露點蒸發冷卻空調系統的熱力學性能分析

王玉剛,陳 奕

(集美大學 海洋裝備與機械工程學院，福建 廈門 361021)

0 引 言

暖通空調系統不僅耗能多，而且碳排放量也較大，因此會加劇全球的溫室效應[1]。蒸發冷卻空調以水作為制冷劑，以干空氣能作為制冷驅動力，是一種節能環保的空調技術[2]。由于蒸發冷卻空調技術節能環保的特點，近年來在國內民用建筑中得到了廣泛的應用[3-5]，同時在工業建筑中也有了一定的應用[6-7]。但蒸發冷卻空調冷卻效率較低導致其體積較大，尤其是多級蒸發冷卻空調機組的體積更大，限制了該技術在我國的推廣應用。

近年來，關于蒸發冷卻空調的研究多集中在單級間接蒸發冷卻器的結構尺寸和空氣狀態參數[8-10]、換熱板材料[11-13]等對其冷卻性能的影響，或者單級間接蒸發冷卻器的火用效率和火用損失的計算分析[14-17]。有關傳統多級蒸發冷卻空調系統的研究主要集中于在干熱氣候條件下測試其性能[18-20]。基于此，本文作者在文獻[21]中建立了傳統三級蒸發冷卻空調系統空氣處理過程的火用分析模型，并在典型工況下對系統內各級蒸發冷卻器進行了計算分析。結果顯示：系統的不可逆損失主要源于間接蒸發冷卻器內熱質交換不充分和二次排風；提出了提高間接蒸發冷卻器能源利用效率，是優化三級蒸發冷卻空調系統性能的關鍵。本文針對此改進方向，提出具有較高能源利用效率的三級蒸發冷卻空調系統，并計算了該系統熱力學性能；然后，將計算得到的熱力學性能參數與文獻[21]中傳統蒸發冷卻空調系統的熱力學性能參數比較分析，由此獲得2種系統的熱力學性能差異。

1 露點蒸發冷卻空調系統的提出

間接蒸發冷卻器二次空氣在出口處已經基本接近飽和狀態，而二次空氣出口溫度要低于入口溫度。二次空氣出入口溫差是造成二次空氣排風存在火用損失的主要原因，溫差越大造成的排風火用損失越大。此外，二次空氣出入口溫差越大，說明一、二次空氣之間的換熱越不充分，由此而引起的內部火用損失也就越大。

在理想情況下，典型逆流露點間接蒸發冷卻器的二次空氣在干通道內受預冷后溫度接近露點溫度，幾乎處于飽和狀態；在進入濕通道后幾乎處于飽和加濕過程，熱質傳遞勢差幾乎為零[22]，所以其內部火用損失也幾乎為零，具有良好的熱力性能。目前，蒸發冷卻空調技術領域的研究熱點是露點間接蒸發冷卻器。眾多科研人員已從熱力學分析[17]、數值模擬[23-24]、實驗測試[25]等多角度對其展開了研究，但目前尚未發現有將其與傳統間接蒸發冷卻器或直接蒸發冷卻器結合使用的報道。本文作者將露點間接蒸發冷卻器用于傳統三級蒸發冷卻空調系統中，以減少系統的不可逆損失，提高系統的能源利用效率。

考慮到露點間接蒸發冷卻器二次空氣流動方向及排風問題，逆流露點間接蒸發冷卻器不適合用于多級蒸發冷卻系統中，因此考慮將叉流露點間接蒸發冷卻器代替傳統間接蒸發冷卻器。文獻[21]中建立的三級蒸發冷卻空調系統是由兩級傳統間接蒸發冷卻器加一級直接蒸發冷卻器串聯組成。第一級間接蒸發冷卻器為預冷段，第二級間接蒸發冷卻器為再冷段。一次空氣在再冷段內的溫降較小，所以本文利用叉流露點間接蒸發冷卻器代替第二級傳統間接蒸發冷卻器，其工作原理圖以及空氣處理過程焓濕圖如圖1(a)、(b)所示。

將叉流露點間接蒸發冷卻器與傳統間接蒸發冷卻器、直接蒸發冷卻器相結合構成的露點蒸發冷卻系統流程圖和空氣處理過程焓濕圖分別如圖2、3所示[26]。

(b) 空氣處理過程焓濕圖圖 1 叉流露點間接蒸發冷卻器Fig.1 Indirect evaporative cooler of cross flow dew point

AA—環境空氣；CA—冷卻空氣；EA—排風空氣；P—一次空氣；S—二次空氣；IEC—傳統間接蒸發冷卻器；RIEC—露點間接蒸發冷卻器；DEC—直接蒸發冷卻器圖 2 露點蒸發冷卻系統流程Fig.2 The flow of dew point evaporative cooling system

圖 3 露點蒸發冷卻系統空氣處理過程 焓濕圖Fig.3 Psychrometric chart of air treatment process of the system

2 熱力學過程分析

以給定的環境為基準，理論上能夠最大限度轉換為有用功的那部分能量稱之為火用[27]。系統入口空氣為環境空氣，由干空氣和水蒸氣組成。相對于1 kg干空氣，溫度、壓力、含濕量分別為T、p、d的濕空氣的比火用為

ea=eph+ech

(1)

式中：eph為比物理火用，kJ/kg；ech為比化學火用，kJ/kg；下角標a代表濕空氣。

比物理火用的計算公式為

(2)

式中：cp為干空氣的定壓比熱，kJ/(kg·K)；d為濕空氣的含濕量，即每kg干空氣含濕量，g/kg；T為濕空氣溫度，K；R為氣體常數，kJ/(kg·K)；P為濕空氣壓強，Pa。下角標da代表干空氣，v代表水蒸氣；0代表火用分析的參考狀態，本文選取環境狀態下的飽和空氣作為火用分析的參考狀態[27]。

比化學火用的計算公式為

(3)

因此，濕空氣比火用的計算公式為

(4)

水的比火用計算公式為

ew=iw(T)-iv(T0)-T0[sw(T)-sv(T0)]+

[P-Psat(T)]vw(T)-RvT0lnφ0

(5)

式中：φ為空氣的相對濕度；下角標w代表水，sat代表飽和狀態。

系統中各級蒸發冷卻器火用平衡方程如下：

1) 傳統間接蒸發冷卻器(IEC)

(6)

式中：m為質量流量，kg/s；Sg為熵產，kW/K；下角標數字代表系統中各級冷卻器的入口與出口，如圖2所示。

2) 露點間接蒸發冷卻器(RIEC)

(7)

3) 直接蒸發冷卻器(DEC)

(8)

3 與傳統系統熱力學性能比較

熱力學分析中，空氣參考狀態的干球溫度為30 ℃，相對濕度100%；系統運行的環境空氣工況為干球溫度30 ℃，相對濕度35%。露點間接蒸發冷卻器中二次空氣與一次空氣的流量比取1。由于露點間接蒸發冷卻器的一、二次空氣要經過傳統間接蒸發冷卻器預冷，因此傳統間接蒸發冷卻器在二次空氣流量不變情況下與一次空氣的流量比變為0.5。與流量比為1時相比，其濕球效率大約下降10%[28]，因此傳統間接蒸發冷卻器的濕球效率取0.6。叉流露點間接蒸發冷卻器的濕球效率在1.1～1.22之間[29]，本文取中間值1.16。對于給定間接蒸發冷卻器，效率不隨進口空氣干、濕球溫度變化[30]。間接蒸發冷卻器中一、二次空氣干、濕球溫度同時變大或變小不會影響其濕球效率，所以叉流露點間接蒸發冷卻器作為第二級使用時濕球效率仍能保持在1.16左右。直接蒸發冷卻器的濕球效率取為0.9。

利用本文的熱力學模型，分析計算露點蒸發冷卻系統的空氣處理過程，得出各狀態點(見圖3)熱力參數，并與文獻[21]中傳統蒸發冷卻系統的計算結果對比，結果如表1所示。表1中狀態點2、3、4分別代表2個系統中第一、二、三級的送風狀態。

表1 露點與傳統蒸發冷卻系統的送風狀態比較Tab.1 Comparison of supply air state betweentwo systems

從表1中可以看出，露點系統第一級的送風溫度比傳統系統高1.2 ℃，而第二級則低4 ℃，故第二級的空氣溫降比傳統系統多5.2 ℃。由此可以看出，露點間接蒸發冷卻器比傳統間接蒸發冷卻器具有更強的冷卻能力。原因是露點間接蒸發冷卻器的二次空氣在干通道內經過預冷之后才進入濕通道，因此露點間接蒸發冷卻器濕通道入口空氣溫度要低于傳統間接蒸發冷卻器。露點間接蒸發冷卻器的干通道空氣和濕通道空氣具有更大的換熱溫差，所以其干通道出口空氣溫度更低。傳統系統內直接蒸發冷卻器的空氣溫降雖然比露點系統多2.3 ℃，但是含濕量增加了0.9 g/kg。由此可見，傳統系統是以增加送風含濕量為代價而實現較高空氣溫降的。露點系統的送風溫度比傳統系統低1.7 ℃，送風含濕量低0.9 g/kg。露點系統送風的溫度和含濕量均低于傳統系統，因此可以承擔更多的室內熱濕負荷。

表2為露點蒸發冷卻系統與傳統蒸發冷卻系統的火用分析結果比較。由表2可以看出：露點系統的火用效率比傳統系統的高約2%，總輸入火用約增加7.8%，但有效輸出火用卻增加約16.9%。

表2 露點與傳統蒸發冷卻系統的火用分析Tab.2 Comparison of exergy between two systems

圖4顯示了露點蒸發冷卻系統內有效輸出火用及火用損失的分布情況。與文獻[21]中傳統蒸發冷卻系統內火用損失比較，發現露點系統內2個間接蒸發冷卻器的排風火用損失都有所減小。原因是二次空氣排風狀態更接近文中選定的火用分析參考狀態，二次空氣的利用更高效。2個間接蒸發冷卻器的內部火用損失都有所增加，主要原因是噴淋水的耗水量增加而引起的水火用損失增加；直接蒸發冷卻器的火用損失有所減小，原因是其入口空氣更接近飽和狀態，與水進行蒸發冷卻作用時耗水量較少，所以火用損失減小。

圖 4 露點蒸發冷卻系統有效輸出火用 及火用損失分布Fig.4 The effective exergy output and exergy loss of dew point evaporative cooling system

綜合表1、2和圖4的計算結果可以看出，露點蒸發冷卻系統比傳統蒸發冷卻系統具有更優的熱力學性能，因此可以拓寬蒸發冷卻空調技術的應用區域。此外，露點蒸發冷卻系統具有更小的機組尺寸，可以提高蒸發冷卻空調技術的競爭力。

4 結 論

本文提出了基于叉流露點間接蒸發冷卻器的露點蒸發冷卻系統，并建立了熱力學分析模型。在典型工況下與傳統蒸發冷卻系統的熱力學特性比較分析，得出如下結論：

1) 露點蒸發冷卻系統的送風溫度比傳統蒸發冷卻系統低1.7 ℃，含濕量低0.9 g/kg;

2) 露點蒸發冷卻系統與傳統蒸發冷卻系統相比，火用效率大約提高2%，有效輸出火用大約增加了16.9%。