直接蒸发冷却式空调机用热湿交换材料的研究进展

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【关键词】 直接蒸发冷却;热湿交换;填料;进展 中图分类号 TB657.2 文献标识码 B
Progress in research of the padding of directive evaporative cooling air-conditioner Feng Shengshan Liu Qingfeng Xu Shunhong
第 23 卷第 6 期
冯胜山,等:直接蒸发冷却式空调机用热湿交换材料的研究进展
·3·
3 填料的传热传质性能研究进展
直接蒸发冷却填料的研究始于二十世纪 60 年 代初。前苏联的 A.A.果果林注意到淋水填料的优 点,作了大量基础性实验,对填料层内的热质交换 规律、蒸发冷却效率及其影响因素进行了研究,所 用的填料主要是细松木刨花、亚麻绳、瓷环等自由 填充材料及浸有环氧树脂的正弦纸束、蜂窝纸质填 料和微孔塑料板。美国的 Watt J.R.于 1963 年出版 了《蒸发空调》(Evaporative Air Conditioning),对 这种空调系统的设备和应用作了详细介绍。从热力 学的角度看,在填料表面进行的传热传质过程是流 动、传热、传质同时发生,并相互耦合、交叉影响 的复杂的不可逆热力过程。影响其传热传质性能的 因素很多。除填料本身的几何尺寸、结构特征以外, 经过填料后的出口空气状态如干、湿球温度,淋水 的出水温度以及填料两侧空气的压力降 ΔP 还主要 受到空气质量流速,进口空气干、湿球温度,以及 淋水进水温度,淋水质量流速的影响。
1 直接蒸发式冷却空调机的技术原理
直接蒸发冷却是指未饱和空气与循环水直接 接触,水蒸发时从周围吸收汽化潜热而对空气进行
基金项目: 湖北省自然科学基金资助项目(项目编号 2007ABA093) 作者简介:冯胜山(1965-),男,研究员,目前研究方向:环境工程材料、复合材料、耐火材料。 收稿日期:2009-09-21
90º
7.0
纸质填料
BY-500Y
94
500
45 º
6.3
金属填料
同济大学张庆民,等研究了用波纹纸质填料淋 水处理空气进行绝热加湿和冷却去湿的过程。实验 结果表明:利用波纹纸质填料作为直接蒸发冷却器 填料时,热湿交换充分,冷却效率高,过流阻力小, 可以用它来代替体积庞大的喷水室。影响该填料制 作的直接蒸发冷却器换热效率的主要因素是:空气 的迎面风速、水量、填料厚度、淋水分布的均匀程 度等[4]。
填料内的水流动分布是影响空气处理设备的 传质传热性能的重要因素。如果水分布不均匀,将 导致填料内部局域区域的汽液比和宏观整体的汽 液比有显著差别,使传热传质效率大大降低。造成 填料内水分布不均的因素是多方面的。除了布水 器、填料安装和气液负荷因素外,填料本身的固有 性质如填料结构参数、润湿性能和成膜性对水的分 布也具有较大的影响。波纹填料(纸帘和铝帘)的 最大的优点之一就是具有水自分布性能,能得到较 为均匀的水分布。实践与理论研究均表明:波纹填 料的水分布均匀性优于各种散堆填料,具有压降 低、传质传热效率高、空气通量大、滞水量小等优 点。
填料传热传质性能的研究方法一直以来是许 多学者关注的问题。在实验的基础上,不少学者也 尝试对填料表面发生的传热传质过程从理论上进 行分析[2,3]。
下面分类介绍纸基填料、金属填料、泡沫陶瓷 填料和其它材质填料的研究进展。 3.1 纸基填料
纸基填料是将折叠的纸板以十字斜交叉形式 粘合成型的波纹状填料(见图 3)。当淋水的纸基 填料与热空气接触时,水蒸汽从纸基填料表面上的 微细孔蒸发出来,而后内部的水分又向微细孔补
纸基填料和金属填料都是由波纹状的纸板或 金属板以十字斜交叉形式组装而成,均为二维通孔 结构,属于硬性、整装(波纹板)型、薄膜式淋水 填料。
当前实际应用的填料主要是波纹板型的纸帘 和铝帘。其主要特点是:在结构上都设计了特殊的 波纹角度,可以控制水与空气交叉流动的方向,从 而可以提供水流与空气之间较大的接触面积以及 较小的流动阻力。纸帘的吸湿性好,但是湿挺度低。 铝帘的防腐性和湿挺度高,但是吸湿性很低,生产 成本高。
直接蒸发冷却式空调机用热湿交换材料的 研究进展
冯胜山 刘庆丰 许顺红
(湖北工业大学机电研究设计院 武汉 430070)
【摘 要】 介绍了直接蒸发冷却式地温空调机的原理和特点;综述了直接蒸发冷却式地温空调机用纸质、金 属质、泡沫陶瓷质和其它材质热湿交换材料及其应用的最新研究进展;预测泡沫陶瓷将是空调机 热湿交换材料的主要发展方向。
目前在工程中应用最广的填料是纸帘,因其生 产成本低。但是综合考虑填料的热工性能、防腐耐 久性、防火性、除尘性及经济性等,无机填料最好[1]。
泡沫陶瓷填料是一种新型整装填料。它由许多 具有相同几何形状的填料单元体组成,具有三维连 通网络结构。由于陶瓷独特的结构,具有良好的亲 水和保水性能,其表面可形成极薄的液膜。液膜的 湍动及气流的倾斜曲折通道,能促进气流与液膜的 充分接触,使泡沫陶瓷填料能与波纹板型填料相媲 美,而其耐腐蚀、耐高温性能却比波纹板型填料高 得多。
( Research & Design Institute of Mechanical & Electronic Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan, 430070 ) 【Abstract】 The recently progress in research of the padding of directive evaporative cooling air conditioner is summarized. The emphasis is on the principle and advantages of padding. The material for the padding is classified into four aspects, i.e., papery padding, metallic padding , foam ceramic padding and other padding. The application of padding is also reviewed. It is forecasted that ceramic foam will be the main development direction of heat and moisture exchange materials of the air conditioner. 【Keywords】 direct evaporation cooling;heat and moisture transfer;padding;progress
江苏大学王助良,等在某生产车间设计和安装 了纸质湿帘降温系统,建立湿帘降温系统的降温增 湿模型。系统测试表明:降温增湿模型能准确地反 映空气通过湿帘后温度和湿度的变化,水与空气热 湿交换充分,过帘后的空气温度可降温 5℃~ 10℃[5]。
·4·
制冷与空调
2009 年
西北纺织工学院黄翔,等[1,6,7]对 GLASdek 和其它材质填料进行了对比研究,并且系统地分析 了进口空气干湿球温度和相对湿度对空调机温降、 加湿管冷却效率及加湿效率的影响;另外,从填料 层厚度、淋水量、迎面风速、过滤器设置、风机选 择、风量调节、水泵选择、室内湿度控制以及空调 机整体结构等方面提出了直接蒸发冷却式空调机 优化设计的主要措施,以提高其综合性能。研究结 果表明:GLASdek 填料的热工性能比金属填料好。 3.2 金属填料
0 引言
地温空调(亦称地源空调、地能空调)是近年 来国内外重点研究和开发的新型节能、环保空调。 地下水具有四季恒温(15~18℃)特征,地下水与 地面空气在夏季存在负温差,在冬季存在正温差。 直接蒸发冷却式地温空调的原理就是利用地下水 与地面空气在不同季节的温差,通过多孔结构热湿 交换器(亦称填料、水帘)将地面空气进行蒸发冷 却(或传导加热)、除湿(或加湿)和除尘净化, 再送入室内置换原来受污染的高温高湿(或低温低 湿)空气,达到净化室内空气和调节室内温湿度的 目的。该技术与常规冷媒制冷(热)技术相比,具 有对大气环境无污染和低耗能等优点。在全球大气 逐渐变暖,大气臭氧层破坏日益严重的情况下,这
种环保型空调技术越来越受到人们的重视。 多孔结构热湿交换材料是直接蒸发冷却式地
温空调技术的核心,其性能直接影响到空调机的运 行效果[1]。因此,有必要深入研究热湿交换材料, 以求全面提高直接蒸发冷却式地温空调的技术水 平,降低运行成本。
本文将主要对直接蒸发冷却式空调机用热湿 交换材料及其传热传质机理的国内外研究进展进 行归纳和总结,并且预测空调机热湿交换材料的主 要发展方向。
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制冷与空调
2009 年
冷却。图 1 为直接蒸发冷却空调机的结构简图。图 2 为直接蒸发冷却空调系统原理图。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及水 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 膜表面的不饱和空气中迁移,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 热量及质量传递过程中,其方向及强度受多因素的 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[1]。
直接蒸发冷却填料按材质又可分为有机材质 和无机材质两种,其中有机材质主要有天然植物纤 维(俗称木丝)和纸基填料(纸帘),无机材质主要 有玻璃纤维、金属填料(铝帘和钢帘)及泡沫陶瓷 填料。
木丝和玻璃纤维均为三维通孔结构,属于半软 性和散堆型填料,比表面积大,但是孔径小、过流 阻力大、湿挺度均低,而且木丝的耐腐蚀性和玻璃 纤维的吸湿性也差。
充,形成动态平衡。
图 3 纸基填料形貌
典型的纸基填料是瑞典蒙特(Munten)公司的 CLASdek 填料和 CELdek 填料。CLASdek 填料是 以碱性植物纤维为基材,经特殊成分的树脂浸泡, 再经烧结处理制得的高分子复合材料。CELdek 填 料由加入了特殊化学原料的植物纤维纸浆制成。 CLASdek 和 CELdek 的吸水性强,吸水后能在材料 内部扩散直至完全湿透。
直接蒸发冷却填料的分类方法很多。按填料的 弹性特性又可分为硬性、半软性、软性等。按填料 的装配情况又可分为整装和散堆等。按填料中水被 淋洒成的冷却表面形式,可分为点滴式、薄膜式、 点滴薄膜式三种类型。其中,点滴式淋水填料主要 以水滴散热为主,约占总散热量的 65%~70%;薄 膜式淋水填料以表面水膜散热为主,约占总散热量 的 70%。
表 1 列出了瑞典蒙特公司 CELDEK5090 型纸 质填料的主要性能参数(同时对比列出了我国天津 某公司 BY-500Y 型金属填料的主要性能参数)。
表 1 典型纸质填料和金属填料的主要性能参数
空(m2·m-3)
(mm)
CELDEK5090
95
680
图 1 直接蒸发冷却空调机的结构简图
图 2 直接蒸发冷却系统原理图
2 直接蒸发冷却空调机用填料的性能要求 及种类
填料应满足下列要求:具有较高的冷却能力, 即水与空气接触表面积较大,接触时间较长;通风 阻力小;材料易的;价廉,施工、维修方便,质轻。
评价填料质量的主要性能指标有:比表面积、
空隙率、密度、强度、湿挺度(吸湿后的结构刚度)、 吸湿性、散水性、阻燃性、耐腐蚀性和使用寿命等。
广东仲恺农业技术学院宋垚臻对空气与水逆流通过纸质填料的热质交换过程进行了分析建立了通用的计算公式并应用matlab数学软件方便快速地对公式进行求解计算出空气与水逆流通过纸质填料后空气和水的状态参数并与前人的实验结果比较验证了文献7给出的模型公式的准1415对金属填料的热质传递进行了研究推导出描述金属填料内部以热空气与冷水的温差和水蒸气分压力差为驱动力的热质传递过程的微分方程组求得了该微分方程组的数值解描述了金属填料内部空气的湿球温度场和填料表面水膜的温度场分析了单位面积空气冷水质量流量和进口冷水温度对金属填料热质传递性能的影响规律为金属填料用于空调机组的设计提供了计算方法可以根据给定的流经填料的空气质量流速淋水质量流速空气进口状态及冷水的供回水温差计算出所需填料的高度为满足工程精度要求的设计提供依据
第 23 卷第 6 期 第 2230卷09第年61期2 月
制冷与空调 冯胜山,等:R直ef接rig蒸era发tio冷n 却an式d A空ir调C机on用dit热ion湿in交g 换材料的研究进展
Vol.23 No.6 Dec. 2009.1~·8 1·
文章编号:1671-6612(2009)06-001-08
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