潔凈室中蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

1 直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)

1.1 蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀

蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)是一種環(huán)保、高效、節(jié)能的冷卻技術(shù)。由于其無以倫比的優(yōu)越性，引起了各國科學(xué)家對蒸發(fā)冷卻技術(shù)研究工作的關(guān)注 。在我國，將蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)作為自然冷源替代人工冷源的研究早在20世紀(jì)60年代已引起國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注。20世紀(jì)80年代至90年代，我國對蒸發(fā)冷卻技術(shù)的研究主要集中在同濟(jì)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)等高校，主要研究蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的傳遞過程理論分析、熱濕交換計算、填料性能以及其他相關(guān)試驗。與此同時，哈爾濱空調(diào)廠生產(chǎn)出第一臺填料蒸發(fā)式空氣冷卻機(jī)，新疆綠色使者有限公司開發(fā)出了親水性鋁填料直接蒸發(fā)冷卻器等系列產(chǎn)品，福建奧藍(lán)集團(tuán)開發(fā)出了系列蒸發(fā)冷卻機(jī)。進(jìn)入21世紀(jì)，西安工程大學(xué)以黃翔老師為領(lǐng)頭人的蒸發(fā)冷卻團(tuán)隊對蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)進(jìn)行了大量的實驗研究和推廣應(yīng)用工作，并取得了可喜的成績。目前，蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)已經(jīng)在新疆、甘肅、寧夏、青海等西北地區(qū)以及廣東、福建、浙江等沿海地區(qū)得到推廣應(yīng)用。

1.2 蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)概述

蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)是利用水的蒸發(fā)取得能量，不必將蒸發(fā)后的水蒸汽再進(jìn)行壓縮、冷凝回到液態(tài)水后再進(jìn)行蒸發(fā)，一般可以直接補(bǔ)充水分來維持蒸發(fā)冷卻過程的進(jìn)行。由于是以水作為制冷劑的，不使用 CFC，所以不會對臭氧層造成破壞，無溫室效應(yīng)，對大氣無污染，同時可以直接采用全新風(fēng)，排走室內(nèi)的有害物質(zhì)，有一定的去除污染物的能力，可以改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。而且其制冷不需要消耗壓縮功，所消耗的能量只有水泵和風(fēng)機(jī)的能耗，COP 高于常規(guī)的機(jī)械制冷系統(tǒng)，因此非常節(jié)能。在經(jīng)濟(jì)方面，蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)設(shè)備簡單，投資少，運行費用低且操作簡單。被稱為“零費用制冷技術(shù)”、“綠色空調(diào)”和“仿生空調(diào)”。表1 對蒸發(fā)冷卻技術(shù)與常規(guī)的機(jī)械制冷技術(shù)進(jìn)行了比較，可以看出，與機(jī)械制冷相比，蒸發(fā)冷卻技術(shù)在節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)及提高室內(nèi)空氣品質(zhì)等方面具有明顯的優(yōu)勢。但同時它也存在一些不足之處，如不具有除濕功能，冷卻空氣的能力受氣候環(huán)境的影響等。所以，在應(yīng)用中，可以將蒸發(fā)冷卻技術(shù)與機(jī)械制冷有機(jī)地結(jié)合起來，相互取長補(bǔ)短，發(fā)揮各自的優(yōu)點[10]。直接蒸發(fā)冷卻是蒸發(fā)冷卻技術(shù)的一種重要形式，是指空氣與大面積的水直接接觸，由于水的蒸發(fā)，空氣與水的溫度都降低，且空氣的含濕量有所增加，空氣的顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱，這是一個絕熱加濕過程。直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)是一種新穎的空調(diào)設(shè)備，具有節(jié)能、環(huán)保、送風(fēng)品質(zhì)高等優(yōu)點。該機(jī)組結(jié)構(gòu)非常簡單，如圖 1 所示，主要由填料、水泵、風(fēng)機(jī)、集水箱及供水系統(tǒng)組成。其工作原理如圖2所示，它是利用循環(huán)水直接噴淋未飽和濕空氣形成的降溫、增濕、等焓過程，其變化過程如圖3 所示。圖中：tgw為空氣干球溫度；tgo為絕熱條件下空氣被冷卻的溫度；tsw為空氣濕球溫度；hw為等焓線。

2 常見的幾種直接蒸發(fā)冷卻填料研究分析

2.1 填料在直接蒸發(fā)冷卻器中的作用

填料是直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)的核心，它提供了空氣和水直接進(jìn)行熱濕交換的界面，直接蒸發(fā)冷卻器通過在填料頂部噴淋循環(huán)水，使流經(jīng)換熱器的空氣與填料表面的水膜直接接觸進(jìn)行熱濕交換，使水和空氣接觸均勻，同時增大了接觸面積、延長了接觸時間，是直接蒸發(fā)冷卻器中的一個關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接影響到換熱器的效率，進(jìn)而影響到最終的冷卻效果。填料在直接蒸發(fā)冷卻器中的作用主要有以下功能：

（1）降溫。進(jìn)入直接蒸發(fā)冷卻器中的空氣與填料表面直接接觸進(jìn)行熱濕交換降低空氣溫度。

（2）加濕。作為濕膜加濕器對空氣加濕，同時提高了空調(diào)房間的舒適性。

（3）過濾出塵。有效去除空氣中的粉塵以及氣態(tài)污染物，對凈化室內(nèi)空氣起到了一定的作用。

因此，直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)的研究，主要是填料的傳熱傳濕及凈化性能的研究。

2.2 幾種常用填料的性能對比

目前常見的填料有無機(jī)填料（以 GLASdek 為典型代表）、有機(jī)填料（以 CELdek 為典型代表）、金屬填料（不銹鋼或鋁箔）等。無機(jī)填料是以玻璃纖維為基材，經(jīng)特殊成分樹脂浸泡，再經(jīng)燒結(jié)處理的高分子復(fù)合材料；有機(jī)填料是由加入了特殊化學(xué)原料的植物纖維紙漿制成的；金屬填料主要由鋁箔和不銹鋼制成，其材質(zhì)的特殊性決定了其吸濕性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于無機(jī)填料和有機(jī)填料，但其耐腐蝕性能優(yōu)于上述兩種填料。

對于填料的分析研究，一定要清楚各種填料的基本特性以及對蒸發(fā)冷卻效率的影響。冷卻效率的影響因素如式1所示。西安工程大學(xué)的宣永梅對直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)用填料的性能進(jìn)行了分析評價，其性能對比如表 2。填料的熱工性能的優(yōu)劣直接會影響到填料的總體性能，關(guān)系著降溫加濕效果以及直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)的外形尺寸，它與其結(jié)構(gòu)、填充方式、吸濕能力、比表面積等因素有關(guān)，各種不同填料熱工性能對比如表 3 所示。無機(jī)填料是由強(qiáng)吸水性材料制成，所以其具有良好的濕挺度，不隨水流、氣流的作用而分解，抗霉、耐腐蝕、阻燃、易清潔、使用壽命長等優(yōu)點，但發(fā)脆易碰碎，在運輸與安裝過程中容易造成損

壞；有機(jī)填料由于由植物纖維紙漿制成，其熱工性能好，價格便宜，化學(xué)成分不會隨著水流、氣流的作用而分解，具有易清潔、使用壽命長等良好性能，但它易燃且濕挺度較差并且容易被撕破；金屬填料選用很薄的不銹鋼板或鋁箔作為原料，結(jié)構(gòu)上設(shè)計了空氣與水交叉流動的結(jié)構(gòu)，阻力小，但其吸濕性較差。填料的防腐性能決定著空調(diào)機(jī)能否健康以及其壽命長短，無機(jī)填料與金屬填料耐腐蝕性良好，有機(jī)填料自身耐腐蝕性差，需要進(jìn)行抗腐浸漬處理；物理性能如密度、濕挺度及強(qiáng)度，其中濕挺度較為重要，金屬填料的材質(zhì)決定它的濕挺度較好，強(qiáng)度較好，經(jīng)久耐用[4]。式中：V 為迎面風(fēng)速；á為空氣與濕膜表面間的換熱系數(shù)；δ為填料厚度；為填料的比表面積；a為空氣密度；Cp為干空氣的定壓比熱。

由此可見，填料的比表面積及其厚度均影響著直接蒸發(fā)冷卻的冷卻效率，對填料的分析研究甚為重要。

3 直接蒸發(fā)冷卻填料的選擇及應(yīng)用

3.1 填料的選擇

選擇填料一定要注意不同填料的特性。

不同填料構(gòu)成的直接蒸發(fā)冷卻器的降溫性能不同，表 3 即為 3 種主要填料的降溫性能對比。由于填料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，理論上很難確定空氣與水膜直接接觸時的換熱系數(shù)，通常以實驗為基礎(chǔ)為直接蒸發(fā)冷卻的理論計算和分析奠定基礎(chǔ)。東南大學(xué)的蔣毅、張小松等人對無機(jī)填料進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，采用無機(jī)填料作為直接蒸發(fā)冷卻填料處理空氣時，冷卻效率高，空氣阻力較小，實用性好，例如，當(dāng)空氣流速為2 m/s，填料厚度為200 mm 時，冷卻效率為 85% 左右，空氣阻力為 60 Pa。解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院的魏征、耿世彬?qū)τ袡C(jī)填料直接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明，填料冷卻效率主要與空氣流速、填料厚度和噴淋水量有關(guān)，當(dāng)噴淋水量足夠多時，冷卻效率取決于空氣流速和填料厚度；填料阻力和體積換熱系數(shù)主要取決于空氣流速，噴淋水量對阻力影響可忽略不計，并且當(dāng)噴淋水量足夠時，體積換熱系數(shù)存在一個最大值。有機(jī)填料的典型代表Celdek 有最優(yōu)使用參

數(shù)：厚度 300 mm，空氣流速 3 m/s，噴淋水量2/9 kg/m3?s，此時填料的冷卻效率在 95% 以上，阻力小于40 Pa，沒有雛鳳帶水現(xiàn)象[3]。但有機(jī)填料易撕碎。天津大學(xué)的張歡、由世俊對金屬填料型直接蒸發(fā)冷卻裝置在空氣處理機(jī)組中的應(yīng)用進(jìn)行了分析研究，實驗結(jié)果表明金屬填料具有效率高、耐腐蝕等優(yōu)點，是一種性能良好的空氣熱濕處理設(shè)備，并建議其迎面風(fēng)速在2.2 m/s ~2.8 m/s，綜合考慮填料的熱質(zhì)傳遞性能和阻力，建議比表面積為 500m2/m3

，空氣流動方向長為 500 mm，厚度選用 500mm~800 mm 是最佳的。并且金屬填料表面沖孔和軋制小紋，有助于提高填料表面的潤濕性能，提高換熱、傳質(zhì)效率。這些結(jié)論為填料在空調(diào)領(lǐng)域的選擇和應(yīng)用以及新產(chǎn)品的開發(fā)提供了良好的基礎(chǔ)。

3.2 填料的應(yīng)用

利用填料實現(xiàn)空氣的絕熱蒸發(fā)冷卻，在其過程中無需制冷能耗即可實現(xiàn)空調(diào)降溫，有利于空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能，同時還具有加濕的功能，利用其過濾作用，可對空氣進(jìn)行凈化，在由空氣傳播傳染病的疫情期，可采用加消毒液的方法殺滅空氣中的細(xì)菌病毒，防止細(xì)菌和病毒借助集中式空調(diào)系統(tǒng)傳播。但不同材質(zhì)的填料其性能差別很大，如有機(jī)填料比表面積大，吸濕性較金屬填料好，但耐腐蝕性和濕挺度較差、而且對噴淋水質(zhì)要求嚴(yán)格，水質(zhì)不好時容易結(jié)垢，堵塞；無機(jī)填料吸濕性好，耐腐蝕性也較紙質(zhì)填料好，但較脆，在安裝運輸過程中容易被碰碎；金屬填料防腐性和濕挺度較好，但其吸濕性較差。目前有機(jī)填料國外主要應(yīng)用在動物、家禽飼養(yǎng)和溫室降溫中，金屬填料在石油化工領(lǐng)域應(yīng)用頗為廣泛。而且填料作為洗滌式空氣過濾器使用也是一種無污染、高效率、低阻力、高可靠性和易操作的空氣凈化裝置。可用于辦公樓、候機(jī)樓、賓館等中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的過濾凈化，尤其是它的低阻力，特別適用于既有空調(diào)系統(tǒng)的改造，又可代替現(xiàn)有的粗效過濾器[1]。

4 結(jié)語

通過對幾種常用的直接蒸發(fā)冷卻器填料進(jìn)行對比分析，我們了解了各種不同填料的性能及其優(yōu)缺點、使用情況。我們必須不斷努力，使填料得到充分利用，同時努力開發(fā)新材料，提高直接蒸發(fā)冷卻器效率，節(jié)約能源，彌補(bǔ)各種填料的不足。