通过间接蒸发冷却降低到空气湿球温度以下汇总

通过间接蒸发冷却降低到空气湿球温度以下

作者：Ala Hasan*

摘要：间接蒸发冷却是一个用于冷却空气的可持续方法。限制蒸发冷却器广泛使用的主要因素是过程的极限温度，即室外空气的湿球温度。在本文中，介绍了一种通过间接蒸发冷却产出空气温度低于湿球温度以下的方法，而不是通过蒸汽压缩机械机组。主要的方法是使产出空气分流作为工作空气进入冷却器，即在最后冷却及送入房间之前进行间接预冷。从而开发了一种用于热质交换过程的模型。四种类型的冷却器研究如下：三个两级冷却器（一个逆流，一个并流以及一个并流-再生流结合）和一个单极逆流再生冷却器。

结果表明，这种方法用于间接蒸发冷却能够产出低于室外空气湿球温度的空气。对于此过程来说，极限温度是室外空气露点温度。对于研究的两级逆流，并流和并流-再生结合的冷却器的湿球效率（E wb）分别为1.26,1.09及1.31，而对于单极逆流再生冷却器是1.16。这种方法扩展了蒸发冷却器在建筑以及其他的工业领域的应用潜能。

关键词：间接蒸发冷却湿球温度以下接近露点

1. 引言

建筑业占世界总能源消耗的主要部分。它有最大的提高能源利用效率的潜力。冷却能源是一个重要的能源，由于室内舒适性需求的增长和全球变暖的影响，冷却需求持续增加。蒸发冷却是一个有效的和经济上可行的方法。因为工作流体是空气和水，这是一个可持续的解决方法。此外，蒸发冷却不仅限于建筑冷却，也可以应用在许多其他的农业和工业[1]。然而，常规的蒸发冷却具有严重的热力学限制：过程的极限温度是室外空气的湿球温度，在实际中得到的温度甚至更高。由于这个原因，在许多情况下，冷却流体不能达到合适的低温，因此蒸发冷却的利用潜能是有限的。因此，新的方法和技术是产生所需的冷却能源。

通过蒸发冷却降低到空气湿球温度以下解决了这种限制，因为它能使冷却温度低于室外空气湿球温度。有几项研究通过蒸发冷却和许多创新的想法实现降低到空气湿球温度以下。然而，大多数暖通工程师不知这些方法，以及相关的结果没有共同使用。Crum[2]等人表明，通过使用多级间接蒸发冷却和冷却塔热交换结合可以实现。他们指出在空调应用方面，这种冷却塔热交换结合形式具有很大的热潜能。它可以产生较低的入口空气温度，具有较高的冷却能力。他们指出在空调运行期间，该设备的性能系数（COP）可以达到75。Hsu[3]等人通过理论和实验研究，这两个闭环湿表面热交换器配置通过逆流和叉流可以产生低于湿球温度的冷却。通过闭环逆流式冷却器装置实验测量，他们指出对于逆流闭环装置，该最大的湿球效率为1.3，干通道的传质单元数（NTU）为10，而对于叉流闭环装置，在相同的最大效率下，NTU可以达到15。对这两台装置，当送入房间的空气比例从零增加到60%时，效率减少了10%。Boxem[4]等人提出了一个间接蒸发冷却器模型：两侧带有百叶窗的紧凑式逆流热交换器。该模型是用来模拟性能为400m3/h的空气冷却器。作者指出，当入口空气温度低于24o C，他们的计算高估了冷却器性能20%，而对于较高的入口空气温度，冷却器性能高出10%。Anisimov[5,6]等人提出了一个组合并流和再生-逆流间接蒸发冷却器。在数学分析的基础上，他们指出这样一种冷却器比其他类型的冷却器具有较高的效率。Zhao[7]等人提出通过数值研究，逆流间接蒸发冷却器可以实现低于湿球温度。他们提出一系列设计条件尽量增大冷却器性能：入口空气速度0.3~0.5m/s，空气通道高度6mm或较低，空气通道的长高比为200，工作空气和产出空气比大约为0.4。他们指出，在英国夏季设计条件下，冷却器湿球效率高达1.3[8]。Riangvilaikul和Kumar[9]在干燥、中等湿度和湿度气候下，在不同的入口空气条件下（温度、湿度和速度），对一个显热蒸发冷却系统进行实验。实验结果表明，湿球效率介于92和114%之间。在一个炎热和潮湿的气候下，选择一个典型的夏季某一天让系统连续运行，湿球效率几乎不变，为102%。

本文的目的是通过研究，理论，方法实现间接蒸发冷却产出空气低于湿球温度。研究和比较了四种不同类型的冷却结构和性能。本文的目的是，基于冷却器的热质交换过程数值分析的数学模型。

名称

d 薄壁和水膜的厚度（m）β传质系数（kg 水/s m2）/（kg 水/kg干空气）Edp 露点效率，Edp= (Ti -To)/(Ti-Tdp) 下标

Ewb 湿球效率，Ewb= (Ti -To)/(Ti-Twb) d 干侧

H 空气含湿量（kg水/kg干空气）dp 露点温度

h 空气焓值（J/kg）i 入口

L 通道长度（m）n 节点

M 干通道的空气质量流量（kg/s）o 出口

m 湿通道的空气质量流量（kg/s）w 湿侧

Q 传热量（W）wb 湿球温度

RH 空气相对湿度（%） 1 一级

T 干通道的空气温度（o C） 2 二级

t 湿通道的空气温度（o C）上标

t f水膜温度（o C）′饱和条件下空气-水接触面温度

y1，y2 干、湿通道的高度（m）″饱和条件下水膜温度t f

Z 通道宽度（m）

a 对流传热系数（W/m2 K）

2. 间接蒸发冷却过程

如图1所示间接蒸发空气冷却器。产出空气，即送入房间的空气，在干通道里流动。工作空气流过有一层水膜的薄的不渗透壁湿通道内，这道壁将干、湿通道分开。因此，产出空气和水膜不直接接触，在湿通道内空气和水直接接触，从而降低水膜的温度。热转移通过薄壁从产出空气到水膜传递，这意味着产出空气仅发生显热冷却。因此，间接蒸发冷却不增加产出空气的含湿量，对于直接蒸发冷却来说这是个优势。由于水的蒸发，工作空气的焓值增加。因为工作空气的湿度高，所以将工作空气排到大气。进口工作空气的湿球温度限制了湿通道内空气和水直接接触，然而这意味着送入室内的产出空气温度比湿球温度高。根据双通道里气流相对流动方向，间接蒸发冷却器可以分为逆流和并流冷却器。

图1 逆流式间接蒸发空气冷却器

3. 计算模型

如图2所示为间接蒸发冷却空气冷却器。两个通道的高度（y1和y2）非常小（几毫米）。薄壁和水膜的厚度均为d。湿通道里的水保持在停滞的水膜状态。干通道的空气质量流量（M）和干通道的空气质量流量（m）。较低的空气速度使气流在双通道里保持层流。在层流通道，小高度的通道导致了较高的热质交换系数。湿通道的表面，即水膜存在的地方，是由具有较