卻空調技術中的核心術語,準確理解它們的概念,對把握整個風側蒸發(fā)冷卻空調技術的研究走向,是非常重要的。

1 風側間接蒸發(fā)冷卻空調技術

蒸發(fā)冷卻空調(evaporative air conditioning)技術按照技術形式分為:直接蒸發(fā)冷卻(direct evaporative cooling,簡稱DEC)空調技術,即產(chǎn)出介質(空氣或水)與工作介質(水或空氣)直接接觸進行熱濕交換,產(chǎn)出介質與工作介質之間既存在熱的交換又存在質的交換,以獲取冷風或冷水的技術;間接蒸發(fā)冷卻(indirect evaporative cooling,簡稱IEC)空調技術,即產(chǎn)出介質(空氣或水)與工作介質(空氣和水)間接接觸進行熱濕交換,產(chǎn)出介質與工作介質之間不存在質的交換,僅是顯熱的交換,以獲取冷風或冷水的技術;間接—直接蒸發(fā)冷卻(indirect-direct evaporative cooling,簡稱IDEC)復合空調技術,即將間接蒸發(fā)冷卻與直接蒸發(fā)冷卻加以復合,以獲取冷風或冷水的技術;蒸發(fā)冷卻—機械制冷(evaporative cooling-mechanical refrigeration)聯(lián)合空調技術,即將蒸發(fā)冷卻與機械制冷加以聯(lián)合,以獲取冷風或冷水的技術。

蒸發(fā)冷卻空調技術按照產(chǎn)出介質(獲得冷量)形式分為:風側蒸發(fā)冷卻(evaporative air cooling,簡稱EAC)空調技術,即根據(jù)水蒸發(fā)冷卻原理,采用直接蒸發(fā)冷卻或間接蒸發(fā)冷卻方式或加以機械制冷輔助獲取冷風的空調技術,也稱作冷風式蒸發(fā)冷卻空調技術;水側蒸發(fā)冷卻(evaporative water cooling,簡稱EWC)空調技術,即根據(jù)水蒸發(fā)冷卻原理,采用直接蒸發(fā)冷卻或間接蒸發(fā)冷卻方式或加以機械制冷輔助獲得冷水的空調技術,也稱作冷水式蒸發(fā)冷卻空調技術。其中,風側間接蒸發(fā)冷卻(indirect evaporative air cooling,簡稱IEAC)空調技術是風側蒸發(fā)冷卻空調技術中的形式之一,即根據(jù)水蒸發(fā)冷卻原理,采用間接蒸發(fā)冷卻方式獲取冷風的空調技術,也稱作冷風式間接蒸發(fā)冷卻空調技術。

2 一次空氣 (產(chǎn)出空氣)和二次空氣 (工作空氣)

不論是哪種換熱器的間接蒸發(fā)冷卻器或是半間接式蒸發(fā)冷卻器,都具有兩個互不相通的空氣通道,一般有兩股氣流同時經(jīng)過冷卻器的兩個空氣通道,它們互不接觸[3]。這兩股氣流通常定義為一次空氣 (產(chǎn)出空氣)和二次空氣 (工作空氣)。

2.1 一次空氣 (產(chǎn)出空氣)

一次空氣 (產(chǎn)出空氣)指被冷卻后送入房間供冷的空氣。該空氣可以是被處理新風也可以是被處理混合風,但大部分時候是來自室外的 100%新風[4]。正因為如此,術語 “一次空氣”也經(jīng)常被稱為 “新風”、“一次風”等,但是這會和傳統(tǒng)機械制冷里 “新風”混淆,所以,為了和機械制冷領域中術語 “新風”進行區(qū)別,將間接蒸發(fā)冷卻器中的被處理空氣稱為 “一次空氣”或 “產(chǎn)出空氣”。

2.2 二次空氣 (工作空氣)

二次空氣 (工作空氣)指與水接觸使其蒸發(fā)從而降低換熱器表面溫度以冷卻一次空氣 (產(chǎn)出空氣)。同樣,對于術語 “二次空氣”也會有不同的稱呼,如 “排風”、“二次風”等,如上所述,也是為了區(qū)別機械制冷中 “排風”的叫法,將間接蒸發(fā)冷卻器中經(jīng)直接蒸發(fā)冷卻處理后的空氣稱為 “二次空氣”或 “工作空氣”。

該空氣一般有四種不同的來源:(1)100%來自室外空氣(新風),直接蒸發(fā)冷卻后,排到室外;(2)來自室內回風,即吸收了室內余熱余濕后的一次空氣作為二次空氣,一般室內回風中帶有大量可利用的冷量,當用室內回風作為二次空氣,回收這部分的冷量,則可以大大節(jié)約能量,可以取得很好的節(jié)能效益和環(huán)境效益,對減小設備也是可行的[5]。而且,用回風作為二次空氣使用時,濕度相對來說不會太大。在間接蒸發(fā)冷卻器中,利用室內回風作為二次空氣的過程稱為回收循環(huán);(3)一次空氣的一部分作為二次空氣,在間接蒸發(fā)冷卻器中,利用一部分一次空氣作為二次空氣的過程稱為再生循環(huán)[6]。利用一部分一次空氣作為二次空氣的再生循環(huán)過程一般發(fā)生在露點式間接蒸發(fā)冷卻器中。露點式間接蒸發(fā)冷卻器與原有的板翅式、管式、熱管式及轉輪式間接蒸發(fā)冷卻器所不同的是,一次空氣通道的一次空氣經(jīng)預冷后部分可以經(jīng)過換熱器間壁上的穿孔進入二次空氣通道,然后作為二次空氣與水進行熱濕交換。這樣一次空氣被預冷的程度越大,作為二次空氣時與水熱濕交換的基準溫度就越低。所以露點式間接蒸發(fā)冷卻器就是利用一次空氣的干球溫度與二次空氣的露點溫度之差來降溫,降溫的極限是一次空氣的露點溫度;(4)經(jīng)過直接或間接蒸發(fā)冷卻處理過的空氣作為二次空氣,這樣可大大提高一次空氣的降溫幅度,同時可控制二次空氣的進風參數(shù),在要求比較高的場所使用。這種送風系統(tǒng)的優(yōu)點是間接蒸發(fā)冷卻器的效率高,但缺點是所花費的代價有所增大。

3 濕球效率和露點效率

間接蒸發(fā)冷卻器的核心部件是空氣—空氣換熱器[7]。目前,間接蒸發(fā)冷卻器主要有板翅式、管式、熱管式、轉輪式及露點式。一般用來評價間接蒸發(fā)冷卻器效率的評價指標為濕球效率和露點效率。

3.1 濕球效率

濕球效率既可用來評價間接蒸發(fā)冷卻器效率,也可評價直接蒸發(fā)冷卻器效率,下面通過分析,比較兩種冷卻器的濕球效率。

3.1.1 間接蒸發(fā)冷卻器濕球效率

一次空氣(產(chǎn)出空氣)在整個過程的焓濕變化如圖1所示,在這個過程中,用來評價間接蒸發(fā)冷卻器冷卻效果的評價指標,即可用來評價板翅式、管式、熱管式、轉輪式及露點式冷卻器冷卻效果[8],我們可以稱之為“濕球效率”,即間接蒸發(fā)冷卻器(段)一次空氣(產(chǎn)出空氣)進、出口干球溫度差與一次空氣(產(chǎn)出空氣)進口干球溫度、二次空氣(工作空氣)進口濕球溫度差之比,反映了間接蒸發(fā)冷卻器(段)制冷效率。單位:%。其計算公式為:

式中:ηIEC—間接蒸發(fā)冷卻器 (段)濕球效率,%;

tg1、tg2—分別為間接蒸發(fā)冷卻器(段)一次空氣(產(chǎn)出空氣)進口干球溫度和出口干球溫度,℃;

t′s1—間接蒸發(fā)冷卻器 (段)二次空氣 (工作空氣)進口濕球溫度,℃。

圖1 間接蒸發(fā)冷卻空氣處理過程焓濕圖

3.1.2 直接蒸發(fā)冷卻器濕球效率

直接蒸發(fā)冷卻器 (段)填料內的空氣與水直接接觸,使水分蒸發(fā)來冷卻空氣。這時由于水的蒸發(fā),空氣將會因不斷地把自身的顯熱傳遞給水而得以降溫,空氣的顯熱轉化為潛熱,空氣既得以降溫,又實現(xiàn)了含濕量的增加,其焓值不變,這是一個絕熱、降溫、加濕過程[9]?？諝獾臓顟B(tài)變化過程見圖2,1點為空氣處理前的狀態(tài),2點為空氣處理后的狀態(tài)。

對于直接蒸發(fā)冷卻器 (段)填料的降溫效果,通常采用蒸發(fā)冷卻效率來描述其處理空氣的完善程度,有時候我們也稱之為濕球效率,即直接蒸發(fā)冷卻器 (段)進、出口空氣干球溫度差與進口空氣干、濕球溫度差之比,其表達式為:

式中:tgw、tgo—分別為直接蒸發(fā)冷卻器 (段)進口空氣干球溫度和出口空氣干球溫度,℃;tsw—直接蒸發(fā)冷卻器 (段)進口空氣濕球溫度,℃。

3.2 露點效率

露點式間接蒸發(fā)冷卻器是一種特殊的間接蒸發(fā)冷卻器,一般間接蒸發(fā)冷卻器的驅動勢為一次空氣(產(chǎn)出空氣)干球溫度與二次空氣 (工作空氣)濕球溫度之差,而露點式間接蒸發(fā)冷卻技術的驅動勢是一次空氣 (產(chǎn)出空氣)干球溫度與二次空氣 (工作空氣)露點溫度之差,最終能提供干球溫度比室外濕球溫度低且接近露點溫度的空氣[10]。一次空氣(產(chǎn)出空氣)在整個過程的焓濕變化如圖3所示,在這個過程中,是用露點效率評價指標來評價露點式間接蒸發(fā)冷卻器冷卻效果,當然上述所述濕球效率冷卻效果性能評價指標同樣可以用來評價露點式間接蒸發(fā)冷卻器,只不過用露點效率評價指標更準確一些,因為對于露點式間接蒸發(fā)冷卻器來說,

圖2 直接蒸發(fā)冷卻空氣處理過程焓濕圖

圖3 露點式間接蒸發(fā)冷卻空氣處理過程焓濕圖

計算出來的濕球效率往往大于1,而露點效率小于1,“露點效率”即露點式間接蒸發(fā)冷卻器一次空氣 (產(chǎn)出空氣)進、出口干球溫度差與一次空氣 (產(chǎn)出空氣)進口干球溫度、一次空氣 (產(chǎn)出空氣)進口露點溫度差之比,反映了露點式間接蒸發(fā)冷卻器制冷效率。單位:%。其計算公式為:

式中:ηDIEC—露點效率,%;tg1、tg2—分別為露點式間接蒸發(fā)冷卻器一次空氣 (產(chǎn)出空氣)進口干球溫度和出口干球溫度,℃;t′d1—露點式間接蒸發(fā)冷卻器一次空氣 (產(chǎn)出空氣)進口露點溫度,℃。

3.3 濕球效率和露點效率的區(qū)別與聯(lián)系

直接蒸發(fā)冷卻器和間接蒸發(fā)冷卻器的冷卻效率可以定義為濕球效率,不同的是對于直接蒸發(fā)冷卻器冷卻效率公式中,濕球溫度指的是產(chǎn)出空氣 (也就是間接蒸發(fā)冷卻器中的一次空氣)的濕球溫度,而對于間接蒸發(fā)冷卻器冷卻效率公式中,濕球溫度指的是工作空氣 (二次空氣)的濕球溫度,而當間接蒸發(fā)冷卻器的工作空氣 (二次空氣)和直接蒸發(fā)冷卻器中產(chǎn)出空氣來源相同時,二者的濕球溫度在數(shù)值上是相等的。目前直接蒸發(fā)冷卻器的濕球效率范圍在70%～95%。這種系統(tǒng)因其結構簡單、初投資和運行成本低已經(jīng)被廣泛應用;而間接蒸發(fā)冷卻器的濕球效率范圍在55%～75%甚至更高。

一些間接蒸發(fā)冷卻器可以提供趨于其露點溫度且低于一次空氣 (產(chǎn)出空氣)的濕球溫度的空氣,在此條件下,可以用露點效率評價冷卻器冷卻效率。如果用濕球效率評價此間接蒸發(fā)冷卻器時,一般濕球效率大于1,而用露點效率則小于1。所以對于具體的間接蒸發(fā)冷卻器和不同的要求,可以根據(jù)要求使用濕球效率或是露點效率。

4 結束語

風側間接蒸發(fā)冷卻空調技術 (冷風式間接蒸發(fā)冷卻空調技術)是間接蒸發(fā)冷卻空調技術中的一種重要的技術,經(jīng)過十年多的發(fā)展,風側間接蒸發(fā)冷卻空調產(chǎn)品在我國已形成一定的規(guī)模,產(chǎn)品已形成系列化。本文通過對風側間接蒸發(fā)冷卻空調技術中核心的幾個術語進行探討,淺析了一次空氣(產(chǎn)出空氣)和二次空氣(工作空氣),并比較歸納了濕球溫度和露點溫度的概念,指出濕球效率這一概念既可以用于評價直接蒸發(fā)冷卻器的冷卻效率也可以用于評價間接蒸發(fā)冷卻器的冷卻效率,明確了濕球效率的使用用法,此外,也指出了濕球效率和露點效率的不同之處,可以根據(jù)間接蒸發(fā)冷卻器的冷卻程度,選擇濕球效率評價指標或露點效率評價指標。

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