浅谈高压喷雾直接蒸发冷却和其在世园会中的应用

浅谈高压喷雾直接蒸发冷却和其在世园会中的应用
霍海红;黄翔;李成成
【摘要】浅析高压喷雾直接蒸发冷却的理论性能,结合高压喷雾直接蒸发冷却在世博会的应用,介绍了高压喷雾技术在世界园艺博览会(世园会)中的应用.并提出了高压喷雾直接蒸发冷却在我国应用情况的基本思路.
【期刊名称】《制冷》
【年(卷),期】2011(030)003
【总页数】6页(P64-69)
【关键词】高压喷雾降温;直接蒸发冷却;世园会;舒适性
【作者】霍海红;黄翔;李成成
【作者单位】西安工程大学,西安710068;西安工程大学,西安710068;西安工程大学,西安710068
【正文语种】中文
【中图分类】TQ025.2;TQ051.4
0 引言
高压喷雾直接蒸发冷却系统是一项利用水与空气的直接接触,通过水蒸发吸热与周围环境空气进行热湿交换的技术。

利用水蒸发吸热降温是环保高效而且经济的冷却方式,具有较低的冷却设备成本、能降低用电量和用电高峰期对电能的要求、能减少温室气体和CFC的排放量的特点[1]。

植物的生长和产量取决于土壤的肥力、水
分的供应和地面上部环境,包括空气流速、温度、湿度和二氧化碳含量,以及日照强
度和日照时间[2]。

蒸发冷却可以降低空气的干球温度,能提供一个较舒适的环境,还可通过控制干球温度和相对湿度来改善农作物的生长环境及满足生产工艺要求[1]。

高压喷雾降温是通过喷射超细粒水雾,水雾蒸发吸收空气的热量,从而降低环境空气
温度达到降温效果的一种冷却技术。

高压喷雾已在2010年上海世博成功采用,效
果不错。

从高度重视西安世界园艺博览会经济性、安全性、美观性等角度考虑,实
施高压喷雾降温措施是世园会舒适可靠的重要措施之一。

1 应用背景
高压喷雾直接蒸发冷却用在降温领域。

最早源于国外,用来冷却美国亚利桑那州的
莴苣菜地、加利福尼亚州的杏树果园、法国的葡萄园、希腊的柑橘树林、捷克的樱花树木。

迄今为止,在欧洲大约有800个这样的供冷系统在使用[2]。

此项技术在应用于美国、西班牙、日本世博会后,逐渐成为国际上较为成熟的室外降温方法。

国内高压喷雾直接蒸发冷却在降温领域的应用相对较晚,20世纪90年代人们开始
尝试使用,喷雾直接蒸发冷却系统积累了近10年的应用经验,曾应用于北京奥运会、北京残奥会、上海特奥会、香港迪士尼乐园、杭州国家西溪湿地公园等。

现已大规模应用于2010上海世博会且效果明显。

2 高压喷雾直接蒸发冷却理论分析
2.1 雾化机理
如图1所示,典型的喷雾系统包括高压泵、水过滤器、高压喷嘴、高压管等。

高压
泵把压力提升,经过水过滤器净化后的水经高压泵加压并由高压管输送至高压喷嘴
喷出。

液体在喷嘴出口处形成液膜,液膜在表面张力及扰动力的作用下破裂形成液
带和液丝,继粘性及环境气流的影响继续破碎直到与周围空气流场达到动态平衡,可
最终形成直径小于10微米的微细液滴[7]。

当这些细小液滴喷射到空气中后,它们
迅速吸收环境中的热量而蒸发,周围的空气则被降温加湿。

在给定的温度和湿度情
况下,喷雾能增加空气的含湿量并使空气的温度降低,温度降低的程度与被处理空气的湿球温度有关。

图1 雾化机理示意图
2.2 空气处理过程
图2是高压喷雾直接蒸发冷却空气状态变化在焓湿图上的表示过程。

从图中可以看出,室外空气(tWx)经过高压喷雾直接蒸发冷却器后降温加湿到送风状态点 (tox),空气能达到的极限温度是它的湿球温度 (ts1),然后送入室内并沿着热湿比线(εOx-Nx)最后满足室内环境温度 (tNx)的要求。

图2 高压喷雾直接蒸发冷却空气处理过程
2.3 高压喷雾直接蒸发冷却的特点
从图2的焓湿图中我们可以得到高压喷雾直接蒸发冷却的特点。

首先,高压喷雾直接蒸发冷却可以对空气进行降温加湿。

水经过高压喷雾直接蒸发冷却器,被完全雾化成细小的微粒,与室外空气直接接触进行热湿交换。

微细的小水滴与室外高温气体接触,吸收空气的显热蒸发成水蒸气并散发到大气中,同时室外空气散热导致温度降低,空气中的水蒸气增加,即含湿量增加。

此过程是一个绝热等焓加湿过程,即水蒸发水吸收的潜热与空气散发的显热是动态平衡的。

其次,高压喷雾直接蒸发冷却器能把空气处理到的极限温度是室外空气的湿球温度。

因此当室外空气的干湿球温差越大,高压喷雾直接蒸发冷却的降温效率越高。

因此在我国北方干燥地区,可以很好的利用高压喷雾直接蒸发冷却的这种高效降温加湿性能,既能对室外空气进行大降温,又能使室外空气变得舒适不干燥。

另外,高压喷雾直接蒸发冷却还可以对空气进行很好的净化作用。

由于室外空气存在许多各种各样的粉尘及一些有害气体。

高压喷雾喷出的水,变成细小的液滴,这些液滴与空气充分接触,使得空气中的颗粒物被吸附在液滴上增加液滴的重量直到液滴靠重力的作用落下,达到除尘的目的。

室外空气中又有许多会对人体造成伤害的
有害气体,例如硫化物、二氧化碳、氯气体、离子膜烧碱、硫、硫化氢和其他化合
物等。

这些有害气体被散发到空气中后被人呼吸,对人体造成呼吸道感染甚至造成
更大的损害,但这些气体溶于水后会变成弱酸或弱碱,对人体无伤害。

所以从人体健
康方面出发,尽量采用直接蒸发冷却器处理空气。

最后,高压喷雾直接蒸发冷却系统比较简单,初投资和运行费用低。

它是由高压泵、
高压水管以及高压喷嘴组成。

采用的介质是水,水被高压泵加压通过高压水管从高
压喷嘴喷出,在短时间、短距离内就碎散成许多个小液滴形成一种冷、湿气流如图
3所示。

2.4 高压喷雾直接蒸发冷却器的性能评价[8]
高压喷雾直接蒸发冷却器的主要特点是空气在降温的同时湿度也会随着增加,而比
焓值保持不变,其理论极限温度可达到被冷却空气的湿球温度。

在整个处理空气过
程中的焓湿变化如图2所示。

温度由tWx沿着等焓降温线到tox,其热湿交换效率
为
其中:
tWx—进风干球温度;tox—送风干球温度;ts—进风湿球温度。

高压喷雾直接蒸发冷却器的经济性能评价指标(EERDEC)
其中:
EER—按常规制冷模式计算的直接蒸发冷却空调的能效比;
△tavr—供冷期平均干湿球温差;
△tdes—当地设计干湿球温差。

因此,评价一个高压喷雾直接蒸发冷却系统的性能时要从这两个方面综合考虑判断。

2.5 影响因素
高压喷雾系统是将经过高压泵加压后的水从喷嘴小孔向空气中喷出,形成粒径很小的水滴,并与周围的空气直接接触通过蒸发吸热与空气进行热湿交换,最终达到降低空气温度的目的。

雾化效果的衡量指标有两个:一是雾滴粒径,二是单位面积内的雾滴数量[5]。

因此影响高压喷雾降温加湿性能的主要因素有:喷雾压力、喷水量和喷头的布置、孔径、间距。

此外,经高压喷雾处理的空气的极限温度是其湿球温度,所以空气的湿球温度也影响降温加湿的效率。

要使液体雾化,必须先使液体展成很薄的薄膜或很细的射流,然后再使其变得不稳定,进而再将薄膜或射流破碎成大量细小的液体滴群。

喷雾压力对水的雾化效果有直接的影响,雾化水滴的粒径随着喷雾压力的变化而变化。

当喷雾压力小于等于3 MPa 时,可以感觉到潮湿,当压力为5～7 MPa时基本无漏湿现象。

喷雾区的降温值随着喷雾压力的增加而增加,为达到一定的喷雾量和降温值,避免漏湿现象,需要维持
6MPa以上的工作压力[4]。

雾滴数目的多少与喷水量有密切的关系。

喷水量在一定范围内增加时,雾滴数会随着增加。

但当水量达到临界值时再继续增加水量,雾滴数增加的幅度趋于平缓,因为在喷头个数不变的情况下,喷水量的增加会使每个喷头单位时间内速度增大,从而使得后一粒雾滴与前一粒雾滴靠得太近变成大粒滴,使得小雾滴所占比例减小,与空气的接触面积就会减少。

此时水量的增加阻碍了提高雾化程度,所以确定适当的喷水量,不仅有利于提高雾化程度,节约用水,而且也避免了大喷水量带来的设备管理与维护工作等问题。

喷雾区温降随着喷雾立管间距增大而减小,立管距离增加,弱化了叠加效果,从而使得温降减小[4]。

喷水量与喷嘴孔径、喷水压力及喷嘴密度的大小成正比[7]。

高压喷雾直接蒸发冷却的降温加湿效率受被处理空气的温度影响。

当被处理空气的湿球温度比较低时,高压喷雾直接蒸发冷却的降温效果明显,满足送风状态。

当被处理空气的湿球温度比较高时,高压喷雾直接蒸发冷却的降温可能达不到所需的送风
温度。

此时,高压喷雾应结合其它的冷却方式联合运行。

3 高压喷雾直接蒸发冷却在世博会中的应用
在爱知世博会期间,采用的降温设施均是高压喷雾直接蒸发冷却技术,但是上海世博会则采用高压喷雾和低压两相流结合的直接蒸发冷却技术。

由于水经高压泵从喷嘴喷出,被雾化的细小水粒很快就被蒸发,这样与空气的接触时间短,接触的距离也短,因此传热传质效率较小。

若高压与低压两相流结合喷淋空气,则低压直接蒸发冷却会对高压喷雾直接蒸发冷却进一步补充降温,弥补高压喷雾与空气接触时间短的缺陷,增加与空气热湿交换的时间和面积,从而增加降温效率。

通过分析比较,将高压喷雾与低压两相流有机结合的降温效果更加出色。

世博园区内设有喷雾装置,能在短时间内将周围两三米内的温度降低,而喷雾所用的水来自黄浦江的潮汐水。

这样,充分利用了潮汐水来降低世博园区的空气温度,体现了节能的理念,而且,高压喷雾直接蒸发冷却空气的介质是水,不会对空气造成二次污染。

又体现了环保的理念。

同时园区直接蒸发喷雾系统有吹面不湿,散发清凉的效果。

图3 高压喷雾的安装形式
高压喷雾的安装形式有两种。

一种是立柱型,如图3a所示。

高压喷雾的喷嘴直接安装在道路两旁,对道路两旁进行降温加湿,使得经过的游客不至于天气太热而影响游览心情;另一种是悬挂型,如图3b所示。

这是高压喷雾管道悬直接悬挂在东方明珠的上方,对参观的游客带来清爽的感觉。

这两种安装形式不但没有影响世博会的整体景观的欣赏,而且会给世博会带来一种修饰或者陪衬的作用,加深了人们对世博会的美好印象。

3.1 净化空气
高压喷雾直接蒸发冷却系统是一个很好的净化空气的装置。

其喷雾液滴粒径小,在整个雾流长度上分布平均,运动速度大,喷雾雾粒的荷电量大大增加,这些都对提高除
尘效率极为有利。

高压喷雾除尘效率可达到80%～90%以上,并且设备较为简单,易于实现,将其应用于世博会,可以取得较好的除尘净化空气的效果[6]。

3.2 降温加湿
由图2我们可以看出,经高压喷雾直接蒸发冷却处理后的空气温度降低,湿度增加。

对园区空气降温加湿处理后,满足游客对环境舒适度的要求。

3.3 造景陪衬
从图3中可以看出,高压喷雾直接蒸发冷却系统不需要依靠建筑可以单独设置供冷。

这样既减少了投资费用,又可以陪衬周围环境。

对周围环境起到修饰,创造意境的效果。

增加园区对游客的吸引力。

4 高压喷雾在世园会中的应用
世界园艺博览会是观赏植物、蔬菜、水果、各种生物种子以及整个国际园艺事业的发展,代表具有国际水准的专业园艺生产者的共同利益等。

2011西安世园会处处体现着绿色、环保、低碳的元素,通过举办世园会,倡导一种绿色生活理念,推广绿色引领时尚的理念,改变人们的生活方式。

2011年西安世园会占地面积大且跨度于整个夏季,温湿度受季节影响严重。

如何考虑在炎热的夏季使参观世园会的旅客预防中暑、提高游客的舒适度,这与世园会顺利进行的安全性密切相关。

4.1 除尘、保湿、造景
西安属于寒冷地区。

在夏季,天气比较炎热干燥,因此高压喷雾直接蒸发冷却应用于
西安世园会可以对空气进行降温处理,对空气中的有害颗粒以及有害气体都可以起
到很好的净化作用。

这些作用与对上海世博会的作用类似,笔者在此不再熬述。

4.2 满足植物舒适性要求
植物生长的两个过程是光合作用和呼吸作用,二者是相互矛盾的。

光合作用利用阳
光把二氧化碳和土壤内的无机盐转化供自己生长的养料,光线越充足,植物生长的越快。

但是植物在消耗养料的同时,从根部吸收水分,通过蒸发水分降低自身的温度。

即光促进植物的生长,但过多的热量会引起植物生长停滞或死亡[2]。

因此,在世园会期间不仅要满足人们对舒适度的要求,还要满足植物花卉对环境舒适
度的要求。

植物花卉的舒适性是指对光照强度、温度、水分的要求。

首先植物对于光照强度的要求是指必须采取一定的措施使植物花卉能感受到太阳照射并能吸收太阳辐射热进行正常的光合作用。

其次对温度的要求是指植物在光合作用的同时会放出热量,再加上天气炎热影响植物叶子的正常呼吸作用,所以应该对其采取降温措施。

最后,植物生长离不开水分,所以在供冷降温的同时必须对植物花卉进行浇灌。

综上所述,在世园会人流通道上安装喷雾降温系统不仅能使人流通道上的环境空气
温度降低,起到预防中暑,提高通行人员舒适度的作用。

而且可以对植物起到浇灌的
作用。

因此,在世园会采用高压喷雾直接蒸发冷却系统是很有必要的。

4.3 高压喷雾直接蒸发冷却在世园应采用以下措施
(1)西安世园会期间在室外人员等候广场、主干道、园区各主要公交站点等人员密
集的场所采用高压喷雾降温系统是必要的。

(2)对园艺展示区,采用高压喷雾与低压两相流相结合的降温加湿系统。

这样既达到
了降温的作用又满足了植物园对水分的要求。

(3)与景观喷雾不同的是,人员比较密集的场所高压喷雾直接蒸发降温系统要求不影
响地面和人员的头发、妆容、服装,而且不能影响旅客呼吸和餐饮。

(4)在通风且有遮阳的室外空间,高压喷雾直接蒸发冷却系统可以有效降温;在无遮阳的室外空间不推荐采用喷雾降温,因为经高压喷嘴喷出的水在很短的时间就被蒸发,
降温射程短效果不佳。

(5)考虑到水被雾化成小水雾时,会被旅客吸入到呼吸道,影响人体健康。

因此用来雾化的水必须要经过净化处理,达到饮用标准。

(6)从有效喷雾、避免漏湿和节水考虑,高压喷雾直接蒸发冷却系统应该设置自动控
制系统。

5 高压喷雾直接蒸发冷却在我国的应用前景
5.1 高压喷雾直接蒸发冷却的优势
(1)节能环保。

采用的是纯物理方式,以水为介质,在降温同时不产生二次污染。

(2)功能较为丰富。

可以降温、造景、增加负离子、除尘、保湿、除异味等。

所以应用领域非常广泛。

(3)除了降温等应用外,高压喷雾在国内更用到除尘、保湿、除异味等功能方面,而且应用不断拓展。

5.2 目前高压喷雾直接蒸发冷却技术适用场所
(1)大型人员集聚区,如公园的出入口、车站站台、机场室外出租车等候排队区。

(2)电镀、电子、机械、化工塑料、印刷、包装、食品企业。

(3)各类服装厂、制衣厂、皮件厂、制鞋厂、纺织厂、核电站等机器发热、显热为主的场合。

6 结语
通过对高压喷雾直接蒸发冷却理论浅析和在西安世园会中的应用分析,可以发现高压喷雾直接蒸发冷却满足国家的节能减排政策,体现了绿色环保理念,使我国的直接蒸发冷却技术继续健康发展,并对扩大直接蒸发冷却的市场具有重大现实意义和深远的历史意义。

7 参考文献
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