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潔凈室中蒸發冷卻空調技術的發展和應用

時間:2020-08-12  來源:車間凈化工程|食品凈化車間|潔凈手術室|潔凈實驗室-濟南順奇凈化工程有限公司  瀏覽次數: 90 次
文章簡介:潔凈室中蒸發冷卻空調技術的發展和應用, 1 直接蒸發冷卻空調技術 1.1 蒸發冷卻空調技術的發展及研究現狀 蒸發冷卻空調技術是一種環保、高效、節能的冷卻技術。由于其無以倫比的優越性,引起了各國科學家對

1 直接蒸發冷卻空調技術

1.1 蒸發冷卻空調技術的發展及研究現狀

蒸發冷卻空調技術是一種環保、高效、節能的冷卻技術。由于其無以倫比的優越性,引起了各國科學家對蒸發冷卻技術研究工作的關注 。在我國,將蒸發冷卻空調技術作為自然冷源替代人工冷源的研究早在20世紀60年代已引起國內學者的關注。20世紀80年代至90年代,我國對蒸發冷卻技術的研究主要集中在同濟大學、哈爾濱工業大學、天津大學等高校,主要研究蒸發冷卻空調技術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試驗。與此同時,哈爾濱空調廠生產出第一臺填料蒸發式空氣冷卻機,新疆綠色使者有限公司開發出了親水性鋁填料直接蒸發冷卻器等系列產品,福建奧藍集團開發出了系列蒸發冷卻機。進入21世紀,西安工程大學以黃翔老師為領頭人的蒸發冷卻團隊對蒸發冷卻空調技術進行了大量的實驗研究和推廣應用工作,并取得了可喜的成績。目前,蒸發冷卻空調技術已經在新疆、甘肅、寧夏、青海等西北地區以及廣東、福建、浙江等沿海地區得到推廣應用。

1.2 蒸發冷卻空調技術概述

蒸發冷卻空調技術是利用水的蒸發取得能量,不必將蒸發后的水蒸汽再進行壓縮、冷凝回到液態水后再進行蒸發,一般可以直接補充水分來維持蒸發冷卻過程的進行。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,對大氣無污染,同時可以直接采用全新風,排走室內的有害物質,有一定的去除污染物的能力,可以改善室內空氣品質。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機的能耗,COP 高于常規的機械制冷系統,因此非常節能。在經濟方面,蒸發冷卻系統設備簡單,投資少,運行費用低且操作簡單。被稱為“零費用制冷技術”、“綠色空調”和“仿生空調”。表1 對蒸發冷卻技術與常規的機械制冷技術進行了比較,可以看出,與機械制冷相比,蒸發冷卻技術在節能、環保、經濟及提高室內空氣品質等方面具有明顯的優勢。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境的影響等。所以,在應用中,可以將蒸發冷卻技術與機械制冷有機地結合起來,相互取長補短,發揮各自的優點[10]。直接蒸發冷卻是蒸發冷卻技術的一種重要形式,是指空氣與大面積的水直接接觸,由于水的蒸發,空氣與水的溫度都降低,且空氣的含濕量有所增加,空氣的顯熱轉化為潛熱,這是一個絕熱加濕過程。直接蒸發冷卻空調機是一種新穎的空調設備,具有節能、環保、送風品質高等優點。該機組結構非常簡單,如圖 1 所示,主要由填料、水泵、風機、集水箱及供水系統組成。其工作原理如圖2所示,它是利用循環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。

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2 常見的幾種直接蒸發冷卻填料研究分析

2.1 填料在直接蒸發冷卻器中的作用

填料是直接蒸發冷卻空調機的核心,它提供了空氣和水直接進行熱濕交換的界面,直接蒸發冷卻器通過在填料頂部噴淋循環水,使流經換熱器的空氣與填料表面的水膜直接接觸進行熱濕交換,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,是直接蒸發冷卻器中的一個關鍵部件,其性能的好壞直接影響到換熱器的效率,進而影響到最終的冷卻效果。填料在直接蒸發冷卻器中的作用主要有以下功能:

(1)降溫。進入直接蒸發冷卻器中的空氣與填料表面直接接觸進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污染物,對凈化室內空氣起到了一定的作用。

因此,直接蒸發冷卻空調機的研究,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填料(以 GLASdek 為典型代表)、有機填料(以 CELdek 為典型代表)、金屬填料(不銹鋼或鋁箔)等。無機填料是以玻璃纖維為基材,經特殊成分樹脂浸泡,再經燒結處理的高分子復合材料;有機填料是由加入了特殊化學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,其材質的特殊性決定了其吸濕性能遠遠落后于無機填料和有機填料,但其耐腐蝕性能優于上述兩種填料。

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。西安工程大學的宣永梅對直接蒸發冷卻空調機用填料的性能進行了分析評價,其性能對比如表 2。填料的熱工性能的優劣直接會影響到填料的總體性能,關系著降溫加濕效果以及直接蒸發冷卻空調機的外形尺寸,它與其結構、填充方式、吸濕能力、比表面積等因素有關,各種不同填料熱工性能對比如表 3 所示。無機填料是由強吸水性材料制成,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、使用壽命長等優點,但發脆易碰碎,在運輸與安裝過程中容易造成損

壞;有機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,結構上設計了空氣與水交叉流動的結構,阻力小,但其吸濕性較差。填料的防腐性能決定著空調機能否健康以及其壽命長短,無機填料與金屬填料耐腐蝕性良好,有機填料自身耐腐蝕性差,需要進行抗腐浸漬處理;物理性能如密度、濕挺度及強度,其中濕挺度較為重要,金屬填料的材質決定它的濕挺度較好,強度較好,經久耐用[4]。式中:V 為迎面風速;á為空氣與濕膜表面間的換熱系數;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冷卻的冷卻效率,對填料的分析研究甚為重要。

3 直接蒸發冷卻填料的選擇及應用

3.1 填料的選擇

選擇填料一定要注意不同填料的特性。

不同填料構成的直接蒸發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。由于填料結構的復雜性,理論上很難確定空氣與水膜直接接觸時的換熱系數,通常以實驗為基礎為直接蒸發冷卻的理論計算和分析奠定基礎。東南大學的蔣毅、張小松等人對無機填料進行了測試,結果表明,采用無機填料作為直接蒸發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。解放軍理工大學工程兵工程學院的魏征、耿世彬對有機填料直接蒸發冷卻器進行了試驗研究,結果表明,填料冷卻效率主要與空氣流速、填料厚度和噴淋水量有關,當噴淋水量足夠多時,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,并且當噴淋水量足夠時,體積換熱系數存在一個最大值。有機填料的典型代表Celdek 有最優使用參

數: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,沒有雛鳳帶水現象[3]。但有機填料易撕碎。天津大學的張歡、由世俊對金屬填料型直接蒸發冷卻裝置在空氣處理機組中的應用進行了分析研究,實驗結果表明金屬填料具有效率高、耐腐蝕等優點,是一種性能良好的空氣熱濕處理設備,并建議其迎面風速在2.2 m/s ~2.8 m/s,綜合考慮填料的熱質傳遞性能和阻力,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、傳質效率。這些結論為填料在空調領域的選擇和應用以及新產品的開發提供了良好的基礎。

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3.2 填料的應用

利用填料實現空氣的絕熱蒸發冷卻,在其過程中無需制冷能耗即可實現空調降溫,有利于空調系統節能,同時還具有加濕的功能,利用其過濾作用,可對空氣進行凈化,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菌病毒,防止細菌和病毒借助集中式空調系統傳播。但不同材質的填料其性能差別很大,如有機填料比表面積大,吸濕性較金屬填料好,但耐腐蝕性和濕挺度較差、而且對噴淋水質要求嚴格,水質不好時容易結垢,堵塞;無機填料吸濕性好,耐腐蝕性也較紙質填料好,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。目前有機填料國外主要應用在動物、家禽飼養和溫室降溫中,金屬填料在石油化工領域應用頗為廣泛。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??捎糜谵k公樓、候機樓、賓館等中央空調通風系統的過濾凈化,尤其是它的低阻力,特別適用于既有空調系統的改造,又可代替現有的粗效過濾器[1]。

4 結語

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

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