Maisotsenko制冷循環(huán)分析及其性能改進(jìn)

張依姍+肖學(xué)文+耿天嬌

摘要：本篇論文分析了Maisotsenko-cycle基本原理，并對Coolerado叉流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)式空氣冷卻器的熱性能進(jìn)行了數(shù)值分析，為解決傳熱傳質(zhì)耦合控制方程和產(chǎn)出與工作空氣的質(zhì)量轉(zhuǎn)換問題而建立的數(shù)值模型，使用了有限元方法。該有限元模型使用EES（工程方程解算器）環(huán)境開發(fā)工具進(jìn)行仿真模擬，并且實(shí)施了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：M循環(huán) 叉流式換熱器 EES 仿真分析

【分類號】：TU831；TU201.5

1.前言

2003年，在第四屆暖通空調(diào)國際研討會上，俄羅斯的 Valeriy Maisotsenko 博士發(fā)表了他的論文 《The Maisotsenko cycle for air desiccant cooling》， 這篇論文具有很高的科研價(jià)值和指導(dǎo)意義。 MAISOTSENKO 循環(huán)是一個新型的熱力學(xué)循環(huán)，它的能量來源于水，而不是電能，同時可以在不使用壓縮機(jī)和制冷劑的情況下，把任何氣體和液體冷卻到接近露點(diǎn)溫度。

2.新型的熱質(zhì)交換冷卻器

如圖2a所示，coolerado叉流式熱質(zhì)交換器的結(jié)構(gòu)示意圖。其中間部分打有許多小孔，且中間通道的末端被擋板堵死，工作空氣最初和產(chǎn)出空氣一樣，先進(jìn)入縱向干通道被橫向濕通道的水或空氣所預(yù)冷，由于末端被堵住，只能通過干通道上的小孔鉆到相鄰的濕通道。工作空氣沿著板兩翼的橫向濕通道，通過濕通道的水分蒸發(fā)吸熱帶走干通道的熱量，最后從橫向通道板的兩側(cè)排出。產(chǎn)出空氣沿著縱向干通道被冷卻，溫度逼近室外空氣的露點(diǎn)溫度，但含濕量不變。

3.M-cycle原理介紹

如圖3a所示，為M循環(huán)的工作原理圖。當(dāng)氣流被風(fēng)機(jī)吹入縱向干通時， 首先被其濕側(cè)進(jìn)行初步冷卻，狀態(tài)從1變化到2。 由于干通道板的中間有小氣孔，所以一部分一次空氣穿過這些氣孔流入橫向濕通道板中，與濕通道中的原有空氣一起作為二次空氣，則流入濕側(cè)的一次氣流與水進(jìn)行熱濕交換，達(dá)到狀態(tài)2的濕球溫度2。同時，由于濕通道水分蒸發(fā)，吸收干通道內(nèi)熱量，狀態(tài)從2到2”，一次空氣等濕冷卻，故從狀態(tài)2到3。隨著流入濕側(cè)的氣體流量不斷增大，一次空氣進(jìn)一步得到冷卻，狀態(tài)從3變化至 4，而二次空氣繼續(xù)經(jīng)加濕、飽和、升溫，狀態(tài)從3變化到3”。如此下去，直至一次空氣被等濕冷卻到初始狀態(tài)1的濕球溫度以下且接近其露點(diǎn)溫度狀態(tài)n，并保持濕度不變。二次空氣從橫向濕通道板的兩側(cè)排出。

4.仿真模型的建立

為了改進(jìn)這種叉流式熱質(zhì)交換器的性能，對這種結(jié)構(gòu)叉流式換熱器建立有限元模型，并在EES中進(jìn)行仿真模擬。

為了簡化建模過程和數(shù)學(xué)分析，進(jìn)行了如下的假設(shè)：

1、熱和質(zhì)的遷移處于穩(wěn)定狀態(tài)。IEC附件作為系統(tǒng)邊界。

2、纖維片材的濕表面完全飽和。水蒸氣均勻地分布在濕通道內(nèi)。

3、截面溫度的梯度設(shè)置為零。分離板上的傳熱只在垂直方向上發(fā)生。在工作流體內(nèi)，對流換熱是傳熱的主要機(jī)制。

4、每個元素都有一個均勻的壁面溫度。板壁的熱傳導(dǎo)率影響不大，墻干濕面溫差可忽略。

5、空氣被視為不可壓縮氣體。

運(yùn)用質(zhì)量守恒和能量守恒原理，在IEC的傳熱和傳質(zhì)過程可以建立一組微分方程在EES中描述。

性能影響因素

5.1進(jìn)風(fēng)溫度和相對濕度

如圖5a，保持其他參數(shù)不變，隨著進(jìn)口空氣溫度的升高，送風(fēng)溫度、制冷量、濕球效率及冷卻器的 COP 呈上升的趨勢。這是由于進(jìn)口空氣溫度較高時，造成進(jìn)風(fēng)與循環(huán)水之間溫度差增大。如圖5b所示，保持其他參數(shù)不變，隨著進(jìn)風(fēng)相對濕度越來越高，冷卻器的降溫幅度越來越低，制冷量和 COP 下降的同時，濕球效率增大。冷卻器在潮濕的天氣，降溫效果并不明顯。提高進(jìn)風(fēng)溫度或相對濕度都造成濕球效率的上升，實(shí)際上露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的性能各有不同，因此濕球效率不能被視作描述露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器性能的獨(dú)立參數(shù)。系統(tǒng)的性能很大程度取決于它應(yīng)用地方的氣候條件。

5.2氣流速度/風(fēng)量

如圖5c所示，當(dāng)冷卻器的總進(jìn)風(fēng)量增加時，工作空氣和送風(fēng)空氣的流速按比例增加，干通道或濕通道的空氣流速也按比例增加，制冷量隨著空氣流量增加而增加。然而在過大的流速下，制冷量 反而隨流速的增大而降低。因此存在最佳氣流速度，使得制冷量達(dá)到最大值。

5.3產(chǎn)出空氣/工作空氣比

按照理論計(jì)算，Gproduct （h1-h2）=Gworking（h4-h1），產(chǎn)出空氣和工作空氣的最佳流量之比為 1：1。但是針對不同地區(qū)應(yīng)用案例，可調(diào)節(jié)產(chǎn)出空氣與工作空氣的比例，來達(dá)到最佳制冷量。例如干燥地區(qū)的產(chǎn)出/工作空氣比高于潮濕地區(qū)的產(chǎn)出/工作空氣比。Coolerado叉流式熱質(zhì)換熱器機(jī)組的產(chǎn)出/工作空氣比為 1.15-1.23，即產(chǎn)出空氣流量略高于工作空氣流量時達(dá)到最佳制冷效果。

5.4通道長度/高度

如圖5e所示，隨著通道的高度的增加，濕球效率和制冷量都隨之下降，COP 隨之上升。權(quán)衡 COP 和制冷量，選擇合適的通道高度。如圖5f所示，干通道的長度越長，干通道與濕通道的空氣接觸時間更長，換熱更充分，送風(fēng)溫度就會越來越趨近于露點(diǎn)溫度，制冷量和濕球效率增加，但降低了系統(tǒng)的 COP。因此，通道長度與通道高度的比值建議在 100-300 之間。

6.結(jié)論

通過間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)獲得低于濕球溫度的空氣，關(guān)鍵在于通過分離一部分產(chǎn)出空氣作為預(yù)冷的工作空氣。這個過程的極限溫度是室外空氣的露點(diǎn)溫度。露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的性能主要局限于周圍氣象條件，當(dāng)入口空氣干球溫度越高、相對濕度越低，換熱器的制冷量越大。其他參數(shù)如空氣流量、通道高度和長度、工作/產(chǎn)出空氣比 以及板的材質(zhì)對換熱器的性能也很重要。

這項(xiàng)研究建立了能夠模擬M循環(huán)的叉流式換熱器的熱流性質(zhì)的仿真模型，通過使用這個模型，就可以很容易地對冷卻（濕球）效果、系統(tǒng)的COP和若干氣流/交換器參數(shù)進(jìn)行分析。論文還給出了很多最佳的操作條件，包括空氣流速、入口空氣溫度和濕度、運(yùn)轉(zhuǎn)與產(chǎn)出空氣比率、最佳交換器配置和通道長高比例等等。這個模型也被發(fā)表過的足夠準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了，它也因此適用于間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)操作性能的預(yù)測。這個工具能夠增加系統(tǒng)的能量利用率，探索建筑內(nèi)空氣調(diào)節(jié)部分的市場份額并且實(shí)現(xiàn)世界節(jié)約能源和低碳環(huán)保的目標(biāo)。此外，它可以用于模擬裝有其他形態(tài)換熱器的間接蒸發(fā)制冷系統(tǒng)。

（1）基于M循環(huán)的熱質(zhì)交換器能夠?qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)間接蒸發(fā)冷卻器的錯流熱質(zhì)交換器效率高出16.7%以上；（2）新交換器的通道里更高的空氣流速能夠產(chǎn)生相當(dāng)?shù)偷臐袂蚩諝庑Ч虲OP系統(tǒng)，但是更小的系統(tǒng)對潛在客戶來說更有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，干、濕通道的平均空氣流速分別不能超過1.77 m/s 和0.7 m/s；（3）在指定條件下，最佳的排出和供給空氣的比率應(yīng)為1：1；（4）提高空氣通道的高度能夠增加制冷能力和濕球效力，但是會降低系統(tǒng)的COP，權(quán)衡這些性能的話，建議通道的高度不應(yīng)超過4mm；（5）增加空氣（包括干空氣和濕空氣）通道的高度能夠提高制冷效率但是減少系統(tǒng)的COP，因此通道的長與高的比例不能超過100-300的范圍，對于通道高度為4mm的系統(tǒng)來說，濕通道和干通道的長度都不應(yīng)超過0.4-1.2m的范圍；（6）系統(tǒng)的性能受安裝處氣候條件影響較大，給出入口的空氣條件，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)4.22kw每kg/s的制冷能力，這只是系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的最大效率的50%。

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