露点蒸发冷却器效率分析

徐 鹏，韩泽敏，熊亚选，郑小兵

（1.供热、供燃气、通风及空调工程北京市重点实验室，北京建筑大学，北京 100044；2.北京设备安装公司，北京 100023）

符号说明：

Cpa——干空气的质量比热，kJ/kg；

Cpv——水蒸气的质量比热，kJ/kg；

ω——含湿量，kJ/kg；

ωos——环境状态下饱和湿空气的含湿量，kJ/kg；

T0——环境状态温度，℃；

T ——进出口空气温度，℃；

p0——环境状态压力，Pa；

p ——进出口空气压力，Pa；

ex ——单位质量㶲，kJ/kg；

exth——单位质量热能㶲，kJ/kg；

exch，exme——单位质量机械㶲、化学㶲，kJ/kg；

η ——㶲效率；

m1，m2——一次、二次空气质量流量，kg/s；

Δ ——㶲的变化量。

0 引言

目前，我国能源短缺严重，环境污染问题日益加剧，开发利用可再生能源具有重大意义。蒸发冷却空调技术是一种以自然环境中空气的干湿球温差为驱动势，通过空气与水之间的热湿交换降低空气温度的制冷技术［1］，露点蒸发冷却是蒸发冷却技术的新发展。文献［2-6］阐述了露点蒸发冷却技术的相关研究，该技术可以提供送风干球温度比室外湿球温度低且接近露点温度的空气［7］，具有不需要压缩机，不需要化学制冷剂，新风量大，高效经济等诸多优点［8］，已受到暖通空调领域的广泛关注。绝大部分文献是通过数值模拟或工程测试得出露点蒸发冷却器的湿球效率、露点效率，进而分析其性能。但是仅从效率方面无法全面的分析能量利用和损失的本质。而㶲分析可以更深刻的找出能量损失的部位、大小、原因，从而可以找出减少能源损失的方法，使露点蒸发冷却器的能量利用率最大化［9］。

本文主要通过计算分析露点蒸发冷却器在不同的进气温度、气流速度、相对湿度条件下的㶲效率，研究提高露点蒸发冷却器有用能利用率，促进蒸发冷却过程达到良好降温效果的方法与途径，为产品设计及实际工程提供理论参考。

1 蒸发冷却过程分析计算方法

1.1 环境状态的选择

当一个热力系统与环境间存在温度、浓度、化学势不平衡时，系统具有做功的能力。这里的环境是指一种抽象的环境，它具有稳定的温度T0，压力P0以及确定的化学组成，任何热力系与其交换热量、功量和物质，抽象环境的状态都不会发生变化，这种抽象环境可称为㶲分析的零基点。热力学中定义热力系统只与环境相互作用，从任意状态可逆地变化到与环境相平衡的状态时，作出的最大有用功称为热力学的㶲［10］。故对露点蒸发冷却器进行㶲分析，首先要确定研究所需要的㶲分析的零基点，明显选择未饱和湿空气作为环境状态是不合理的，根据文献［11］选择以大气温度和压力（T0，P0）所对应的饱和湿空气状态（T0，P0，ω0）为环境状态较为合适，具有稳定的 T0，P0以及确定的化学组成。露点蒸发冷却器干通道的进口干空气为未饱和的湿空气，与环境状态存在温度、压力、含湿量的不平衡，故具有做功能力。而露点蒸发冷却器正是利用了未饱和的湿空气具有做功的能力，使更多的能量转化为有用能。

1.2 计算方法

当系统温度与环境温度不平衡时具有的有用能为热能㶲，计算式为［11］：

当系统湿空气的含湿量与环境状态下湿空气含湿量不平衡时具有的有用能为化学㶲，计算式为［11］：

当系统压力与环境压力不平衡时的有用能为机械㶲，计算式为［11］：

单位质量湿空气的总㶲由热能㶲，化学㶲，机械㶲组成，计算式为［11-17］：

㶲效率为收益㶲与总输入㶲的比值，从做功能力的角度评价能量的转换效率，计算式为：

1.3 数据来源

本文数据全部来自于试验测试，为了对露点蒸发冷确器的参数进行精确测量，构建了专用的试验平台，如图1所示。

图1 测量系统

该测试系统主要由两部分组成，分别为进气调节系统和参数测量系统。进气调节系统涉及到的主要仪器有电加热器，湿度调节器，减湿器，干燥器等。参数测量系统设计到的主要仪器有，温度/湿度/空气流速探头，空气压力计，水压计等。试验数据已在文献［13］中被应用，用此试验数据对露点蒸发冷却器进行㶲分析，计算结果较为准确，结论真实可信。

2 工作机理及转化关系

2.1 露点蒸发冷却器工作机理

该露点蒸发冷却器结构如图2所示，由风机、水泵、水槽、布水器和数组紧密相连的干湿通道组成，湿通道表面采用亲水性较好的纤维材料，多孔表面扩大了有效蒸发面积，增大传热系数，强化传热。干湿通道由通道壁分隔，室外空气由机组下方两侧进风口进入干通道，与金属壁板进行对流换热，将热量传给湿通道中的工作空气，此过程为等湿降温。循环水由水泵输送到顶部的布水器，布水器将循环水喷淋到湿通道表面，水在沿壁面向下流动的过程中向四周扩散形成润湿的蒸发面，过量的水由下方的水槽收集并经水泵循环使用。

图2 露点蒸发冷却器

干通道内的空气经等湿冷却处理后，一部分作为产出空气送往室内，另一部分则作为工作空气进入湿通道去完成吸湿增焓的过程。以温差和水蒸汽压力差作为驱动力，润湿的蒸发面与工作空气进行热湿交换，水蒸发大量吸收干通道内空气显热量，使产出空气达到比室外湿球温度更低且接近露点温度。

2.2 露点蒸发冷却器㶲转化关系

为了研究露点蒸发冷却器内干湿通道的㶲转化关系，定义干通道内的㶲分别为一次热能㶲、一次化学㶲，由于干通道内空气处理过程为等湿降温，含湿量不发生变化，一次化学㶲的变化量为零。湿通道内的㶲分别为二次热能㶲、二次化学㶲。由于在某一状态下，干湿通道的进出口压力与抽象环境状态压力相同，故进出口机械㶲为零，由进出口差值计算机械㶲变化显然是不正确的，为了简化计算，将风机和水泵的功率视为输入到露点蒸发冷却器的机械㶲。分别测试室外空气温度分别为25，30，35 ℃时干湿通内的各项㶲变化，结果见表1。

表1 露点蒸发冷却器内转化关系 kJ·h-1

表1 露点蒸发冷却器内转化关系 kJ·h-1

温度 通道内空气㶲变化一次热能㶲二次热能㶲二次化学㶲 机械㶲25 ℃30 ℃35 ℃出口 112.0 0.1 285.2 0.0入口 0.0 0.0 640.0 0.0㶲变化 112.0 0.7 -354.8 -320.7出口 156.1 0.2 479.8 0.0入口 0.0 0.0 865.7 0.0㶲变化 156.1 0.2 -385.9 -322.8出口 206.7 0.2 797.1 0.0入口 0.0 0.0 1205.1 0.0㶲变化 206.7 0.2 -414.0 -324.8

由表1可知，一、二次热能进口㶲为零，原因是干湿通道的进口空气温度分别与相对应的抽象环境状态温度相同，不做功，不产生热能㶲。

室外空气进入干通道，与通道壁进行对流换热，将显热量传递到湿通道，随着室外空气温度不断降低，干通道内空气温度与抽象环境温度的不平衡程度不断增大，做功能力增强，故一次热能㶲增加。由于湿通道空气温度与抽象环境温度不平衡程度很小，故二次热能㶲增加量很少。

由表可知，湿通道出口化学㶲少于进口化学㶲，原因干通道内的一部分空气进入湿通道内，不断的和润湿蒸发面进行热湿交换，湿通道内空气的含湿量持续增大，接近饱和。湿通道内空气含湿量与饱和湿空气的含湿量的不平衡程度逐渐减小。做功能力减弱，化学㶲减少。同时水和空气的热湿交换过程会造成不可逆化学㶲损。

故将干湿通道整体作为一个系统研究，系统热能㶲增加，化学㶲和机械㶲减少。系统的化学㶲和机械㶲转化为热能㶲，但是热能㶲的增加量小于化学㶲和机械㶲的减少量，原因是有用能在转化过程中造成不可逆损失。

3 各参数对干湿通道内分布及效率的影响

3.1 进口空气温度对㶲分布及㶲效率的影响

进气温度对㶲分布以及㶲效率的影响如图3所示。

图3 进气温度对㶲分布以及㶲效率的影响

图3（a）所示为气流速度2.0 m/s，相对湿度20%的条件下，随着进气温度的升高，露点蒸发冷却器内热能㶲、化学㶲、机械㶲的变化趋势曲线。由图可知随着进气温度的升高，干通道内输出的热能㶲快速增加，由20 ℃的70.2 kJ增加到40 ℃的260.9 kJ，增加了271.9%。湿通道内化学㶲减少量小幅度增加，由20 ℃的341.9 kJ增加到412.0 kJ，增加了20.5%。机械㶲的减少量由318.6 kJ增加到326.7 kJ，增加了2.5%。

图3（b）为随着进气温度的升高，露点蒸发冷却器的㶲效率变化趋势曲线。由图可知随着进气温度由20 ℃上升到40 ℃时，㶲效率由10.6%提高到36.7%。实测结果显示：随着进气温度的升高，热能㶲的快速增加是提高㶲效率的关键性影响因素。分析原因可知随着进气温度的升高，空气热源品位提升，有用能增加。热能㶲增加的幅度大于化学㶲和机械㶲减少的幅度，并且随着进气温度的升高，干湿球温差增大，蒸发冷却潜力增大，湿通道内空气与润湿蒸发面热湿交换过程的不可逆㶲损失减少，㶲效率增大。

3.2 进口空气相对湿度对㶲分布及㶲效率的影响

进气相对湿度对㶲分布以㶲效率的影响如图4所示。

图4 进气相对湿度对㶲分布以及㶲效率的影响

图4（a）为在进气温度35 ℃，气流速度为2.0 m/s的条件下，随着进气相对湿度的增大，露点蒸发冷却器的热能㶲、化学㶲、机械㶲的变化趋势曲线。由图可知随着相对湿度的增大，干通道内增加的热能㶲快速减少，由224.9 kJ减少到41.8 kJ，减少了81.4%。湿通道内减少的化学㶲快速减少，由708.9 kJ减少到112.4 kJ，减少了84.1%。机械㶲的减少量略微增加，基本保持不变。

图4（b）为随着进气相对湿度的增大，露点蒸发冷却器的㶲效率变化趋势曲线。由图可知随着进气相对湿度的增大，㶲效率由21.8%快速下降到9.5%。实测结果显示：随着进气相对湿度的增加，湿通道内化学㶲的快速减少是降低㶲效率的关键性影响因素。分析原因可知进气温度不变，相对湿度增大，干湿球温差减小，蒸发冷却潜力降低，湿通道内空气与润湿蒸发面热湿交换过程的不可逆损失增大，化学㶲减少，通过热交换传到干通道的热能㶲减少，且热能㶲减少的幅度大于化学㶲和机械㶲减少的幅度，故㶲效率降低。

3.3 气流速度对㶲分布及㶲效率的影响

图5（a）为在进气温度35 ℃，相对湿度为20%的条件下，随着气流速度的增大，露点蒸发冷却器的热能㶲、化学㶲、机械㶲的变化趋势曲线。由图可知随着气流速度的增大，干通道内增加的热能㶲由68.1 kJ增加到228.7 K，增加了235.8%，湿通道内化学㶲的减少量呈线性快速增加，由153.5 kJ增加到748.8 kJ，增加了387.9%。机械㶲的减少量快速增加，由18.7 kJ增加到369.1 kJ，增加了1873.8%。

图5（b）为随着气流速度的增大，露点蒸发冷却器的㶲效率变化趋势曲线。由图可知随着气流速度的增大，㶲效率由18.2%下降到3.1%。实测结果显示：随着气流速度的增加，机械㶲的减少量快速增加是降低㶲效率的关键性影响因素。分析原因可知随着气流速度由0.5 m/s增大到2.5 m/s，风机的功率增大，机械㶲的减少量增加，流动阻力造成的㶲损失增大，且在同一时间内通过干湿通道的空气增多，化学㶲增多，但是由于湿通道内空气与润湿蒸发面热质交换不充分，不可逆㶲损失增多。且热能㶲的增加幅度小于化学㶲和机械㶲减少量增加的幅度，故㶲效率降低。

图5 气流速度对㶲分布以及㶲效率的影响

4 结论

（1）基于热力学第二定律，采用㶲分析法，从能的“量”和“质”两方面全面的，评价了露点蒸发冷却器的能源利用率。仅从能量方面分析，此露点蒸发冷却器的制冷效率大于100%，但并不能说明露点蒸发冷却器没有节能空间，经计算在本文的测试工况下㶲效率最高仅达到36.7%，存在大部分的㶲损，故仍具有很大的节能潜力。

（2）通过测试计算不同工况下干湿通道内热能㶲、化学㶲、机械㶲的分布以及变化，结合㶲效率，可以清楚地知道露点蒸发冷却器节能的薄弱环节，从而找出减少能源损失的方法。

（3）当进气温度由20 ℃增大到40 ℃，露点蒸发冷却器的㶲效率由10.6%提高到36.7%，热能㶲的快速增加是提高㶲效率的关键因素，可通过促进空气与水的蒸发冷却，减少传热传质过程的不可逆损失，以及减小空气流过通道的阻力提高㶲效率。

（4）当进气相对湿度由20%增大到60%，㶲效率快速降低，最高仅为21.8%。化学㶲的快速减少是降低㶲效率的关键因素，高温高湿地区在保证输入较少的机械㶲的前提下可以考虑在干通道进风口按安装干燥装置提高㶲效率。

（5）当气流速度由0.5 m/s提高到2.5 m/s时，㶲效率快速降低，最高仅为18.2%。机械㶲的快速增加是降低㶲效率的关键因素。气流速度太大，增加风机功率，二次空气与润湿蒸发面的热质交换过程不充分，机械㶲得不到充分利用，化学㶲损增大。气流速度太小，制冷量达不到，因此气流速度应保持合理值，既保证制冷量，又使能量利用率达到最高。