第10卷󰀁第1期制冷与空调2010年2月REFRIGERATIONANDAIRCONDITIONING17󰀁22

收稿日期:2009󰀁08󰀁31通信作者:张强,Email:zhangqiang1985@emails.bjut.edu.cn露点间接蒸发冷却技术的研究进展及

现状分析

张强1)󰀁郝玉涛2)󰀁杨双1)󰀁马清波1)

1)(北京工业大学)󰀁2)(国核电力规划设计研究院)

摘󰀁要󰀁露点间接蒸发冷却技术是一种能将冷却器的入口空气降到对应的露点状态的水蒸发冷却技术,具有较高的研究意义及广阔的应用前景。根据目前这一技术的研发情况,本文较为详细地介绍露点间接蒸发冷却相关的最新研究进展,提出直流式、叉流式和逆流式露点间接蒸发冷却器3种基本结构。考虑其作为制冷通风空调的一种,送风状态是受到限制的,结合露点间接蒸发冷却技术固有的特点,对其送风状态进行分析,并说明这种冷却器的应用条件及场合。关键词󰀁露点;间接蒸发冷却;制冷;空调

Researchprogressandpresentsituationanalysisofdewpoint

indirectevaporativecoolingtechnology

ZhangQiang1)󰀁HaoYutao2)󰀁YangShuang1)󰀁MaQingbo1)

1)(BeijingUniversityofTechnology)2)(StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchInstitute)

ABSTRACT󰀁Dewpointindirectevaporativecoolingtechnologyisawaterevaporative

coolingtechnologywhichcancoolinletairdowntothecorrespondingdewpointstatusandhasthehighvaluesofresearchandbroadapplicationprospects.Basedoncurrentresearch

anddevelopmentofthistechnology,givesaparticulardescriptionofthelatestresearchandprogressofthedewpointindirectevaporativecooling,andputsforwardthreebasic

structuresincludingDC󰀁style,cross󰀁flowandcounter󰀁flowdewpointindirectevaporativecooler.Consideringitasadeviceofventilationandair󰀁conditioning,restrictsthestatusof

airsupply,andcombininginherentcharacteristicsofdewpointindirectevaporativecoolingtech󰀁nology,analyzesitsstatusofairsupply,andgivestheapplicableconditionsandoccasions.

KEYWORDS󰀁dewpoint;indirectevaporativecooling;refrigeration;air󰀁conditioning

󰀁󰀁2003年,在第四届暖通空调国际研讨会上,俄

罗斯的ValeriyMaisotsenko博士发表了󰀁The

Maisotsenkocycleforairdesiccantcooling󰀁。MAISOTSENKO循环可谓是热力学的一个突破,

它利用空气中自然清洁的能源或湿能来降温冷却,可以在不使用压缩机和制冷剂的情况下,将任

何气体和液体冷却到接近露点温度[1],可将其应用于水蒸发制冷领域,也就是露点间接蒸发冷却。

在MAISOTSENKO循环指引下,国内对露点间接蒸发冷却的研究开始出现并逐渐深入。目前已

有了实验机及其实验性应用,也有了几个相关的

国家专利。随着各种露点间接蒸发冷却器的出现及性能的不断完善,其工程实际应用也变得越来

越现实。由于露点间接蒸发冷却器能实现比其他水蒸发冷却器更大的温降,且保持含湿量不变,因

此具有更大的应用范围,在不久的将来可能大量应用于工业工程及普通民用建筑。笔者梳理了露

点间接蒸发冷却技术的最新研究情况,总结性提󰀁󰀁18󰀁󰀂制󰀁冷󰀁与󰀁空󰀁调第10卷󰀁

出露点间接蒸发冷却器的3种基本结构,分析探讨露点间接蒸发冷却器的送风状态。

1󰀁露点间接蒸发冷却技术的最新研究情况

露点间接蒸发冷却技术是利用空气的干球温度和不断降低的湿球温度之差进行换热,最终能

够提供干球温度比室外湿球温度低且接近露点温度的空气,温降较大。

目前所用的露点间接蒸发冷却器多为板翅式,由纵向干空气通道和横向湿空气通道组成,纵

向干空气通道中的空气湿度不变,但纵向通道的中间有小气孔,流经此处的空气可以穿过气孔流

入横向湿空气通道,并与湿空气通道内原有空气一起被绝热加湿,自身温度降低,进而对纵向通道

中的空气进行等湿冷却,直至其接近露点温度。其原理如图1所示。

图1󰀁露点间接蒸发冷却工作原理图

当气流被风机吹入冷却器纵向干通道板时,

首先被其湿侧进行初步冷却,状态从1变化到2。由于干通道板的中间有小气孔,所以一部分一次

空气穿过这些气孔流入横向湿通道板中,与湿通

道中的原有空气一起作为二次空气,则流入湿侧

的一次气流与水进行热湿交换,达到状态2的湿球

温度2󰀁。同时,由于湿通道水分蒸发,吸收干通道

内热量,状态从2󰀁到2󰀁,一次空气等湿冷却,故从

状态2到3。随着流入湿侧的气体流量不断增大,

一次空气进一步得到显性冷却,状态从3变化至4,而二次空气继续经加湿、饱和、升温,状态从3󰀁

变化到3󰀁。如此下去,直至一次空气被等湿冷却

到初始状态1的湿球温度以下且接近其露点温度

状态n,并保持湿度不变。二次空气从横向湿通道

板的两侧排出[2]。

X.Zhao等对用于露点蒸发冷却的一种新型

的逆流式换热器进行了详细的数值研究,通过数值模拟优化冷却器的结构参数和运行条件,以便提高冷却效率,使能源利用效率最大化。模拟结

果表明,冷却效率和能源利用效率主要取决于气流通道尺寸、气流速度及工作气体流量与进气量

之比,而与供水温度关系很小。笔者建议进气流

速应控制在0.3~0.5m/s以下,气流通道截面尺寸高度方向应在6mm以下,工作气体流量与进气

量之比应在0.4左右。以英国夏季为气候条件,这种露点蒸发冷却设备的湿球效率可高达130%,露

点效率也达到了90%[3]。

陈俊萍等从理论上分析了露点间接蒸发冷却

器的传热传质过程,对其一、二次空气进行分析,建立数学模型和控制方程,并搭建了样机测试实

验台,测试结果表明:出口干球温度受进口湿球温

度、进口焓值、进口干球温度的影响较大,成正相关关系;一、二次风量最佳比值为1.48:1时冷却器

的效率最高。并在相同测试条件下,比较了几种

间接蒸发冷却器的性能,在同风量下,露点间接蒸发冷却器的阻力比管式和热管式间接蒸发冷却器

大,但露点间接蒸发冷却器湿球效率比管式间接

蒸发冷却器高10%,比热管间接蒸发冷却器高20%,露点效率比韩国同类冷却器高5.4%,且效

率还有提升空间[4]。

Maisotsenko提出了一种露点间接蒸发冷却

器,这种冷却器由一些铺附有纤维素复合纤维材料的平板组成,这样做可以达到均匀吸水的目的,

不需要太多的水就可以在换热器内形成均匀的湿

表面,加强一次空气热量转移。纤维素材料的自然吸水性也有助于防止水在湿表面的聚集[1]。它

使用的是位于每一个湿润通道中复杂而昂贵的喷

头,而其干通道侧包附有挤压成型的聚乙烯。使用聚乙烯是因为它在厚度方向的低热阻性能有利

于干侧和湿侧之间的热交换,同时在宽度和长度

方向能够有较高的热阻,则一次空气热量不易向前方传递。该产品的中间通道有穿孔,成V型,角

度很大。从有穿孔处经过的空气在最末端有挡板

挡住,即不作为送风,只能从气孔处进入湿通道,以交叉流的方式在上、下侧面流经出风通道。

Maisotsenko还设计了另一种露点间接蒸发

冷却器,将换热的薄塑料板制成小斜坡型,两侧对称形成向上或向下的角度-10󰀁~+10󰀁之间,使其

横向传热以产生有效的芯吸作用。芯吸层可包括

以下材料中的一种:纤维素、有机纤维、有机基纤维、泡沫塑料、碳基纤维、聚酯、聚丙烯、玻璃纤维、󰀁第1期张强等:露点间接蒸发冷却技术的研究进展及现状分析󰀁19󰀁󰀂󰀁

硅基纤维以及这些物质的组合。该芯吸层可基本

上覆盖湿润侧的整个表面积[5]。供水的是供给器芯吸部件。它的穿孔可为圆形或多角形(如倒圆

角),通过防止紊流,可使得通过间接蒸发冷却器

的压降最小。从穿孔处经过的气流在最末端也被挡住,不作为送风。其板翼以-10󰀁~+10󰀁从中心

向上或向下倾斜。向下倾斜的优势在于由于重力

的作用,液体将更容易到达边缘,即使增加板翼的长度也同样可以润湿,并且有助于减小含有矿物

质的液体在板上积累的程度。缺点是多余的被冷

却的水形成液滴向下排走,浪费冷源,降低了蒸发冷却器的效率。向上倾斜,很可能到达边缘的水

不够,导致冷却潜能的损失和矿物质积累在干燥

边缘处。J󰀁A󰀁M󰀁赖因德斯申请了一种露点冷却器

的专利,包括2个通过热传导壁部相互连接的介质

回路,第一介质回路,以及通过一个至少部分传热的壁部而与该第一介质回路热连接的第二介质回

路。2种单独的介质可以通过这2个回路逆流流

动,其中,至少该第二介质包含一种气体,例如空气,其相对湿度小于100%,2种介质可通过该介质

回路流动,其中次要介质包括气体,壁部包括传导

热的突出部分;其中壁部和突出部分被亲水性的涂层所覆盖,该亲水性的涂层可以吸收可蒸发的

液体,并通过蒸发再次将其释放,使得润湿的涂层

以及热传导表面和突出部分被冷却;一个润湿单元,通过从涂层上蒸发液体而使用可蒸发的液体

将次要介质润湿,使得次要介质所含有的被蒸发

的液体通过热传导壁部从主要介质中吸取热量。该涂层包括多孔工艺的陶瓷材料(例如矿物棉)[6]。

W󰀁梅杰发明设计了一种露点冷却设备用于

冷却气流,该设备至少有一个冷却通道,该冷却通

道具有用于冷却气流的流入开口和用于已冷却气流的流出开口,至少一个蒸发通道,该蒸发通道与

冷却通道被传导壁所分离,并且所述蒸发通道具有流入开口和流出开口,其流入开口与冷却通道

的流出开口相连,用于湿润传导壁朝向蒸发通道

一侧的装置,其特征在于,用于对冷却通道内的气

流除湿的装置[7]。袁一军发明了一种多级再生式多通道冷却方

法及其换热器,一股或多股气流流入多通道换热

板的干侧,被逐渐冷却,其中部分依次通过干湿侧之间的通孔依次进入湿侧,加湿、饱和、升温后排出,另一部分直接从干侧排出[8]。

黄翔等发明的露点板式间接蒸发冷却器,包括相连接的预冷段和冷却段构成的板式冷却器机

芯和供水装置,预冷段和冷却段内相折叠的隔层

构成空气通道,相对布置的光面之间构成一次空气通道,相对布置的毛面之间构成二次空气通道,

构成一次空气通道的隔层的内部有轧制多个水平

流向波纹流道的夹层,构成二次空气通道的隔层的内部有轧制多个弯曲流道的夹层,冷却段内隔

层的下部设置有多个通孔,构成一次空气通道的

隔层的顶部折叠出一凹槽,供水装置(包括预冷段和冷却段)上、下方分别设置喷淋水管和蓄水池,

并且蓄水池在预冷段和冷却段之间由隔板相间

隔。该发明的结构使换热效率大大提高,出风空气温度接近露点,并且湿通道壁面水膜分布更加

均匀[9]。

黄翔等还发明了一种方形多孔陶瓷立管式露点间接蒸发冷却器。包括冷却器壳体内设置的冷

却器机芯、布水装置、风机以及蓄水池和水泵,冷

却器机芯由多根竖直放置且构成多排多列矩阵形

式的换热管组成,多根换热管组成的矩阵分为3段,且3段换热管的长度按一次进风方向依次递

减,每段换热管之间设置隔板;布水装置包括每根

换热管顶端设置的导流格栅和淋水管。该结构使一次空气水平掠过方形陶瓷管束,二次空气由下

及上流经管内,而一次空气依次穿过机芯的3段,这样在不同段进入二次空气通道的空气温度逐渐

降低,与水进行热湿交换后的最终湿球温度会逐

渐降低。该发明的结构使热湿交换效率大大提

高,布水更加均匀,使出风空气温度逼进露点[10]。2󰀁露点间接蒸发冷却器3种基本结构的分析

从上述的露点间接蒸发冷却技术的最新研究

情况可以看出,许多研究成果利用的基本原理都是一样的,就是利用不断降低的湿球温度来冷却

室外干空气,使出风接近甚至达到室外空气的露

点状态。但所谓条条大道通罗马,学者专家们设计了很多结构以实现这一目的。笔者对其进行整

理与提炼,总结出3种基本结构,并做简要分析。

2.1󰀁直流式露点间接蒸发冷却器直流式露点间接蒸发冷却器基本上就是若干

普通间接蒸发冷却器的串联,其作用也是使从第

一个冷却器到最后一个冷却器的入口气流温度逐渐降低,达到整个冷却器出风状态接近初始空气