传热传质研究报告------直接蒸发冷却原理的应用及进展

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传热传质过程报告——直接蒸发冷却原理的应用与进展
年级：2010级
专业：建筑环境与设备工程
学生：
学号：
二零一三年五月
[摘要]蒸发冷却具有节能、经济、环保等优点,在建筑热湿环境保障领域受到越来越多的关注。

本文介绍了近年来直接蒸发冷却技术的工程应用情况与发展趋势,系统总结了直接蒸发冷却器的传热、传湿与净化效能,蒸发冷却器与其他系统的结合方法。

[关键词]：直接蒸发冷却；数学模型；工程应用；发展趋势
[引言]：直接蒸发冷却是在自然条件下利用空气的干湿球温差来取得冷量的。

它是以水为制冷剂，对环境没有污染，且所消耗的能量只有水泵和风机的功耗，COP值高于常规的机械制冷系统。

因此它具有节能环保的特点，另外它是全新风送风，可以改善空气品质，防止病毒感染的功能，所以在臭氧层的耗减和全球温暖化进程的加剧的情况下，这种对环境污染少，能源消耗少的空调技术中越来越受到人们的重视。

[正文]：
蒸发冷却技术容介绍
1、传质冷却的机理
传质是体系中由于物质浓度不均匀而发生的质量转移过程。

体系中由于熵自动向最大值移动，即趋向均匀，如果各部分温度不均匀，会趋向一个平均温度，如果浓度不均匀，也会趋向一个平均浓度，但浓度的传递必须发生在流体中间，可以是两种流体之间，也
可以是一种流体和固体之间传质(如萃
取)，但不可能在两种固体之间发生传
质过程(虽然可以发生传热过程)。

然而
传质冷却真是通过传质所引起的温度
的差异而实现的，各物质的浓度的差异
导致了高低温物质的相互混合，以致综
合后的总的物质的温度下降，以达到降
温的目的。

2、直接蒸发冷却
直接蒸发冷却(Direct Evaporative Cooing，简称DEC)利用循环水在填料中直接与空气充分接触．由于填料中水膜表面的水蒸汽分压力高于空气中的水蒸气分压力，这种自然的压力差成为水蒸发的动力。

水的蒸发使得空气和水的温度都降低，而空气的含湿量增加，空气的显热转化为潜热，是等焓降温过程。

图1直接蒸发冷却空调器是一种使用循环水的蒸发冷却设备。

主要包括一个风机，填料，水泵（不断地将水池里的水喷到填料上以保持填料湿润）以与补水泄流部件。

风机抽室外空气通过湿润的填料，使得室外空气更潮湿更冷却，冷却的空气进入房间，并将室热空气从打开的窗口、门等处排出，这一点和传统制冷空调明显不同，它不使用循环风，能保持室空气清新。

当不饱和的空气与填料表面水膜直接接触时，在贴近水膜表面的地方或水滴周围，由于空气和水温差的存在以与分子作不规则运动的结果，形成一个与水表面温度相等的饱和空气边界层由于未饱和空气与边界层之间存在着温度差和水蒸汽浓度差或水蒸气分压力差，当水的温度低于空气的温度而水表面的蒸汽分压力大于周围空气的水蒸汽分压力时，则空气向水传递显热，空气温度下降，水温上升，水表面边界层的水蒸气分子向空气中转移，即蒸发，使空气变湿润；水膜从周围吸收汽化潜热并在紧贴水膜表面形成对应于水膜温度的饱和空气层，饱和空气层中的水蒸气在水蒸气分压力差的推动下，向掠过水膜表面的不饱空气中迁移，进行着以质量传递为形式的潜热交换。

在这两个同时发生并互相耦合的热量与质量传递过程中，其方向与强度受多因素的影响，形成典型的空气－水蒸气－水两相多组分中伴随质量迁移的复杂传递过程。

3、直接蒸发冷却模型的建立与求解
3.1边界层理论模型
蒸发冷却技术属于低品位能源利用技术，其主要特点是在淋水填料表面进行热质交换，其过程是流动、传热、传质同时发生，相互耦合，交叉影响的复杂不可逆热力过程，空气和水呈叉流状，故对其部的流动状况进行描述、测量和计算比较困难，研究主要以实验为基础，理论计算也是其难点之一。

本文通过分析填料式直接蒸发冷却设备部传热、传质过程，建立数学模型，为蒸发冷却设备的设计、应用提供理论基础和依据。

现有的边界层理论建立的数学模型很少考虑到质量源项产生的动量源项对动量方程的影响，为此，在建立动量方程时将动量源项的影响考虑进去以减小数学模型和实际问题之间的偏差。

3.2假设条件：
（1）忽略空气、水与外界的换热，空气进行绝热加湿。

（2）空气温度、含湿量和水温只沿流动方向变化。

（3）液膜流动为层流，表面无波动。

（4）水膜很薄，淋水量只要满足润湿整个填料表面即可，故而忽略其厚度。

（5）直接蒸发冷却过程稳定。

（6）气液、液固界面表面无滑移。

如图3所示,空气流动方向为x，水流动方向为y，填料宽度方向为z。

根据假设条件，可简化为二维模型，确定如图4所示的计算区域。

（1） 质量方程
空气：
v a a m x u =∂∂)
(ρ (1) 水：
v w w m y
u -=∂∂)
(ρ (2) （2） 动量方程
通常x 轴（速度为u ）动量方程为：
)
(31)()()()
()()()(z
w y v x u x z u z y u y x u x x p g z
w u y v u x u u u x ∂∂+∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂-=∂∂+∂∂+∂∂+∂∂μμμμμμρρρρτρ
考虑了动量源项影响的空气、水的动量方程如下：
空气： x a
a x a a a a S x
u x p g x u u +∂∂+∂∂-=∂∂2
234)(μρρ (3) 水：y w w y w w w w S y
u y p g y u u +∂∂+∂∂-=∂∂2
234
)(μρρ (4) （3） 能量方程
空气： pa
v
a pa a a a a c q x t c x t u -∂∂=∂∂2
2)(λρ (5)
水： pw
v
w pw w w w w c q y t c y t u +∂∂=∂∂2
2)(λρ (6) （4） 空气含湿量质量守恒方程
v a
pa a a a a m x
d c x d u +∂∂=∂∂2
2)(λρ (7) （5） 湿空气状态方程
T
p T B q a 001315.000348.0-=ρ (8)
（6） 质量交换方程
)(a as a v d d K m -=(9)
（7） 热量交换方程
)(as a p a v t t c K q -=(10)
（8）K a ＝b1×m a b 2×Γb 3
(11)
K a 与空气质量流率m a 、淋水密度Γ，以与填料种类和结构有关。

3.4 边界条件
针对图4所示的计算区域，控制方程的边界条件表达如下： （1） 空气入口边界（x=0）
入口边界的速度u a 给定，温度、含湿量、焓给定。

u a ＝u a i ，t a =t a i ，d a ＝d a i ，h a =h a i （2） 空气出口边界（x ＝δ）
u a ＝u a o = u a i ，h a =h a o = h a i （3） 水入口边界（y=0）
入口边界的速度u w 给定，焓也给定。

u w ＝u w i ， h w =h w i
（4） 水出口边界（y=填料高度）
u w ＝u w i = u w o ， h w =h w o = h w i 注：i:输入值
o:输出值
一般来说，出口边界总是最难处理的边界条件。

按微分方程理论，应当给定出口截面上的条件，但除非能用实验方法测定，否则我们对出口截面上的信息一无所知，有时，这正是计算所想要知道的容。

目前广泛采用的一种处理方法，即假定出口截面上的节点对第一个节点已无影响，因而可以令边界节点对节点的影响系数为0，这样出口截面上的信息对部节点就不起作用，也就无需要知道出口边界上的值。

这种处理的物理实质相当于假定出口截面上流动方向的坐标是局部单向，下游不影响上游[7]。

4、数值结果与分析
)(11
2min max w ip wbs wbs t t t t C C --=
ε
5、工程实际应用与最新进展：
5.1．2011年，由.北方工业大学建筑工程学院的伟娇和特灵空调系统(中国)的楼胜芳与日本名古屋工业大学水谷章夫三人研究成果：北方工业大学科研基金项目《保水性铺装材料表面蒸发冷却效果的室实验研究》发表在期刊《建筑科学》2011年27卷第六期上，这是蒸发冷却的新应用。

保水性铺装是一种通过表面蒸发冷却来有效降低铺装表面温度的方法,可以缓解城市热岛现象。

保水材料的种类不同,效果各异,若进行室外蒸发冷却实验会受到气候条件的制约。

该文分析了开粒度沥青表面铺装材料和具有吸水/保水性沥青表面铺装材料的表面蒸发冷却效果。

5.2.直接蒸发冷却通风降温在地铁高架车站的应用。

地铁3号线高架车站采用直接蒸发冷却通风降温方式，在地铁高架车站中采用该通风温降方式可较好的改善站环境、提高乘客的舒适感。

通过初投资和运行能耗计算分析说明,在初投资不高的情况下可产生良好的社会经济效益。

通过工程实例的应用分析研究可知,直接蒸发冷却通风降温方式在与气候条件相近的我国北方大多数城市地铁高架车站应用也是适宜可行的。

5.3.蒸发冷却技术应用于大型汽轮发电机的,得出定子浸润式、转子开放管道式蒸发冷却方案应用于大型汽轮发电机在技术上是可行的;同时对汽轮发电机转子绕组开放管道式蒸发冷却技术。

5.4.新型蒸发冷却式通风外墙,复合墙体空气与水两种流体域的流动传热,与常规的建筑墙体相比,利用水的蒸发冷却对外墙表面进行降温的复合通风外墙结构具有很好的隔热效果,蒸发冷却式通风外墙只能采用水层位于通风空气层侧的结构形式通过提高空气入口速度,可以达到更好的隔热效果而通风机的安装位置和送风方向的选择相对自由,水层厚度与空气层厚度对墙体稳态热工性。

[总结]：直接蒸发冷却过程是一个同时存在流动、传热和相变传质等多个传递过程的复杂过程。

理论上，可以从质量、能量守恒方程与传热传质方程出发，求出关于DEC空调机进出口温湿度之间的变化规律，但是为了简化分析和计算，在建立理论模型的时候引入了一定的假设条件。

传热传质的过程其实非常复杂，人们至今仍不能完全掌握它。

蒸发冷却作为一种典型的热质交换过程，在工程中广泛应用，在暖通空调领域有着重要的地位，我们应当充分认识到这一点，在总结前人研究的基础上，推出新，以与更好的了解传热传质过程并应用于实际工程中。

参考文献：
［1］黄翔, 武俊梅, 等. 中国西北地区蒸发冷却技术应用状况的研究[C]. 第11届全国暖通空调技
术信息网大会论文集
［2］武俊梅, 黄翔, 殷清海, 等. 直接蒸发冷却空调机性能研究[J]. 建筑热能通风空
调,2000,19(4): 12-14
［3］宣永梅. 无机填料直接蒸发冷却空调机的理论与实验研究[D]. 工程科技学院，2001
［4］Boris Halasz. A general mathematical model of evaporative cooling devices[J]. Rev G én Therm, 1998, 37: 245-255, Elsevier, Paris
［5］J.R. Camargo, C.D. Ebinuma, S. Cardoso. A mathematical model for direct evaporative cooling air conditioning system[J]. Engenharia Térmica, nº 4, 2003: 30-34
［6］王补宣. 工程传热传质学（上下册）[M]. : 科学, 1982 ［7］文铨. 数值传热学[M]. : 交通大学, 2002。