消除工业余热应用中影响蒸发冷却组合形式选择的因素分析

丁付林,吴志湘

(西安工程大学,西安710048)

0 引 言

近年来,随着能源的紧缺情况越来越严重,我国也开始重视节能减排,并不断提倡和加大节能减排项目的建设工作。蒸发冷却空调技术是一种利用干空气能来制冷的制冷技术,干空气能为可再生能源,取之不尽用之不竭。蒸发冷却利用水作为制冷剂,不使用氟利昂等制冷剂,无污染;因此该技术具有节能、环保、舒适等优点在我国得到一定发展,在一些地区的应用也得到较好的效果,尤其在对室内温湿度要求不严格的场所有较为广泛的应用,并且达到了良好的效果[1]。

西安工程大学的颜苏芊等人对蒸发冷却技术在我国舒适性空调中的适用性情况做了详细的研究,并总结了蒸发冷却技术在我国适用区域情况,但国内对蒸发冷却技术应用于消除工业余热的研究相对还比较少,还不是很成熟,并且对各种蒸发冷却组合形式在消除工业余热的适用性情况的研究还处于起步阶段。

1 蒸发冷却设备的工作原理及其组合形式

1.1 蒸发冷却技术的工作原理

蒸发冷却技术原理就是利用喷淋循环水与空气进行热交换,通过水的相态变化吸收汽化潜热而实现降温,降低了空气温度,使空气温度接近其湿球温度。蒸发冷却有直接蒸发冷却与间接蒸发冷却,其空气处理原理如图1和图2所示[2]。

1.2 蒸发冷却通风降温设备的组合形式

蒸发冷却通风降温设备的组合形式可以分为直接蒸发冷却形式、间接+直接的二级蒸发冷却组合形式和多级间接+直接的多级蒸发冷却组合形式以及蒸发冷却与机械制冷相复合的组合形式等等[3]。

2 蒸发冷却技术在消除工业余热方面的应用优势

通常情况下,空调系统在这些产生大量余热的工业场合的运用就是为维持室内设备正常运行提供合适的温度,因此维持这些设备正常运行的温度要比舒适性空调温度高得多,而且这些场合对相对湿度没有严格的要求。如果在这些场合使用传统机械制冷的空调形式,虽然能够更好地实现降温,但同时也造成了能源的浪费,增加运行费用,而应用蒸发冷却通风降温系统不但能够为设备提供正常运行所需要的温度,而且避免了由于设备间温度过高而引起的设备运行故障,同时耗能方面它不使用压缩机,仅仅是风机与水泵,能耗低;全空气系统的蒸发冷却空调系统,空气清新,含氧量高,舒适度好。

3 影响蒸发冷却组合形式选择的因素分析

蒸发冷却技术是利用水的蒸发对空气进行冷却降温的,不同的室外空气气象参数下经过蒸发冷却组合设备处理后的空气状态也有着很大的差别,由此可以看出,选用的蒸发冷却组合形式是否能满足送风要求受到室外气象参数的影响。同时,对于全空气系统的蒸发冷却空调系统,为了满足所选用的蒸发冷却系统能在建筑物内得到合理的布置,当不同场所的室内温度和湿度要求不同时,我们就要考虑采用不同的蒸发冷却组合形式,所以蒸发冷却组合形式的选择也受到了室内设计温度的影响。

3.1 室外气象参数对蒸发冷却组合形式的选择影响

在对室外温湿度对蒸发冷却组合形式选择影响的研究过程中,首先要确定大工业余热场所要求的室内设计温度tN,然后由室内余热量、余湿量计算送风量和制冷量。因为建筑结构的渗透得热量相较于室内设备散热量很小,在计算的过程中可以不作考虑。在此基础上对不同室外气象参数对选用蒸发冷却通风降温系统组合形式的影响进行分析。

图3 直接蒸发冷却处理过程

从两个不同室外气象参数下直接蒸发冷却处理过程图中可以看出,室外空气的状态不同条件下,同一台蒸发冷却设备处理的空气终了状态存在很大的差异。处理后的空气是否满足送风要求,我们要进一步的分析。

由送风量和制冷量计算公式:

其中:

Q—蒸发冷却设备制冷量 (kW);

tw—室外夏季空调计算干球温度 (℃)。

从(1)式中可以看出蒸发冷却系统的送风量大小与送风温差有着直接的关系,对于室内设计温度确定的情况下,送风温差的大小受到送风状态点的影响。图1中,当室外状态处于w′点,经直接蒸发冷却处理后的送风状态点落在了O′点,它的送风温差较室外空气状态在w点处的小,所以求得的送风量要比w点处的送风量大,这可能会导致得到的送风量太大而不能合理的布置,而且通过公式 (2)计算的制冷量大小直接影响到蒸发冷却设备的尺寸,设备尺寸过大也会导致设备无法放置。由此可以确定蒸发冷却系统的送风量和制冷量有着密不可分的关系。如果经直接蒸发冷却处理后的送风量过大,风管无法布置;或者蒸发冷却设备尺寸太大而无法放置时,我们都要考虑采用间接+直接或者多级间接+直接的蒸发冷却组合形式。其

其中:

L—送风量 (m3/h);

Q显—房间内显热负荷 (kW);

cp—取1.01kJ/(kg/K);

ρ—空气的密度。取1.2 kg/m3;

tN—室内要求干球温度 (℃);

tO—经蒸发冷却处理后的出风温度 (℃)。分析过程与直接蒸发冷却形式相同,以使所求风量和制冷量满足要求。

3.2 室外气象参数对蒸发冷却组合形式的选择影响的案例分析

某一工业厂房,室内余热量为163kW,室内湿负荷为8.7kg/h,室内要求的温度为30℃,对湿度没有严格的要求,根据室内所能允许布置的风管尺寸,大致推出所能允许的送风量在 65000m3/h左右。

如果该工业厂房处于新疆的乌鲁木齐地区,可查的该地区的室外设计计算参数及蒸发冷却处理后的空气状态参数如表1:

表1 乌鲁木齐地区参数

计算得到该场合的送风量为54241 m3/h,制冷量为135.8kW,室内达到的相对湿度为46.5%。

而如果该工业厂房位于山西的太原地区,要求不变,如果也采用同一台直接蒸发冷却组合形式,可以得出送风量为88267 m3/h,远远超出了该工业厂房所能允许的送风量范围,说明该地区有这种要求的场合不适合采用直接蒸发冷却的组合形式。要考虑采用间接+直接的组合形式。如果采用间接+直接的蒸发冷却组合形式,其处理过程图4所示。

图4 间接+直接蒸发冷却处理过程

可查的该地区的室外设计计算参数及蒸发冷却处理后的空气状态参数如表2。

表2 太原地区参数

计算得到该场合采用间接+直接蒸发冷却组合形式时的送风量为61125m3/h,制冷量为135.8kW,室内达到的相对湿度为65.3%,在其所允许的范围内,说明该种蒸发冷却组合形式适合在该地区的这种场合应用。

从示例中,我们可以看出不同室外气象参数对蒸发冷却组合形式选择的影响。

3.3 室内要求的设计温度对蒸发冷却组合形式选择的影响

图5 直接蒸发冷却处理过程

不同生产性质的工业场合,生产工艺要求的不同,对室内温度要求也会存在差异。由图5和公式(1)、(2)可以看到,当室内余热量一定的情况下,室内要求的设计温度为tN′时,它的送风温差明显小于tN温度要求下的送风温差,这就带来了它的送风量和制冷量大于室内要求的设计温度为tN时的值。为了满足生产工艺的要求以及蒸发冷却系统合理布置的需要,就要选择不同的蒸发冷却组合形式,以达到合适的送风量和制冷量。

3.4 室内要求的设计温度变化对蒸发冷却组合形式选择影响的案例分析

还是处于新疆乌鲁木齐地区的同一个工业厂房,如果它的室内温度要求为26℃,对湿度没有严格的要求,根据厂房内情况得出布置的风管尺寸,从而估计出允许的送风量在65000m3/h左右。

当采用直接蒸发冷却组合形式时,此时根据公式 (1)可求得此时的送风量为148871m3/h,可见此时的送风量太大,无法合理的布置蒸发冷却系统。为了减小送风量和制冷量就要考虑蒸发冷却其他组合形式。

4 结论

(1)简要介绍了蒸发冷却系统在消除工业余热中的应用研究情况,总结了蒸发冷却系统在消除工业余热应用中的优势。

(2)分别分析了室外气象参数和室内要求的设计温度变化对应用于消除工业余热的蒸发冷却组合形式选择的影响,并结合示例加以说明,为今后蒸发冷却系统在此种类型场合的应用选择提供参考。

[1]黄翔,武俊梅等译.蒸发冷却空调技术手册[M].北京:机械工业出版社,2009

[2]黄翔.蒸发冷却空调理论与应用 [M].北京:中国建筑工业出版社,2010

[3]黄翔.国内组合式空气处理机组的研究现状(下)[J].制冷与空调,2007,7(1):1-7