二次加湿蒸发降温系统性能研究

杨昌春， 季旭， 许强强， 王进康， 廖超，徐海洋， 韩景阳, 杨德龙

(1.云南师范大学 能源与环境科学学院；2.云南师范大学 太阳能研究所,云南 昆明 650500)

蒸发冷却空调是利用水蒸发吸热，将室外空气降温、加湿、除尘及过滤后再送入室内的新型节能、环保空调[1-6].但是经过多年的使用还存在一些不足之处，如喷水室与滴水式填料中空气与水膜的接触时间有限，使得热湿交换效率低，因而附加了高压喷雾加湿器，但这种加湿器给水压力一般为0.1～0.5 MPa，在被处理空气温度较低时，喷出水雾蒸发比较困难，加湿效率低，限制其推广及应用.针对这个问题，西安工程大学与南通昆仑空调有限公司合作开发出填料-高压微雾复合式两级直接蒸发冷却空调机组，降温效果显著,该机组与传统的喷水室、填料式喷水室空调机组相比具有高效、节能、净化等优点.李成成等[7]通过对填料-高压微雾与高压微雾-填料方案对比分析，得出填料-高压微雾既充分发挥了填料-高压微雾复合式直接蒸发冷却空调机组中填料蒸发冷却的主导作用，同时又克服了空气与填料接触时间短，冷却效率低的缺点，高压微雾对填料起到很好的补充作用，提高了对空气冷却、加湿的效果.本文搭建了一套基于填料-高压微雾的二次加湿蒸发降温系统，系统研究其降温性能，并分析了干湿球温度、入口风速、相对湿度对二次加湿蒸发降温系统性能的影响.

1 系统原理及性能参数

1.1 系统原理

二次蒸发加湿降温系统是室外空气先经过湿帘，与填料表面的水膜进行充分接触进行热质交换，水吸收空气中的显热蒸发进入空气中使空气加湿、降温，然后进入高压微雾段，雾滴被强制吸收空气中的热量汽化.

蒸发冷却降温的过程如图 2所示，室外空气的原始状态为 1 点，当空气与水接触，在没有其他热量传递给水和空气的情况下，水蒸发所需的潜热全部来自空气，空气的状态变化为一绝热加湿的过程.由于进入空气中的水蒸气在液态下焓值很小(可忽略不计)，因此水在空气中绝热蒸发的过程可近似为一等焓过程.蒸发冷却降温过程中空气的状态将沿等焓线变化，即沿图中的 1-2-3-4 线变化.如果水与空气充分接触蒸发，则空气的状态为相对湿度为 100%的 4 点，该点所对应的温度即为空气的湿球温度.由于蒸发冷却降温的过程实际上不可能进行得彻底，因此经过一次降温空气可能达到的状态为 2 点，经过二次降温，空气状态点可达到3点，与 a 点相比， 其温度下降，焓湿量增大，相对湿度也相应增大了.

1.2 冷却效率

直接蒸发降温的极限是空气的湿球温度，即在最理想的情况下可使空气温度降低至空气湿球温度.在经过直接蒸发冷却装置后，空气能够达到的温度越接近湿球温度，说明其降温过程进行的越充分.通常采用蒸发冷却效率ηDEC[8-11]来评价蒸发冷却装置的降温性能，其定义为

图1 系统原理图

图2 空气冷却过程焓湿图

(1)

为了评价二次加湿蒸发降温系统的降温性能，可依据直接蒸发冷却效率的公式定义为

(2)

式中，tin为进口空气干球温度，℃；tout1为一次出口空气的干球温度，℃；tout2为二次出口空气的干球温度，℃；ts为入口空气湿球温度，℃.

1.3 进出口的温降

Δt1=tin-tout1

(3)

Δt2=tin-tout2

(4)

式中，Δt1为一次出口空气的温降，℃；Δt2为二次出口空气的温降，℃.

1.4 进出口的加湿量

Δd1=dout1-din

(5)

Δd2=dout2-din

(6)

式中，Δd1为一次出口空气的加湿量，g/kg ； Δd2为二次出口空气的加湿量，g/kg ；din为进口空气的含湿量，g/kg；dout1为一次出口空气的含湿量，g/kg；dout2为二次出口空气的含湿量，g/kg.

2 实验系统

2.1 实验装置及实验过程

如图3(a)所示，二次加湿蒸发降温系统包括以下几个部分：水冷模块、冷却箱、通风管道、水管、阀门、风机和水泵.系统中水冷模块外部箱体的尺寸为60 cm×30 cm×70 cm，箱体的左右两边设有3个风口，而在箱体内部上端，有3个直径为20 cm的雾化喷头，雾化喷头通过水管与冷却箱相连，在其下端，置有4个尺寸为30 cm×10 cm×30 cm纤维湿帘，单个湿帘厚度为10 cm，纤维湿帘上方有4个布水器，通过增压水泵将冷却箱内冷却水喷淋在纤维湿帘上，如图3(b)所示.水冷模块对进入的热空气进行两次降温加湿后，先经下层的湿帘进行一次降温加湿，接着进入上层进行二次喷雾降温加湿，两次利用后的水经出水口进入冷却塔冷箱，而后利用水泵将冷却水提升流入进水口循环利用.经过两次彻底降温加湿后的空气经出风口输出.实验过程中，冷却水温度保持为20 ℃，环境温度约为22 ℃，相对湿度为60%，对应的含湿量约为8.3 g/kg.

(a)二次加湿蒸发降温系统实物图

(b)水冷模块

2.2 实验仪器设备

本实验采用Agilent 34970A来进行相关的测量,Agilent 34970A不仅可以对空气的干湿球温度进行测量，而且还可以对空气的相对湿度进行间接测量，通过查阅相关说明书，进行电压信号与相对湿度的转换.入口风速的大小则可通过HT-8392型风速仪进行测量，其测量范围为0.3～45 m/s，精度为±(3%+0.1 m/s)；入口的干球温度及相对湿度可以通过热风仪进行适当地调控.

3 实验结果分析与讨论

3.1 入口空气干球温度对二次加湿蒸发降温系统的影响

在入口风速为1.5 m/s,湿球温度为24 ℃的条件下，通过改变入口空气干球温度(30～38 ℃)对二次加湿蒸发降温系统进行研究(如图4).从图4(a)可以看出，随着入口空气干球温度的增加，一次出口和二次出口温度和温降不断增大，而出口加湿量和含湿量均随入口空气干球温度的升高而增大；在相同条件下，二次出口温降比一次出口的温降高1.5～2 ℃，加湿量平均增加0.3 g/kg.从图4(b)可以看出，二次加湿蒸发降温系统的冷却效率也随入口空气干球温度的升高而不断增加，在入口温度达38 ℃时，制冷效率达75%；由于入口空气干球温度的升高，导致空气干湿球温度差加大，空气与水之间热交换更为剧烈，出口温降加大，冷却效率便随之增大.

3.2 入口空气湿球温度对二次加湿蒸发降温系统的影响

在入口风速为1.5 m/s,干球温度为35 ℃的条件下，通过改变入口空气湿球温度(20～30 ℃)对二次加湿蒸发降温系统进行研究.从图5(a)可以看出，一次和二次出口温度随着入口空气湿球温度的加大而不断增大，温降相应减少，而随着入口空气湿球温度的增大，出口加湿量和含湿量却不断减小；在相同条件下，二次出口温降比一次出口的温降高1.5～2.1 ℃，加湿量平均增加0.2 g/kg.从图5(b)可以看出，二次加湿蒸发降温系统的冷却效率随着入口湿球温度的增加而不断降低，效率由77%降到63%，这是由于入口空气湿球温度的升高，会导致其对应的进出口空气温差和干湿球温差的变化，因此影响了冷却效率.

(a)入口空气干球温度对出口温度和加湿量的影响 (b) 入口空气干球温度对η的影响

图4入口空气干球温度对二次加湿蒸发降温系统的影响

Fig.4 Effect of inlet air dry bulb temperature on secondary humidification evaporation and cooling system

(a)入口空气湿球温度对出口温度和加湿量的影响 (b) 入口空气湿球温度对η的影响

图5入口空气湿球温度对二次加湿蒸发降温系统的影响

Fig.5 Effect of inlet air wet bulb temperature on secondary humidification evaporation and cooling system

(a)入口风速对出口温度和加湿量的影响 (b) 入口风速对η的影响

图6入口风速对二次加湿蒸发降温系统的影响

Fig.6 Effect of inlet wind speed on secondary humidification evaporation and cooling system

·

3.3 入口风速对二次加湿蒸发降温系统的影响

在入口空气干球温度为35 ℃，湿球温度为24 ℃的条件下，通过改变入口风速(1～3.5 m/s)对二次加湿蒸发降温系统进行研究.从图6(a)可以看出，在入口空气干湿球温度一定时，一次和二次出口温度随着入口风速的增大而不断增大，温降相应减少，而随着入口风速的增大，出口加湿量和含湿量均不断减小；在相同条件下，二次出口温降比一次出口的温降高2.0～2.6 ℃，加湿量平均增加0.25 g/kg.从图6(b)可以看出，二次加湿蒸发降温系统的冷却效率随着入口风速的增加而不断降低，效率由76%降到62%，这是由于风速的增大，导致了空气与水热交换的时间大大缩短，影响了整个系统的性能.

3.4 入口空气相对湿度对二次加湿蒸发降温系统的影响

在入口风速为1.5 m/s,干球温度为35 ℃的条件下，通过改变入口相对湿度(35%～60%)对二次加湿蒸发降温系统进行研究.从图7(a)可以看出，出口温度随着入口空气相对湿度增大而不断增大，温降相应减少，而随着入口空气相对湿度的增大， 出口加湿量和含湿量均不断减小；在相同条件下，二次出口温降比一次出口的温降高1.6～2.1 ℃，加湿量平均增加0.15 g/kg.从图7(b)可以看出，随着入口空气相对湿度的增加，二次加湿蒸发降温系统的冷却效率是不断降低的.

(a)入口空气相对湿度对出口温度和加湿量的影响 (b) 入口空气相对湿度对η的影响

图7入口空气相对湿度对二次加湿蒸发降温系统的影响

Fig.7 Effect of inlet air relative humidity on secondary humidification evaporation and cooling system

3.5 三种不同降温系统制冷性能对比分析

如表1所示，一次直接蒸发冷却效率为73%，高压微雾蒸发冷却效率为62%[12]，直接蒸发冷却+高压微雾蒸发冷却效率为77%，说明采用填料—高压微雾的方式， 高压微雾对填料起到补充作用，提高了冷却效率 .

表1三种不同降温系统制冷性能

Table 1 Refrigeration performance of three different cooling systems

名称一次直接蒸发冷却高压微雾蒸发直接+高压微雾蒸发效率73%62%77%

4 结 论

本文搭建了一套二次加湿蒸发降温系统，分析了入口干湿球温度、风速及相对湿度对二次加湿蒸发降温系统的影响，得出了以下结论：(1)在风速一定的条件下，入口空气干球温度越高，相对湿度越低，冷却效率越高，制冷效果越好；(2)在干湿球温度一定的条件下，入口风速越大，冷却效率越低，当风速超过3.5 m/s时，冷却效率低于63%，不利于系统的制冷；(3)同等条件下，二次加湿蒸发降温系统的出口温降比一次直接蒸发冷却系统的出口温降平均高出2 ℃左右，加湿量增加5%～10%，冷却效率提高4%～10%.