間接蒸發(fā)冷卻模型分類簡析

周斌

摘 要

在常規(guī)間接蒸發(fā)冷卻分類應(yīng)用的基礎(chǔ)上，以二次空氣濕球溫度變化為切入點(diǎn)，通過理論分析，提出一種間接蒸發(fā)冷卻模型及分類方法，對現(xiàn)有間接蒸發(fā)冷卻分類模型進(jìn)行補(bǔ)充和完善。

關(guān)鍵詞

間接蒸發(fā)冷卻;濕球溫度;模型

中圖分類號： TU83 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.030

Abstract

Based on the conventional indirect evaporative cooling classification application，taking the secondary air wet bulb temperature as the starting point，through theoretical analysis，a new indirect evaporative cooling model and classification are proposed，which complements the existing indirect evaporative cooling classification model.

Key Words

Indirect evaporative cooling;Wet bulb temperature;Model

0 引言

蒸發(fā)冷卻技術(shù)作為一種綠色健康、節(jié)能低碳的空調(diào)制冷方式，在西北干熱地區(qū)乃至全國得到了廣泛的應(yīng)用，取得了良好的環(huán)境效應(yīng)和社會經(jīng)濟(jì)效益，對推動形成綠色發(fā)展和低碳生活方式，建設(shè)天藍(lán)地綠水清的美麗中國起著積極的作用。

蒸發(fā)冷卻技術(shù)按照空氣與水是否接觸分為直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻。間接蒸發(fā)冷卻是應(yīng)用的關(guān)鍵和核心，間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的先進(jìn)程度代表著蒸發(fā)冷卻技術(shù)的整體發(fā)展水平，是干熱地區(qū)干空氣資源高效利用的重要方式，其功能實(shí)現(xiàn)及效率表現(xiàn)在蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)發(fā)揮著極其重要的作用。

本文在間接蒸發(fā)冷卻模型常規(guī)分類的基礎(chǔ)上，以二次空氣濕球溫度狀態(tài)變化為切入點(diǎn)，提出一種間接蒸發(fā)冷卻分類方法，以期進(jìn)一步補(bǔ)充和完善間接蒸發(fā)冷卻模型分類。

1 常規(guī)間接蒸發(fā)冷卻模型分類

不同于直接蒸發(fā)冷卻的絕熱等焓加濕降溫過程，間接蒸發(fā)冷卻裝置可實(shí)現(xiàn)一次空氣產(chǎn)出風(fēng)等濕降溫，同時二次空氣風(fēng)增焓增濕，因此其熱力實(shí)現(xiàn)過程同時具有直接接觸式換熱設(shè)備和間壁式換熱設(shè)備的特征。

間接蒸發(fā)冷卻裝置分類的方法可以按照工作原理、換熱器結(jié)構(gòu)型式、載冷介質(zhì)、冷熱流體流動方向、設(shè)置方式、設(shè)備用途、材質(zhì)等分為各種類型。

工程應(yīng)用中常見的間接蒸發(fā)冷卻器分類是針對不同結(jié)構(gòu)型式的分類，如對于直接接觸式和間壁式換熱為一體的裝置，可以有板式換熱器、板翅式換熱器、管式換熱器、熱管式換熱器等結(jié)構(gòu)應(yīng)用分類;按照載冷介質(zhì)的不同，可分為間接蒸發(fā)冷卻出冷風(fēng)、出冷水或同時出冷風(fēng)冷水，常見的應(yīng)用為間接蒸發(fā)冷卻加直接蒸發(fā)冷卻后組成的復(fù)合蒸發(fā)冷卻輸出溫度更低的冷風(fēng)或/和冷水;按照冷熱流體的流動方向，可以分為逆流、順流、交叉流或混合流等;按照設(shè)置方式可分為整體式和分體式等，還有設(shè)備用途和材質(zhì)分類等。

按照一次空氣和二次空氣的來源進(jìn)行分類，通常有以下三種方式。一次空氣和二次空氣均為室外新風(fēng)、一次空氣為室外新風(fēng)/二次空氣為室內(nèi)回風(fēng)（排風(fēng)）、一次空氣為室內(nèi)回風(fēng)/二次空氣為室外新風(fēng)（排風(fēng)）。當(dāng)然實(shí)際工程應(yīng)用中還有其他方法，如一次空氣和室內(nèi)回風(fēng)按照一定的比例混合，再經(jīng)過等濕降溫處理，或者是一次空氣全部為室外新風(fēng)，二次空氣為室外新風(fēng)和室內(nèi)回風(fēng)按照一定的比例混合等。

除以上常規(guī)分類外，以下從二次空氣進(jìn)風(fēng)濕球溫度變化特性進(jìn)行重點(diǎn)闡述，從而給出一種間接蒸發(fā)冷卻分類的新方法。

2 間接蒸發(fā)冷卻按照二次空氣進(jìn)口濕球溫度變化分類

蒸發(fā)冷卻技術(shù)當(dāng)前理論研究和工程應(yīng)用的熱點(diǎn)之一是通過技術(shù)手段使得間接蒸發(fā)冷卻器的二次空氣進(jìn)風(fēng)濕球溫度（逐級）降低的方式，以獲得干球溫度更低的、趨近于一次空氣進(jìn)風(fēng)露點(diǎn)溫度的一次空氣出風(fēng)狀態(tài)。

因此按照二次空氣進(jìn)口濕球溫度是否變化，分為二次進(jìn)風(fēng)定濕球溫度間接蒸發(fā)冷卻和二次進(jìn)風(fēng)變濕球溫度間接蒸發(fā)冷卻兩大類。

需要指出的是，此分類所述二次空氣濕球溫度變化，不是在室內(nèi)外環(huán)境空氣參數(shù)變化時引起的二次空氣的濕球溫度變化，而是在進(jìn)風(fēng)參數(shù)確定時，由于工藝導(dǎo)致的二次進(jìn)風(fēng)濕球溫度變化。

2.1 定濕球間接蒸發(fā)冷卻

定濕球間接蒸發(fā)冷卻是指二次空氣在進(jìn)入熱濕交換區(qū)時濕球溫度是定值的情況，在工程應(yīng)用中是常見的工藝配置，這時被冷卻的一次空氣或/和輸出冷水的極限為趨近于二次進(jìn)風(fēng)進(jìn)入熱質(zhì)交換區(qū)前的定濕球溫度，如圖1、圖2所示。

圖1為常見的空氣-水-空氣間接蒸發(fā)冷卻器。在此類換熱器中，由于二次空氣流道中濕通道內(nèi)水膜的存在，二次空氣增焓增濕，濕球溫度沿著含濕量增加的方向遷移增加，理想情況下沿著飽和線的方向增加。該類間接蒸發(fā)冷卻器是應(yīng)用較為廣泛的一類，常見的類型為板翅式或管式間接蒸發(fā)冷卻器等。

圖2為空氣-水間接蒸發(fā)冷卻器，也即空氣-表冷器間接蒸發(fā)冷卻器。該類型間接蒸發(fā)冷卻器可以看成是空氣-水-空氣間接蒸發(fā)冷卻器中填料（濕通道內(nèi)的翅片）和表冷器（間壁換熱面）的解耦，首先由二次空氣在填料中與回水發(fā)生熱濕交換制備冷水，冷水通入表冷器中，對一次空氣進(jìn)行等濕冷卻，冷水升溫后回到填料中，形成循環(huán)。

除此之外，還有一類工藝配置，即二次空氣進(jìn)入間接蒸發(fā)冷卻熱濕交換區(qū)時，濕球溫度有一定程度的降低或升高，且降低或升高的幅度為一定值。

圖3為空氣-水-空氣間接蒸發(fā)冷卻器，圖4為空氣-水間接蒸發(fā)冷卻器，工藝流程均可實(shí)現(xiàn)二次空氣濕球溫度降低的應(yīng)用。以圖3為例，一次空氣全部為室外新風(fēng)予以說明。首先一次空氣進(jìn)入空氣-水-空氣間壁式換熱器的干通道，與間壁濕通道一側(cè)的二次空氣換熱后，實(shí)現(xiàn)等濕冷卻、濕球溫度有一定程度降低的一次空氣在出口按照比例分為兩部分，一部分作為產(chǎn)出風(fēng)輸出，另一部分一次空氣進(jìn)入濕通道作為二次空氣，與循環(huán)水發(fā)生熱濕交換，同時冷卻干通道一側(cè)的一次空氣進(jìn)風(fēng)，實(shí)現(xiàn)二次空氣進(jìn)風(fēng)濕球溫度降低的間接蒸發(fā)冷卻工藝流程，這種工藝流程，一次空氣的出風(fēng)溫度趨近于降低后的濕球溫度定值，在一定程度上講，其也是趨近于露點(diǎn)溫度的一種特殊類型，稱之為回?zé)崾介g接蒸發(fā)冷卻。

2.2 變濕球間接蒸發(fā)冷卻

變濕球間接蒸發(fā)冷卻是指二次空氣進(jìn)入熱質(zhì)交換區(qū)前的狀態(tài)發(fā)生變化，相應(yīng)地二次進(jìn)風(fēng)的濕球溫度發(fā)生變化，雖然也存在濕球溫度升高的情況，但工程應(yīng)用最多的是濕球溫度（逐級）降低，其本質(zhì)在于獲得趨近于進(jìn)風(fēng)露點(diǎn)溫度的一次空氣出風(fēng)干球溫度。

圖5對應(yīng)的是常規(guī)應(yīng)用的多級間接蒸發(fā)冷卻，一次空氣和二次空氣考慮均為室外新風(fēng)的情況，第一級間接蒸發(fā)冷卻二次進(jìn)風(fēng)濕球?yàn)槭彝庑嘛L(fēng)濕球，第一級間接蒸發(fā)冷卻一次出風(fēng)干球溫度降低的同時，濕球溫度也有一定程度的降低，之后，一次空氣按照比例分配，一部分進(jìn)入二級間接蒸發(fā)冷卻器干通道，另一部分進(jìn)入二級間接蒸發(fā)冷卻器濕通道，不同于定濕球間接蒸發(fā)冷卻器，該組合式間接蒸發(fā)冷卻的二次進(jìn)風(fēng)的濕球溫度是逐級降低的，理論上，多級間接蒸發(fā)冷卻的一次空氣的出風(fēng)干球溫度，在一、二次最初進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)相同的情況下，可趨近于進(jìn)風(fēng)的露點(diǎn)溫度。

如圖5所示，由空氣-水-空氣間壁式換熱器構(gòu)成的兩級間接蒸發(fā)冷卻器，隨著串聯(lián)級數(shù)的增加，可以使空氣冷卻趨近于露點(diǎn)溫度，付出的代價是每個后續(xù)的換熱器都需要更多的一次出風(fēng)用作工藝風(fēng)。在二十世紀(jì)末期在新疆地區(qū)開始工程應(yīng)用，取得了良好的效果。

圖6所示是Maisotsenko循環(huán)所描敘的一類間接蒸發(fā)冷卻器，換熱器通過特殊設(shè)計(jì)，有一次空氣的干通道和二次空氣的濕通道，但二次空氣流和傳統(tǒng)間接蒸發(fā)冷卻器有明顯的不同，二次空氣在底部進(jìn)入，在濕通道下部沿著二次空氣進(jìn)口方向依次設(shè)置著若干二次風(fēng)進(jìn)口，二次空氣沿水平方向依次進(jìn)入濕通道進(jìn)行熱濕交換，冷卻間壁一側(cè)干通道的一次空氣，其特征是二次空氣自左至右進(jìn)入濕通道時的干球溫度和濕球溫度是逐級降低的，因此可使一次空氣出風(fēng)冷卻到進(jìn)風(fēng)的濕球溫度之下，趨近于進(jìn)風(fēng)的露點(diǎn)溫度，該類型間接蒸發(fā)冷卻本質(zhì)上是多級回?zé)衢g接蒸發(fā)冷卻的復(fù)合應(yīng)用，也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

3 結(jié)論

本文圍繞蒸發(fā)冷卻應(yīng)用的核心和關(guān)鍵——間接蒸發(fā)冷卻，圍繞間接蒸發(fā)冷卻模型分類中的相關(guān)問題，著重闡述并有以下結(jié)論：

1）根據(jù)二次空氣濕球溫度在進(jìn)入熱質(zhì)交換區(qū)是否變化，提出了一種間接蒸發(fā)冷卻分類方法，即定濕球間接蒸發(fā)冷卻和變濕球間接蒸發(fā)冷卻兩大類。在常規(guī)分類的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充和完善了間接蒸發(fā)冷卻的模型和分類。

2）定濕球間接蒸發(fā)冷卻可分為兩類，一類是常規(guī)間接蒸發(fā)冷卻，二次空氣不經(jīng)過處理直接進(jìn)入熱濕交換區(qū);另一類是回?zé)崾介g接蒸發(fā)冷卻，二次空氣取自部分等濕冷卻后的一次空氣，濕球溫度一定程度降低后進(jìn)入熱濕交換區(qū)。

3）回?zé)崾介g接蒸發(fā)冷卻是Maisotsenko循環(huán)的應(yīng)用基礎(chǔ)，而Maisotsenko循環(huán)是回?zé)崾介g接蒸發(fā)冷卻的復(fù)合高階應(yīng)用，二者理論上均可實(shí)現(xiàn)一次空氣出風(fēng)干球溫度趨近于一次空氣進(jìn)風(fēng)的露點(diǎn)溫度。

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