露点间接蒸发冷却器的结构对比分析

3.2 EST-E10CS 机组
图 4 EST-E10CS 机组芯体内气流路径示意图
尹进福等人基于 M-Cycle 制造了叉流式露点间接蒸发冷却器，并申请了专利[4]。该机组的 芯体按打孔的位置分成上下两部分，芯体的下半部沿 45 度对角线打孔，芯体上半部不打孔， 如图 4 所示。产出空气（可以是室外空气也可以是室内回风）通过芯体上半部的水平流向干 通道，产出空气含湿量不变，温度降低，然后送入房间；室外空气通过芯体下半部的水平流 向干通道，因为干通道末端被挡板堵死，所以室外空气只能通过干通道上的圆孔进入垂直流 向的湿通道，成为工作空气。工作空气在湿通道内与水热湿交换，温度降低，通过板壁带走 干通道内产出空气的热量，最后工作空气从芯体顶部排到大气。 3.3 新型 ISAW TAC-150 机组
图6
多边形逆流式露点间接蒸发冷却器的结构示意图
英国诺丁汉赵旭东教授开发了多边形板叠置式热湿交换器以实现建筑的露点冷却，其露 点效率增加到 85%[4,6]。这些多边形板用相同材料的层叠在一起，且每片板的一侧涂有防水材 料以防止水的渗透。吸入的空气从换热器右下角进入干通道。运行过程如图 6 所示：气流通 过通道并且最终在通道的另一端被分成两部分：一部分空气沿着相同的方向继续前进并最终 送入需要冷量的空间，另一部分空气被送入临近的湿通道中。湿通道表面被水湿润。湿通道 中通过壁面水分的蒸发吸收热量。空气在湿通道中流入反方向并最终从换热器的右上角排放 到大气中。
3.5 OASys 机组
图 7 OASys 机组的结构示意图
戴维斯能源组(Davis Energy Group)和 Speakman CRS 开发的第三代 IDEC(间接-直接蒸发冷却 器)，称为 OASys[7]。由于采用两级蒸发冷却，OASys 能产生温度更低的送风。如图 7 所示，间 接蒸发冷却段为逆流式露点间接蒸发冷却，提供第一级预冷，间接蒸发冷却段冷却空气的同 时不增加空气湿度，预冷后的空气通过高效的直接蒸发冷却段（即 Celdek 填料）进一步冷却。 室外空气通过风机压入逆流式露点间接蒸发冷却段，一部分空气作为工作空气通过板上的穿 孔进入相邻湿通道，吸收热量后排入大气，另一部分空气作为产出空气被湿通道的水或空气 带走热量，通过填料加湿冷却后，温度进一步降低，最后送入房间。
图 2a M-Cycle 工作原理的焓湿图
图 2b M-Cycle 工作原理的示意图
在图 2a 和图 2b 中， 如果分离出总气流Ⅰ的一部分作为产出空气Ⅱ， 由于总气流Ⅰ比工作 空气Ⅲ温度高得多，工作空气Ⅲ将会从干通道获得更多的热量，这造成板壁上水分的额外蒸 发，且 htotal>hproduct 即 h1>hdp。湿通道内水蒸气温度将沿着饱和状态线升温，如图 2a 的焓湿图 所示。 干通道内的总空气（对应点 1）通过板壁被冷却，湿通道内板壁上水分蒸发的汽化潜热吸 收了板壁的热量，工作空气温度升高（对应点 3） 。对于一个理想循环，离开换热器的工作空 气温度将等于进入干通道的进口空气的温度，即 t1=t3。如果忽略风机和水泵的能耗以及进水 的温度变化，则理想的热量平衡方程式为 Gtotal(h1in-hdp)=Gworking(h3-hdp)即 Gproduct(h1in-hdp)=Gworking(h3-h1in) （2） 由于焓湿图中饱和线的曲线较陡，工作空气沿着饱和线小幅度的含湿量增加将造成产出 空气温度大幅度的降低。因此，工作空气的流量少于产出空气的流量。在理想循环下工作空 气带走的热量为 h3 饱和-h1，也就是制冷量。在实际中，排气的焓值总是低于理想情况的焓值， 排气的焓值为 h4。
图5
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ISAW TAC-150 机组的结构示意图
该机组出现在英国市面上，换热器干侧有一部分通道专门作为工作空气的通道，其余通 道为分配给产出空气。如图 5 所示[5]，产出空气与工作空气最初进入与干通道平行的流道，工 作空气通过的流道均匀地布置着许多小孔，每个小孔允许一定比例的空气通过湿通道，在湿 通道表面形成均匀分布的水膜。这样的布置可以让工作空气先预冷，即先失去热量后才进入 到相邻的湿通道，产出空气被冷却后，送入空调房间，工作空气被加湿，加热，排放到大气 中。由于预冷的作用，工作空气具有更低的温度，因此，能够吸收它的两个相邻通道更多的 热量。 与其他叉流式换热器的工作空气都来自于预冷后的空气所不同，在这种换热器中，湿通 道内的工作空气来源有两部分，即未经预冷的室外空气（如湿通道 5 和 6 的工作空气）与经 过预冷后的工作空气（如湿通道 1~4 的工作空气） 。这种流道的设计有利于湿通道的气流均匀 不受送风与排风口调节的影响。产出空气沿着流动路径被逐渐冷却，工作空气进入穿孔前的 预冷为干湿通道中的空气提供了更大的温差，因此提高了换热器的冷却效率。 3.4 多边形板逆流式露点间接冷却器
2 M-Cycle 工作原理
M-Cycle 利用与板翅式间接蒸发冷却器相同的干通道和湿通道， 但不同的气流组织创造了 新的热力学循环，产出空气被冷却到进口空气的湿球温度以下且逼近露点温度。
图 1a 理想的逆流式换热器的焓湿图
图 1b 理想的逆流式换热器的示意图
如图 1a 和图 1b，进口气流Ⅰ先经过板的干通道后进入板的湿通道成为气流Ⅱ，最后作为 气流Ⅲ排出。由于湿通道水分蒸发的汽化潜热吸收板壁热量，当进口气流Ⅰ经过板的干通道 时被冷却。干通道的气流被湿通道的气流冷却，湿球温度也随之降低。在干通道的末端，从 干通道进入湿通道的气流Ⅱ的焓值为进口空气达到露点温度时的焓值 hdp。刚进入湿通道的冷 空气温度为进口空气的露点温度。假设进口空气质量流量为 G，则能量平衡表达式为 G（h1-hdp）=G(h1wb-hdp)或 h1=h1wb 于产出空气就是工作空气，系统的制冷量为零。只有一股气流时，hin=hout。 对理想的逆流式换热器的分析如上所述。实际上，由于进口空气与排气的确存在焓差， 离开湿通道的气流获得额外的热量。湿空气沿着相应的饱和线升温达到图 1a 中最大值点 3 之 （ 1） 板壁上任一点上，h1=h2，因此系统既没有获得热量也没有带走热量。在这一过程中，由
液体）至空气的湿球温度以下，甚至逼近其露点温度，而且不增加产出空气的含湿量，应用 于蒸发冷却空调领域，也就是露点间接蒸发冷却。近年来，国内外出现了许多基于 M-Cycle 的露点间接蒸发冷却器，笔者参考国内外文献及产品样本，在本文对露点间接蒸发冷却器的 结构进行分析对比，就有关机组的设计提出自己的看法，以其抛砖引玉。
1 前言
国际学者 Valeriy Maisotsenko 发明了一种新型的热力循环， 即 Maisotenko-cycle[1]。 M-Cycle 利用自然界的干空气能来冷却降温，在不使用压缩机和制冷剂的情况下，能够冷却气体（或

作者简介：周海东（1988—） ，男，西安工程大学，在读研究生，供热、供燃气、通风及空调工程专业。 联系方式：E — mail： mishaotu@126.com 课题来源：本课题受陕西省科技统筹创新工程计划项目（2011KTCQ01-10）的资助 研究方向：主要从事蒸发冷却空调技术的研究
后离开系统，此时 t3=t1，相对湿度为 100%。 从板的干侧获得的热量增加了排气的温度和湿度，板的湿侧与干侧只发生热交换不发生 质交换，即 h3-hdp>h1-hdp。因此，排气的流量比进口空气的流量小。如果减少排气的流量，则 可以分离一部分干通道末端的空气作为产出空气，干通道末端的空气温度最低。此时，描述 换热器的的焓湿图由图 1a 变为图 2a。
露点间接蒸发冷却器结构对比分析
周海东 黄翔 范坤
（西安工程大学，陕西 西安 710048） 摘 要: 本文详细分析了 M-Cycle 的工作原理，介绍了近几年国内外出现的几种露点间接蒸
发器的结构，包括叉流式、逆流式、以及间接-直接两级蒸发冷却器，比较这几种结构的优点 与不足。参考大量国内外文献，总结露点间接蒸发冷却器在设计时考虑的因素，例如冷却器 进口的气象参数、风量、工作/产出空气的比例、通道长度或高度、芯体的材质等，希望对今 后设计人员有所借鉴。 关键词： 蒸发冷却 露点蒸发冷却 M-Cycle 结构对比 设计参考
3 露点间接蒸发冷却器的结构形式
3.1 Coolerado
图 3 Coolerado 叉流式热质交换器气流路径的示意图
如图 3 所示，Coolerado 叉流式热质交换器的工作原理[2]。中间部分打有许多小孔，且中 间通道的末端被挡板堵死，工作空气最初和产出空气一样，先进入纵向干通道被横向湿通道 的水或空气所预冷，由于末端被堵住，只能通过干通道上的小孔钻到相邻的湿通道。工作空 气沿着板两翼的横向湿通道，通过湿通道的水分蒸发吸热带走干通道的热量，最后从横向湿 通道板的两侧排出。产出空气沿着纵向干通道被冷却，温度逼近室外空气的露点温度，但含 湿量不变[3]。 单独对 Coolerado 的这结构叉流式换热器进行试验测试，换热器的湿球效率可达到 110%~122%，露点效率可达到 55%~85%[2]。
冷却器的理想循环表明，工作空气离开冷却器的温度达到干通道进口空气的温度，工作 空气是饱和的，产出空气为露点温度。理想模式下的制冷量为： Q0=Gproduct(h1in-hdp) 理想循环的热平衡为： Gtotal(h1in-hdp)=Gworking ideal(h3-hdp) 即 Gproduct ideal(h1in-hdp)=Gworking ideal(h3-h1in) （4） 必须指出的是，循环的性能取决于进口空气的状态，进口空气的状态决定了产出空气在 理想条件下可达到的最低温度（工作空气的露点温度）以及工作空气在理想条件下可达到的 最高温度（产出空气的进口温度） 。 理想情况下 Gproduct (h1in-hdp)=Gworking(h3-h1in) 实际情况下 Gproduct (h1-h2)=Gworking(h4-h1) 评价露点间接蒸发冷却器的效率为露点效率： η=（t1-t2）/(t1-tdp) （7） 基于 M-cycle 的原理，国内外许多学者提出许多露点间接蒸发冷却器的结构形式，来实现 送风温度达到湿球温度以下， 笔者将其称之为“亚湿球温度”。 下面分别对露点间接蒸发冷却器 的结构形式进行分析。 （5） （6） （3）
A comparative analysis of configuration evaporative cooler
on dew point
ZHOU Hai-dong, HUANG Xiang, Fan Kun (Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710048, China) Abstract: The paper analyzed the principle of M-Cycle, this paper introduces several kinds of dew
point evaporative cooler presented at home and abroad in the structure of the indirect evaporator in recent years, including cross flow, counter flow, and indirect-direct evaporative cooler, comparing the advantages and disadvantages of several structure. Reference plenty of domestic and foreign literature, this paper summarizes considered factors when design the dew point evaporative cooler , such as inlet conditions of cooler, air volume, working /product air rate and channel length or height, material of core and so on, may be Key words: reference designer can draw lessons from it in future. Evaporative cooling， Dew point cooling， M-cycle， Configuration comparison， Design