用直接蒸發(fā)冷卻提高風(fēng)冷冷水機(jī)組性能的初步研究

1、用直接蒸發(fā)冷卻提高風(fēng)冷冷水機(jī)組性能的初步研究         05-12-09 16:50:00     作者：蔣毅 張小松    編輯：studa20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(jī)組中，對(duì)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(duì)改進(jìn)系統(tǒng)在我國(guó)條件下的應(yīng)用前景進(jìn)行了預(yù)測(cè)。 關(guān)鍵詞： 風(fēng)冷冷水機(jī)組 直接蒸發(fā)冷卻 紙質(zhì)填料 空氣調(diào)節(jié) 節(jié)

2、能 1 前言隨著社會(huì)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(duì)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(duì)環(huán)境無(wú)破壞作用。將直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)冷冷水機(jī)組，利用蒸發(fā)冷卻對(duì)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(duì)此作了實(shí)驗(yàn)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，

3、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(duì)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(jī)組中，對(duì)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(duì)改進(jìn)系統(tǒng)在我國(guó)條件下的應(yīng)用前景進(jìn)行了預(yù)測(cè)。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)冷卻是指循環(huán)水與空氣直接接觸，利用水蒸發(fā)吸熱對(duì)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

4、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(shí)，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(shí)被加濕，焓值基本不變?？諝獾臓顟B(tài)變化過(guò)程如圖1所示。 1點(diǎn)表示空氣處理前的狀態(tài)，2點(diǎn)表示處理后的狀態(tài)，1、2、3近似為一條等焓線?？梢杂谜舭l(fā)冷卻效率來(lái)評(píng)價(jià)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(jiǎn)化計(jì)

5、算，作了如下假設(shè)： （a）水膜厚度均勻，整個(gè)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(lái)計(jì)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(méi)有進(jìn)漏風(fēng)處，空氣流速U恒定。 （c）由于水的液體熱相對(duì)于水的汽化潛熱很小，可忽略不計(jì)。2.2.1 質(zhì)量方程 水的蒸發(fā)量=濕空氣含濕量的增加量 （1） 其中：為按水蒸汽密度差計(jì)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(duì)應(yīng)的飽和水蒸氣分壓力為，則通過(guò)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

6、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(yùn)動(dòng)粘度;Sc為史密特?cái)?shù),，式中是水蒸汽在空氣中的質(zhì)量擴(kuò)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，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

7、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(duì)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 蒸發(fā)冷卻效率的影響因素 2.3.1 空氣流速u對(duì)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(shí)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(shuō)明用該填料處理空氣時(shí)，空氣的迎面流速要選取恰當(dāng)，過(guò)小會(huì)造成設(shè)備體積龐大，過(guò)大會(huì)造成效率低且阻力明顯增

8、大?？諝獾挠媪魉僭?.0m/s左右為宜。2.3.2 填料厚度L對(duì)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(shí)，效率已達(dá)到0.8以上，以后當(dāng)L繼續(xù)增加時(shí)，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(duì)空氣的處理已經(jīng)毫無(wú)意義?？紤]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(huì)造成設(shè)備體積龐大，同時(shí)空氣阻力也會(huì)明顯加大，增加風(fēng)機(jī)的能耗和噪聲。 2.3.3 水量w對(duì)效率的影響 雖然直接蒸發(fā)冷卻的模型及求解過(guò)程中，并未出現(xiàn)w這一變量，實(shí)際上水量w對(duì)效率的影響是確實(shí)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(rùn)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?，F(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(rùn)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(shí)水量對(duì)效率的影響很小，基本上可以忽略不計(jì)。當(dāng)水量過(guò)大時(shí)，淋水在填料層上從水膜變?yōu)椴粩嗷涞乃?，水?duì)空氣通道的阻塞會(huì)愈加嚴(yán)重，空氣側(cè)的阻力會(huì)迅速增加，因此存在一個(gè)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，