風(fēng)冷冷水機組管理論文

1、風(fēng)冷冷水機組管理論文 摘要：本文建立了紙質(zhì)填料的直接蒸發(fā)冷卻器的數(shù)學(xué)模型，分析了直接蒸發(fā)冷卻效率的主要影響因素，并將直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)冷冷水機組中，對改進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真，得出了改進(jìn)系統(tǒng)的性能，對改進(jìn)系統(tǒng)在我國條件下的應(yīng)用前景進(jìn)行了預(yù)測。 關(guān)鍵詞：風(fēng)冷冷水機組直接蒸發(fā)冷卻紙質(zhì)填料空氣調(diào)節(jié)節(jié)能 1前言 隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，空調(diào)設(shè)備的應(yīng)用日益廣泛，給能源尤其是電力造成較大的壓力。如何降低空調(diào)設(shè)備的能源消耗和提高空調(diào)設(shè)備的性能，已經(jīng)成為當(dāng)前研究的重要課題。 直接蒸發(fā)冷卻是指循環(huán)水與空氣直接接觸而對空氣進(jìn)行加濕冷卻，基本不消耗或很少消耗一次能源,且對環(huán)境無破壞作用。將直接蒸

2、發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)冷冷水機組，利用蒸發(fā)冷卻對進(jìn)入冷凝器的空氣進(jìn)行預(yù)處理，能夠達(dá)到節(jié)能和提高系統(tǒng)COP的目的。天津大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)等已經(jīng)對此作了實驗研究，得出了一些重要結(jié)論，但也有一些不足，主要體現(xiàn)為直接蒸發(fā)冷卻采用的填料為金屬填料，雖然具有較高蒸發(fā)冷卻效率，但是填料厚度大，因而設(shè)備的體積大，適用性有限。本文提出以紙質(zhì)填料作為蒸發(fā)冷卻的填料，對此建立了數(shù)學(xué)模型，分析了直接蒸發(fā)冷卻效率的主要影響因素，并將直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)冷冷水機組中，對改進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真，得出了改進(jìn)系統(tǒng)的性能，對改進(jìn)系統(tǒng)在我國條件下的應(yīng)用前景進(jìn)行了預(yù)測。 2直接蒸發(fā)冷卻器的原理 2.1直接蒸發(fā)冷卻的原理 直接蒸發(fā)冷卻是指

3、循環(huán)水與空氣直接接觸，利用水蒸發(fā)吸熱對空氣進(jìn)行冷卻。 直接蒸發(fā)冷卻器主要由紙質(zhì)填料，布水器，接水盤，循環(huán)水泵等組成。紙質(zhì)填料，耐水浸泡，外形為45度斜波紋片相鄰片粘疊成塊,其比表面積為。水被循環(huán)水泵從接水盤中抽出，由布水器均勻地散布到紙質(zhì)填料上，在填料表面形成均勻的水膜，與流經(jīng)填料的空氣發(fā)生熱濕交換后流入接水盤中，循環(huán)使用，水溫近似為空氣的濕球溫度。 當(dāng)空氣流經(jīng)填料時，一方面，水分蒸發(fā)，吸收空氣的顯熱，空氣被冷卻；另一方面，水蒸氣進(jìn)入空氣中，空氣得到潛熱，同時被加濕，焓值基本不變?？諝獾臓顟B(tài)變化過程如圖1所示。1點表示空氣處理前的狀態(tài)，2點表示處理后的狀態(tài)，1、2、3近似為一條等焓線?？梢杂谜?/p>

4、發(fā)冷卻效率來評價直接蒸發(fā)冷卻器處理空氣的完善程度，其表達(dá)式為：，式中，分別為空氣處理前后的干球溫度，為空氣的濕球溫度。 2.2直接蒸發(fā)冷卻模型的建立及求解 空氣沿方向X從外界進(jìn)入紙質(zhì)填料層，水沿Y方向落下，形成水膜，空氣進(jìn)口干球溫度，濕球溫度，空氣狀態(tài)參數(shù)沿X方向變化，如圖2所示。 為簡化計算，作了如下假設(shè)： （a）水膜厚度均勻，整個水膜的溫度恒定，=0；水溫等于進(jìn)口空氣的濕球溫度；水膜邊界層空氣達(dá)到飽和狀態(tài)，取水膜似的來計算水蒸氣飽和壓力。 （b）設(shè)備保溫性和密封性好，除進(jìn)出口外，沒有進(jìn)漏風(fēng)處，空氣流速U恒定。 （c）由于水的液體熱相對于水的汽化潛熱很小，可忽略不計。 2.2.1質(zhì)量方程 水

5、的蒸發(fā)量=濕空氣含濕量的增加量 （1） 其中：為按水蒸汽密度差計算的傳質(zhì)系數(shù)（，g代表干空氣的屬性，q代表水蒸氣的屬性，s代表飽和空氣中水蒸氣的屬性。不妨設(shè)空氣入口處水蒸氣分壓力為p,所對應(yīng)的飽和水蒸氣分壓力為，則通過推導(dǎo)可得到： （2） 其中A=，B為大氣壓，L為填料厚度。 2.2.2求解傳質(zhì)系數(shù) 由參考文獻(xiàn)4可得到紙質(zhì)填料的傳質(zhì)系數(shù):; ;其中U為空氣流速，L為填料層厚度，為運動粘度; Sc為史密特數(shù),，式中是水蒸汽在空氣中的質(zhì)量擴散系數(shù)。 舍伍德數(shù)：（6）； 將(4)(5)(6)代入(3)式可求得：(7) 2.2.3能量方程 空氣失去的總熱量=空氣得到的潛熱量,所以，空氣的總能量保持不變

6、，在i-d圖上表現(xiàn)為空氣狀態(tài)變化在一等焓線上，如圖1所示。 2.2.4求解蒸發(fā)冷卻的出口溫度和效率 空氣入口參數(shù)為：干球溫度，濕球溫度，水蒸氣分壓力為p，焓值為h，含濕量為d；濕球溫度下的飽和水蒸氣分壓力為含濕量為；水溫度。由文獻(xiàn)5有：（8） 式中：; ; ; ; ; /.干空氣（9）；入口濕空氣焓：kJ/.干空氣； 入口濕空氣含濕量：/.干空氣；水蒸氣分壓力：其中B為大氣壓。 由空氣入口參數(shù)所對應(yīng)的水蒸氣p和濕球溫度下的飽和水蒸氣分壓力為的值，代入式（7）和（2），可直接求出出口濕空氣水蒸氣分壓力。出口濕空氣的含濕量：（B為大氣壓） 由可得：出口濕空氣的干球溫度： 蒸發(fā)冷卻效率為： 2.3蒸

7、發(fā)冷卻效率的影響因素 2.3.1空氣流速u對效率的影響 空氣流速u越大，空氣與紙質(zhì)填料表面的熱濕交換系數(shù)越大，但另一方面空氣與填料層熱濕交換接觸時間越短，交換越不充分，由圖3可知，風(fēng)速u越小，效率越大，但處理的風(fēng)量也越小。這說明用該填料處理空氣時，空氣的迎面流速要選取恰當(dāng)，過小會造成設(shè)備體積龐大，過大會造成效率低且阻力明顯增大。空氣的迎面流速在2.0m/s左右為宜。 2.3.2填料厚度L對效率的影響 由圖4可知，隨著填料厚度L的增加，效率明顯升高。當(dāng)L=0.1m時，效率已達(dá)到0.8以上，以后當(dāng)L繼續(xù)增加時，效率的增加很緩慢，趨于平坦，當(dāng)L=0.2知，效率已接近于1.0，再增加填料層的厚度L，對

8、空氣的處理已經(jīng)毫無意義。考慮到設(shè)備的體積，以及空氣的阻力等因素，取填料層厚度L=0.1m，否則填料厚度L太大，會造成設(shè)備體積龐大，同時空氣阻力也會明顯加大，增加風(fēng)機的能耗和噪聲。 2.3.3水量w對效率的影響 雖然直接蒸發(fā)冷卻的模型及求解過程中，并未出現(xiàn)w這一變量，實際上水量w對效率的影響是確實存在的。在水量較小的情況下，由于水量不足，并不能使紙質(zhì)填料完全濕潤并在其表面形成均勻的水膜，紙質(zhì)填料的表面積應(yīng)用不充分，所以效率明顯不高。現(xiàn)在，當(dāng)水量w增加到一定數(shù)值，能使紙質(zhì)填料完全濕潤并在其表面形成均勻的水膜，紙質(zhì)填料的表面積得以充分利用。此時水量對效率的影響很小，基本上可以忽略不計。當(dāng)水量過大時，

9、淋水在填料層上從水膜變?yōu)椴粩嗷涞乃危畬諝馔ǖ赖淖枞麜訃?yán)重，空氣側(cè)的阻力會迅速增加，因此存在一個最佳水量，前面的模型適用于水量充足的情形。 2.4干球溫度和濕球溫度的影響 由圖5可以看出，隨入口干球溫度的升高，效率有所下降，但變化平緩，影響不顯著。 圖6可以看出，隨濕球溫度的升高，效率變化平緩，影響不顯著。 通過上述分析可以看出，在淋水量充分的情況下，入口空氣干球溫度，濕球溫度對蒸發(fā)冷卻效率的影響不顯著，填料厚度和空氣的流速對蒸發(fā)冷卻效率有著決定的影響，當(dāng)L或u變化時，效率將有顯著變化。 3蒸發(fā)冷卻技術(shù)在風(fēng)冷冷水機組中的應(yīng)用 3.1改進(jìn)的風(fēng)冷冷水機組 結(jié)合直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的風(fēng)冷冷水機

10、組示意圖如圖7所示： 讓環(huán)境空氣先經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻器，充分利用干濕球溫差，使其干球溫度有降到（濕球溫差保持不變，空氣狀態(tài)變化過程如圖1所示），再進(jìn)入風(fēng)冷式冷凝器。由于進(jìn)入 冷凝器的作為冷卻介質(zhì)的空氣溫度下降，相應(yīng)地冷凝溫度也下降，輸入功率減少，制冷量增加，而且直接蒸發(fā)冷卻基本上不消耗電能，因此使系統(tǒng)的COP有較大提高。 盡管被直接蒸發(fā)冷卻的空氣含濕量增加，但是質(zhì)量很好的直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備其出風(fēng)口可以不帶水，保持風(fēng)冷冷凝器肋片間的干燥，對傳熱過程無不良影響。 3.2改進(jìn)系統(tǒng)的性能評價指標(biāo) 為了更好地說明直接蒸發(fā)冷卻對風(fēng)冷冷水機組性能的改善，并消除冷水機組的個體性能和不同運行工況，對分析結(jié)果的影響，

11、我們采用了基于相對值的性能評價指標(biāo)：性能系數(shù)（COP）增加的百分?jǐn)?shù)用aCOP來表示，制冷量增加的百分?jǐn)?shù)用a表示，功率減少的百分?jǐn)?shù)用aP表示，它們分別定義如下： ；其中：，分別表示不采用直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)時的制冷量，功率和性能系數(shù)。，分別表示采用直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)時的制冷量，功率和性能系數(shù)。 3.3風(fēng)冷冷水機組的性能分析 以p5G144DBE型壓縮機的風(fēng)冷式冷水機組為研究對象，在環(huán)境溫度從25變化到40時，制冷量和 輸入功率及COP見表1。 表1風(fēng)冷冷水機組性能表環(huán)境溫度() 制冷量（KW） 輸入功率（KW） COP 環(huán)境溫度() 制冷量（KW） 輸入功率(KW） COP 40 26.96 12.1

12、6 2.218 32 30.56 11.37 2.687 39 27.41 12.06 2.273 31 31.02 11.27 2.752 38 27.86 11.96 2.329 30 31.47 11.17 2.817 37 28.31 11.86 2.386 29 31.90 11.07 2.883 36 28.76 11.76 2.444 28 32.38 10.97 2.950 35 29.21 11.67 2.504 27 32.83 10.87 3.019 34 29.66 11.57 2.564 26 33.29 10.77 3.090 33 30.11 11.47 2.62

13、5 25 33.75 10.67 3.161 由上表中的數(shù)據(jù)可知，環(huán)境溫度每變化1，則使制冷量增加大約1.7%，輸入功率減少1.2%，COP增加3.1%。如果使環(huán)境空氣先經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻降溫，其結(jié)果必然將會使冷水機組的COP得到明顯的改善。 3.4改進(jìn)系統(tǒng)在全國各城市的性能分析 為了評估改進(jìn)系統(tǒng)在我國各城市的實用效果，我們對改進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，得出了如下頁表2所示的數(shù)據(jù)。 表2改進(jìn)系統(tǒng)性能表城市 a aP acop 北京 33.2 26.4 0.918 9.44 5.69 15.67 大連 28.4 25 0.927 4.47 2.94 7.54 廣州 33.5 27.7 0.914 8.0

14、4 4.77 13.19 哈爾濱 30.3 23.4 0.921 9.23 5.94 15.72 昆明 25.8 19.9 0.871 6.99 4.90 12.23 蘭州 30.5 20.2 0.894 13.39 8.81 23.38 南京 35 28.3 0.911 9.46 5.45 15.42 上海 34 28.2 0.911 8.07 4.73 13.18 沈陽 31.4 25.4 0.921 8.15 5.10 13.68 天津 33.4 26.9 0.917 9.03 5.41 14.93 烏魯木齊 34.1 18.5 0.894 21.37 13.48 37.73 武漢 35

15、.2 28.2 0.911 9.92 5.70 16.18 西安 35.2 26 0.917 13.14 7.70 21.85 香港 32.4 27.3 0.916 6.98 4.23 11.50 重慶 36.5 27.3 0.914 13.34 7.56 21.91 表4-2中表示夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度，表示濕球溫度，表示直接蒸發(fā)冷卻效率，a表示制冷量增加的百分?jǐn)?shù)，aP表示輸入功率減少的百分?jǐn)?shù)，aCOP表示COP增加的百分?jǐn)?shù)。 從上表可以看出：在計算的所有城市中，改進(jìn)的風(fēng)冷冷水機組的COP均有所提高，制冷量都有不同程度的增加，輸入功率都有減少。在一些沿海城市如大連，香港等地COP增幅較

16、小，約為7%到12%，制冷量增加百分比為4%8%，功率減少的百分?jǐn)?shù)為3%到4%；環(huán)境空氣干濕球溫差較大的我國西北地區(qū)，COP增幅最大，其中烏魯木齊高達(dá)37.73%，蘭州高達(dá)23.38%，西安高達(dá)21.85%，制冷量增加的百分?jǐn)?shù)分別為21.37%、13.14%和13.39%，輸入功率減少的百分?jǐn)?shù)為10%左右；絕大部分城市的COP增幅為10%到16%，制冷量增加8%到10%，輸入功率減少為5%到10%。COP值明顯提高，是由于雙向得益；制冷量的增加和輸入功率的下降。改進(jìn)系統(tǒng)基本上適用于我國的所有城市，在我國具有廣泛的應(yīng)用前景。 3.5改進(jìn)系統(tǒng)的性能影響因素干濕球溫差 改進(jìn)系統(tǒng)與一般的風(fēng)冷式冷水機組

17、相比，其最大的不同是利用了直接蒸發(fā)冷卻器，對進(jìn)入冷凝器的空氣進(jìn)行了預(yù)冷卻，充分利用了自然環(huán)境中的空氣的干濕球溫差。干濕球溫差是改進(jìn)系統(tǒng)性能的主要影響因素。 由圖10、11、12可見，隨著干濕球溫差的增大，制冷量直線上升，功率消耗顯著下降，COP明顯增加。干濕球溫差越大，直接蒸發(fā)冷卻效果越明顯，風(fēng)冷冷水機組性能提高越明顯。 4結(jié)論 利用波紋紙質(zhì)填料作為直接蒸發(fā)冷卻器填料是可行的，用它來處理空氣，熱濕交換充分，冷卻效率高。影響直接蒸發(fā)冷卻器效率的主要因素是空氣的迎面流速和填料層的厚度，水量和進(jìn)口空氣的干濕球溫度影響不大。 將蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)冷冷水機組中，能夠有效的增加系統(tǒng)的制冷量和減小輸入功率

18、，從而提高系統(tǒng)的COP，這是一種行之有效的節(jié)能措施，在我國具有廣泛的應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn)(References) 【1】TohnR.Watt.Coolingourtomorrowseconomically,ASHRAEJournal. 【2】AzmiKaya.Improvingefficiencyinexistingchillerswithoptimizationtechnology,ASHRAEJournal. 【3】HunhoHwang,ReinhardRadermacherandWilliankopko,Anecperimentalevaluationofaresidential_sized,evaporativelycooledcondenser,InternatonalJournalofRefrigeration,Volume24,Issue3,May2001,Pages238249. 【4】D.Pearlmutter,E.Erell,Y.Etzion,I.A.Meir,H.Di,Refinetheuseoftheevaporationinanexperimentaldown-draftcooltower,EnergyandBuildings23(1996)191-1