直接蒸發冷卻器用填料性能評價指標詮釋

夏 青，黃 翔，殷清海

（西安工程大學，陜西西安 710048）

1 前 言

蒸發冷卻以水為制冷劑，不使用CFCs，對大氣環境無污染，是一種節能、環保、經濟的冷卻方法。其驅動力為自然條件下空氣的干濕球溫差，具有較低的冷卻設備成本、能克服機械式制冷耗電量過大及用電高峰期電能需求緊張等問題、能減少溫室氣體排放量的特點[1-2]。

填料是直接蒸發冷卻器的重要組成部分，它提供了空氣和水直接進行熱濕交換的界面，其性能直接影響其熱濕交換性能[3]，因此，對于影響填料性能的主要因素進行研究，對蒸發冷卻技術的發展有著重要的意義，而到目前為止，人們對于直接蒸發冷卻器用填料性能評價指標，即蒸發冷卻效率、飽和效率及加濕效率三者的概念模糊不清，在實際應用中，各生產廠家的產品樣本和說明等資料又按各自的意愿進行說明，這種狀況無疑對于蒸發冷卻空調在我國的應用推廣極為不利。所以，本文在研究相關文獻的基礎上，確定了評價蒸發冷卻器用填料性能評價的指標，并加以區分，使人們對其各方面的性能更直接的對比判斷，從而使該技術進一步推廣使用。

2 直接蒸發冷卻器

目前，直接蒸發冷卻器主要有單元式和機組式兩種類型，單元式直接蒸發冷卻器指將直接蒸發冷卻裝置與風機組合在一起，而機組式直接蒸發冷卻器指將直接蒸發冷卻裝置設在組合式空氣處理機組內作為直接蒸發冷卻功能段[4]。

直接蒸發冷卻器結構示意圖如圖1所示，主要由填料、循環水泵、離心 （軸流風機）、集水箱及布水系統等組成。水箱中的水經循環水泵送至填料頂部的布水系統，均勻噴淋在填料表面，與由風機吸入的室外空氣進行熱濕交換，對室外空氣進行降溫、加濕及過濾除塵等。

圖1 直接蒸發冷卻器 （段）結構示意圖

3 填料種類及性能

3.1 填料種類

目前常用的直接蒸發冷卻器 （段）填料有：有機填料，如瑞典蒙特公司的CELdek填料；無機填料如瑞典蒙特公司的GLASdek填料；一般由鋁箔或不銹鋼制成的金屬填料；由天然樹木經特殊加工而成的木絲填料等。

與此同時，隨著材料科學的發展，出現一些新型填料，如由化纖加工而成的無紡布填料，多孔陶瓷填料，PVC填料等。

目前常用在直接蒸發冷卻器的填料有有機填料、無機填料和金屬填料3種類型，而由于多孔陶瓷填料具有獨特的多孔結構，因此采用多孔陶瓷材料作為直接蒸發冷卻器填料是目前的一種發展趨勢[5]。

3.2 填料性能

填料是直接蒸發冷卻器 （段）的一個關鍵部件，其性能直接影響到它的降溫加濕能力、外形尺寸、壽命、使用安全等。

填料的性能可以從以下幾個方面來描述[6]：

1）比表面積 （單位體積的填料外表面積）；

2）吸濕性能 （1 m3填料所能吸納的水量）；

3）阻力 （空氣經過填料時的阻力）；

4）熱工性能 （水在填料表面的蒸發能力）；

5）除塵性能 （填料表面的水膜對空氣中的灰塵、異味的洗滌和去除能力以及自凈能力）；

6）物理性能 [填料的濕挺度 （即吸濕后的剛度）、整體強度、干脆性能等]；

7）防腐性能 （填料長期在濕環境下發生霉變以及細菌在其表面繁殖的可能性）；

8）阻燃性能 （填料的防火性能）[6]。

4 蒸發冷卻效率、飽和效率及加濕效率的區別

4.1 定義不同

4.1.1 蒸發冷卻效率

直接蒸發冷卻器 （段）填料內的空氣與水直接接觸，使水分蒸發來冷卻空氣。這時由于水的蒸發，空氣將會因不斷地把自身的顯熱傳遞給水而得以降溫，空氣的顯熱轉化為潛熱，空氣既得以降溫，又實現了含濕量的增加，其焓值不變，這是一個絕熱、降溫、加濕過程。空氣的狀態變化過程見圖2，1點為空氣處理前的狀態，2點為空氣處理后的狀態。

圖2 直接蒸發冷卻器 （段）空氣處理過程焓濕圖

對于直接蒸發冷卻器 （段）填料的降溫效果，通常采用蒸發冷卻效率來描述其處理空氣的完善程度，即直接蒸發冷卻器 （段）進、出口空氣干球溫度差與進口空氣干、濕球溫度差之比，其表達式為：

式中：

tgw—直接蒸發冷卻器 （段）進口空氣干球溫度，℃；

tgo—直接蒸發冷卻器 （段）出口空氣干球溫度，℃；

tsw—直接蒸發冷卻器 （段）進口空氣濕球溫度，℃

4.1.2 加濕效率

空氣與水在直接蒸發冷卻器 （段）中直接接觸時，空氣與填料表面的飽和空氣層之間不僅存在溫差，還存在水蒸氣分壓力差，而水蒸氣分壓力差是潛熱交換的推動力，使空氣和水進行濕交換，水分在水蒸氣分壓力差的推動下，蒸發成水蒸氣進入空氣，空氣的濕度增加，潛熱增加。這種由填料構成的加濕器稱為濕膜加濕器[7]。

利用濕膜加濕器加濕空氣，在理想狀態下，其理論最低溫度可達到飽和點3，被冷卻空氣在整個過程的焓濕變化如圖3所示，干球溫度為t1的室外空氣從圖中狀態1進入直接蒸發冷卻器，冷卻過程沿等焓線向空氣濕球溫度為t3的狀態3點移動，但由于直接蒸發冷卻器的冷卻效率達不到100%，所以被處理空氣只能被冷卻到干球溫度為t2的狀態點2，狀態點2的空氣就是經過直接蒸發冷卻器處理過后的空氣。

圖3 濕膜加濕器空氣處理過程焓濕圖

評價濕膜加濕器的加濕性能指標有飽和效率和加濕效率兩種。

加濕效率即指濕膜加濕器中空氣被加濕前的含濕量與空氣被加濕后的含濕量差，與飽和狀態空氣的含濕量與空氣被加濕前的含濕量差之比，其表達式為：

式中：

d1—空氣被加濕前的含濕量，g/kg；

d2—空氣被加濕后的含濕量，g/kg；

dmax—飽和狀態空氣的含濕量，g/kg

4.1.3 飽和效率

飽和效率即指濕膜加濕器中加濕前空氣的干球溫度與加濕后空氣的干球溫度差，與加濕前空氣的干球溫度與空氣的濕球溫度差之比，其表達式為：

式中：

t1—加濕前空氣的干球溫度，℃；

t2—加濕后空氣的干球溫度，℃；

t3—空氣的濕球溫度，℃

4.2 影響因素不同

4.2.1 蒸發冷卻效率影響因素

目前，國內外學者、院校等對蒸發冷卻效率的影響因素都做過相關的實驗研究[8-10]。

研究表明，直接蒸發冷卻器 （段）的冷卻效率與空氣流速、填料的比表面積、填料的厚度以及空氣與水膜之間的對流換熱系數有關。而對流換熱系數則與直接蒸發冷卻器的結構尺寸、填料的種類、空氣入口參數 （干球溫度、相對濕度）及淋水量等參數有關。

4.2.2 加濕性能影響因素

根據相關文獻 [11]，[12]中分析得知，對于一定結構的濕膜加濕器，影響其加濕性能的參數主要有填料蒸發面積、填料厚度、空氣流速及入口空氣溫度和水溫等。其中，填料蒸發面積是影響其加濕效率的主要因素。一般通過在填料結構上采用波紋板交叉重疊形式來提高填料蒸發面積進而提高加濕效率。

5 蒸發冷卻效率、飽和效率及加濕效率的聯系

5.1 三者概念上的聯系

蒸發冷卻效率是評價直接蒸發冷卻器用填料降溫性能評價指標，指待處理空氣經直接蒸發冷卻器用填料后降溫的程度，用來描述填料表面空氣與水熱質交換程度，即其處理空氣 （對空氣降溫）的完善程度。蒸發冷卻效率越高，說明熱質交換越完善。

飽和效率和加濕效率都是評價濕膜加濕器的加濕性能評價指標。飽和效率表示加濕使空氣狀態點產生變化時，所能達到的飽和程度，反映加濕是否充分，通俗地說就是要達到飽和點還需要加濕多少。飽和效率越高，表示加濕器使空氣狀態發生變化的能力越強。

加濕效率則是指空氣離開飽和狀態的程度，即空氣離開飽和狀態越遠，其吸濕能力越強，加濕效率越高。因此，實際應用中，可以先將空氣加熱，然后再加濕，其加濕效率會有所提高。

由此可見，蒸發冷卻效率、飽和效率及加濕效率表示不同的概念，是三個不同的術語，是直接蒸發冷卻技術中重要的概念，也是生產廠家和消費者用來評價直接蒸發冷卻器性能的重要指標。

下面從焓濕圖上形象地說明此三者的區別與聯系，如圖4所示。A點為空氣狀態點，B點為飽和空氣狀態點，當A點距飽和點B越遠，即當A點遠離B點時，表示加濕效率越高。當A點越靠近飽和點B時，由焓濕圖上可知，此時濕度增加，溫降增加，蒸發冷卻效率與飽和效率增加，但兩者表示的含義不同，蒸發冷卻效率表示的是一種溫降的程度，飽和效率表示的是加濕效率的高低，反映加濕的充分程度，但加濕效率則不能反映飽和程度。飽和效率高，說明空氣離飽和程度越來越近，而加濕效率高，則說明空氣未飽和程度高，離飽和度越來越遠。

圖4 蒸發冷卻效率、飽和效率及加濕效率三者關系示意圖

5.2 三者運算上的聯系

現舉例說明影響蒸發冷卻效率、飽和效率及加濕效率三者效率變化的因素。從表1[13]中可以看出，干濕球溫差、溫降及加濕量越小，蒸發冷卻效率、加濕效率及飽和效率同時為最大，表中三者的效率大小基本一樣，這是因為飽和效率大小是加濕效率高低的體現，即飽和效率高，則表示加濕效率高，兩者成正比關系。飽和效率與蒸發冷卻效率計算公式一樣，計算結果一樣，但是所表示的概念不同，而蒸發冷卻效率與加濕效率則沒有直接的關系，是直接蒸發冷卻器用填料兩種不同的性能評價指標。

表1 無機填料GLASdek在西北部分城市使用效果

6 結束語

蒸發冷卻效率、飽和效率及加濕效率都是蒸發冷卻器用填料性能評價指標，但三者的概念是不同的，蒸發冷卻效率是填料降溫性能評價指標，飽和效率和加濕效率是填料加濕性能評價指標，但二者是不同的，飽和效率是加濕效率高低的體現，反映的是一種飽和程度，但是加濕效率反映的是一種空氣未飽和的程度。

[1] 黃翔.空調工程[M].北京：機械工業出版社，2006

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[4] 黃翔.蒸發冷卻空調理論與應用[M].中國建筑工業出版社，2010

[5] 劉小文，黃翔，吳志湘.多孔陶瓷填料直接蒸發冷卻器性能分析 [J].建筑熱能通風空調，2009，28（5）：45-48

[6] 宣永梅，黃翔，武俊梅.直接蒸發冷卻式空調機用填料的性能評價 [J].潔凈與空調技術，2001（1）：6-8

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