露点间接蒸发冷却及其送风状态的分析

文章编号：CAR089
露点间接蒸发冷却及其送风状态的分析
张强刘忠宝马清波杨双
（北京工业大学环能学院制冷及低温工程系北京 100124）
摘要露点间接蒸发冷却技术是一种能把冷却器的入口空气降到对应的露点状态的水蒸发冷却技术，具有较高的研究意义及广阔的应用前景。

根据目前这一技术的研发情况，文中较为详细地介绍了露点间接蒸发冷却相关的最新研究进展，提出了直流式、叉流式和逆流式露点间接蒸发冷却器三种基本结构。

考虑其作为制冷通风空调的一种，送风状态是受到限制的，结合露点间接蒸发冷却技术固有的的特点，对它的送风状态进行了分析，通过分析说明了这种冷却器的应用条件及场合。

关键词露点间接蒸发冷却结构送风状态分析
ANALYSIS OF DEW POINT INDIRECT EVAPORATIVE COOLING AND
STATUS OF BLOWN AIR
Zhang Qiang Liu Zhongbao Ma Qingbo Yang Shuang
Refrigeration center, College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of
Technology, Beijing 100124, China
Abstract Dew point indirect evaporative cooling technology is a water evaporation-cooling technology which can cool inlet air down to the corresponding dew point status, that has the high values of research and broad application prospects. Based on current research and development of this technology, in paper, a particular description of the latest research and progress of the dew point indirect evaporative cooling was given, and three basic structures including DC-style, cross-flow and counter-flow dew point indirect evaporative cooler was put forward. Considering it as a device of ventilation and air conditioning, the status of air blown was restricted, and combining inherent characteristics of dew point indirect evaporative cooling technology, its status of air blown was analyzed, and the applicable conditions and occasions were given.
Keywords Dew point Indirect evaporative cooling Structure Status of blown air Analysis
2003年，在第四届暖通空调国际研讨会上，俄罗斯的Valeriy Maisotsenko博士发表了他的论文《The Maisotsenko cycle for air desiccant cooling》，这篇论文具有很高的科研价值和指导意义。

MAISOTSENKO循环可谓是热力学上的一个突破，它利用空气中自然清洁的能源或湿能来降温冷却，可以在不使用压缩机和制冷剂的情况下，把任何气体和液体冷却到接近露点温度[1]。

把这一技术应用到水蒸发制冷领域，就是我们所说的露点间接蒸发冷却。

在MAISOTSENKO循环指引下，国内对露
作者简介：张强，男，1985年9月生，在读硕士研究生点间接蒸发冷却的研究开始出现并逐渐深入。

目前已有了实验机及其实验性应用，也有了几个相关的国家专利。

随着各种露点间接蒸发冷却器的出现及性能的不断完善，其工程实际应用也变得越来越现实。

由于露点间接蒸发冷却器能实现比其他水蒸发冷却器更大的温降，且保持含湿量不变，因此具有更大的应用范围，在不久的将来可能大量用在一些工业工程及普通民用建筑上。

本文梳理了露点间接蒸发冷却技术的最新研究情况，总结性提出露点间接蒸发冷却器的三种基本结构，针对露点间接蒸发冷却器送风状态进行了相应的分析探讨。

1露点间接蒸发冷却技术的最新研究情况
露点间接蒸发冷却技术是利用空气的干球温度和不断降低的湿球温度之差来换热，最终能提供干球温度比室外湿球温度低且接近露点温度的空气，温降较大。

目前所用的露点间接蒸发冷却器多为板翅式的，其结构由纵向干空气通道和横向湿空气通道组成，纵向干空气通道中的空气湿度不变，但纵向通道的中间有小气孔，流经此处的空气可以穿过气孔流入横向湿空气通道中，并与湿空气通道中原有空气一起被绝热加湿，自身温度降低,进而对纵向通道中的空气进行等湿冷却，直至其接近露点温度。

其原理如图1。

图1 露点间接蒸发冷却工作原理图
当气流被风机吹入冷却器纵向干通道板时，首先被其湿侧进行初步冷却，状态从1变化到2。

由于干通道板的中间有小气孔，所以一部分一次空气穿过这些气孔流入横向湿通道板中，与湿通道中的原有空气一起作为二次空气，则流入湿侧的一次气流与水进行热湿交换，达到状态2的湿球温度2′。

同时，由于湿通道中水分蒸发，吸收干通道中热量，状态从2′到2″，一次空气等湿冷却，故从状态2到3。

随着流入湿侧的气量不断增大，一次空气进一步得到显性冷却，状态从3变化至4，而二次空气继续经加湿，饱和，升温，状态从3′变化到3″。

如此下去，直到一次空气被等湿冷却到初始状态1的湿球温度以下且接近其露点温度状态n，并保持湿度不变。

二次空气从横向湿通道板的两侧排出[2]。

X. Zhao等人对用于露点蒸发冷却的一种新型的逆流式换热器进行了详细的数字研究，通过数字模拟优化了冷却器的结构参数和运行条件，以便提高冷却效率，使能源利用效率最大化。

模拟结果表明冷却效率和能源利用效率主要取决于气流通道尺寸、气流速度及工作气体流量与进气量之比，而跟供水温度关系很小。

作者建议进气流速应控制在0.3~0.5m/s以下，气流通道尺寸为6mm以下，工作气体流量与进气量之比应在0.4左右。

以英国夏季为气候条件，这种露点冷却设备的湿球效率可高达130%，露点效率也达到了90%[3]。

陈俊萍、黄翔等人从理论上分析了露点间接蒸发冷却器的传热传质过程，对其一、二次空气进行分析，建立数学模型和控制方程。

并搭建了样机测试实验台，测试结果表明：出口干球温度受进口湿球温度、进口焓值、进口干球温度的影响比较大，成正相关关系。

一、二次风量最佳比值为1.48：1，此时冷却器效率最高。

并在相同测试条件下，比较了几种间接蒸发冷却器的性能，在同风量下，露点间接蒸发冷却器的阻力比管式和热管式间接蒸发冷却器大，但露点间接蒸发冷却器湿球效率比管式间接蒸发冷却器高10%，比热管间接蒸发冷却器高20%，露点效率比韩国同类冷却器高 5.4%，且效率还有提升空间[4]。

Maisotsenko 提出了一种露点间接蒸发冷却器，这个冷却器由一些铺附纤维素复合纤维材料的平板组成，这样做可以达到均匀吸水的目的，不需要太多的水就可以在换热器内形成均匀的湿表面，加强一次空气热量转移。

纤维素材料的自然吸水性也有助于防止水在湿表面的聚集[1]。

它使用的是位于每一个湿润通道中复杂而昂贵的喷头。

而它的干通道侧包附有挤压成型的聚乙烯。

使用聚乙烯是因为它在厚度方向的低热阻性能，有利于干侧和湿侧之间的热交换，同时在宽度和长度方向能够有较高的热阻，则一次空气热量不易向前方传递。

该产品的中间通道有穿孔，成V型，角度很大。

从有穿孔处经过的空气在最末端有挡板挡住，即不作为送风，只能从气孔处进入湿通道，以交叉流的方式在上下侧面流经出风通道。

Maisotsenko 设计了另一种露点间接蒸发冷却器，将换热的薄塑料板制成小斜坡型，两侧对称形成向上或向下的角度-10o~+10o之间，使其横向传热以产生有效的芯吸作用。

芯吸层可包括以下材料中的一种：纤维素、有机纤维、有机基纤维、泡沫塑料、碳基纤维、聚酯、聚丙烯、玻璃纤维、硅基纤维以及这些物质的组合。

该芯吸层可基本上覆盖湿润侧的整个表面积[5]。

供水的是供给器芯吸部件。

它的穿孔可为圆形或者例如倒圆角的多角形的形状，通过防止紊流，可使得横过间接蒸发冷却器的
压降最小化。

从穿孔处经过的气流在最末端也被挡住，不作为送风。

其板翼以-10o~+10o从中心向上或向下倾斜。

向下倾斜的优势在于由于重力的作用，液体将更容易到达边缘，即使增加板翼的长度也同样可以润湿，并且有助于减小含有矿物质的液体在板上积累的程度。

缺点是多余的被冷却的水形成液滴向下排走，浪费冷源，降低了蒸发冷却器的效率。

向上倾斜，板翼虽不会在边缘收集到多余的水，但是很可能到达边缘的水不够，导致冷却潜能的损失和矿物质积累在干燥边缘处。

J·A·M·赖因德斯申请了一种露点冷却器的专利，包括两个通过热传导壁部相互连接的介质回路，第一介质回路，以及通过一个至少部分传热的壁部而与该第一介质回路热连接的第二介质回路。

两种单独的介质可以通过这两个回路逆流流动，其中，至少该第二介质包含一种气体，例如空气，其相对湿度小于100％，两种介质可通过该介质回路流动，其中次要介质包括气体，壁部包括传导热的突出部分；其中壁部和突出部分被亲水性的涂层所覆盖，该亲水性的涂层可以吸收可蒸发的液体，并通过蒸发再次将其释放，使得润湿的涂层、以及热传导表面和突出部分被冷却；一个润湿单元，通过从涂层上蒸发液体而使用可蒸发的液体将次要介质润湿，使得次要介质所含有的被蒸发的液体通过热传导壁部从主要介质中吸取热量。

该涂层包括多孔工艺的陶瓷材料，例如矿物棉[6]。

W·梅杰发明设计一种露点冷却设备用于冷却气流，该设备至少一个冷却通道，该冷却通道具有用于冷却气流的流入开口和用于已冷却气流的流出开口，至少一个蒸发通道，该蒸发通道与冷却通道通过传导壁所分离，并且所述蒸发通道具有流入开口和流出开口，其流入开口与冷却通道的流出开口相连，用于湿润传导壁朝向蒸发通道的一侧的装置，其特征在于，用于对冷却通道中的气流除湿的装置[7]。

袁一军发明了一种多级再生式多通道冷却方法及其换热器，一股或多股气流流入多通道换热板的干侧，被逐渐冷却，其中部分依次通过干湿侧之间的通孔依次进入湿侧，加湿、饱和、升温后排出，另一部分直接从干侧排出[8]。

黄翔等人发明的露点板式间接蒸发冷却器。

包括相连接的预冷段和冷却段构成的板式冷却器机芯和供水装置，预冷段和冷却段内，相折叠的隔层构成空气通道，相对布置的光面之间构成一次空气通道，相对布置的毛面之间构成二次空气通道，构成一次空气通道的隔层的内部夹有轧制多个水平流向波纹流道的夹层，构成二次空气通道的隔层的内部夹有轧制多个弯曲流道的夹层，冷却段内隔层的下部设置有多个通孔，构成一次空气通道的隔层的顶部折叠出一凹槽，供水装置包括预冷段和冷却段上方、下方分别设置的喷淋水管和蓄水池，并且蓄水池在预冷段和冷却段之间由隔板相间隔。

本发明的结构使换热效率大大提高，出风空气温度接近露点，并且湿通道壁面水膜分布更加均匀[9]。

黄翔等人还发明了一种方形多孔陶瓷立管式露点间接蒸发冷却器。

包括冷却器壳体内设置的冷却器机芯、布水装置、风机以及蓄水池和水泵，冷却器机芯由多根竖直放置、且构成多排多列矩阵形式的换热管组成，多根换热管组成的矩阵分为三段，且三段换热管的长度按一次进风方向依次递减，每段换热管之间设置隔板；布水装置包括每根换热管顶端设置的导流格栅和淋水管。

该结构使一次空气水平掠过方形陶瓷管束，二次空气由下及上流经管内，而一次空气依次穿过机芯的三段，这样在不同段进入二次空气通道的空气温度逐渐降低，与水进行热湿交换后的最终湿球温度会逐渐降低。

本发明的结构使热湿交换效率大大提高，布水更加均匀，使出风空气温度逼进露点[10]。

2露点间接蒸发冷却器的三种基本结构的分析
从上述的露点间接蒸发冷却技术的最新研究情况可以看出，许多研究成果利用的基本原理都是一样的，就是利用不断降低的湿球温度来冷却室外干空气，使出风接近甚至达到室外空气的露点状态。

但所谓条条大道通罗马，学者专家们设计了不少结构，以实现这一目的。

笔者对它们进行整理与提炼，总结出了三种基本结构，做了简要分析。

2.1 直流式露点间接蒸发冷却器
直流式露点间接蒸发冷却器基本上就是若干普通间接蒸发冷却器的串联，其作用也是使从第一个冷却器到最后一个冷却器的入口气流温度逐渐降低，达到整个冷却器出风状态接近初始空气露点。

新疆绿色使者中央空调有限责任公司申请了这种样式的实用新型专利，名字叫多级蒸发冷却器。

它将至少三个单级间接蒸发冷却器串联在一
起，上一单级间接蒸发冷却器的一次空气分离为两部分，一部分作为二次空气从下往上，最后排出；一部分继续作为一次空气到第二单级冷却器，到出风处继续同前一样分为两部分，结构见图2[11]。

他们这样将预冷过的部分一次空气作为二次空气，使二次空气与水交换后的湿球温度逐渐降低，从而使一次空气温度更低。

理想情况下，由于对一次风实现多级等湿降温后的温度可低于当地空气的湿球温度，接近露点温度。

1轴流风机2水泵3板式换热器4水槽
图2 直流式露点间接蒸发冷却器气流组织流向图
直流式露点间接蒸发冷却器由于流道是直线性的且不同流道之间没有穿孔，因此对于结构来说相对简单，气流阻力相对较小，露点效率也比较高。

但是对于同样的处理气量和同样的出风状态，其体积较大，所用风机数也较多，能耗较大，造价相对较高。

2.2 叉流式露点间接蒸发冷却器
叉流式露点间接蒸发冷却器由干通道和湿通道组成，互相垂直成交叉流。

干通道分为有穿孔和无穿孔两种。

从无穿孔的干通道通过的一次空气作为送风，从有穿孔的干通道中进入的空气可以通过穿孔进入到湿通道中，作为二次空气,最后从一侧面排出。

一次与二次空气交叉流,二次空气侧淋水。

有穿孔的干通道末端用挡板挡住,使其中的一次空气只能从穿孔进入，而不与送风混合。

一、二次空气都是室外新鲜空气[12]。

在这一结构中，带穿孔的干通道侧的空气在通过穿孔之前被预冷，由于这里面的气流在干通道内走过的路程的不同，被预冷的程度也不同，通过穿孔时的温度也不同。

经过预冷后进入湿通道的二次空气与水进行热湿交换，气流被降温冷却。

吸收干通道空气的热量。

使一次空气降到其露点温度。

下图3是叉流式露点间接蒸发冷却器的典型结构[13]
1空气入口2湿空气排出3冷水输入4冷水经冷却器流出5D冷却器干通道侧 5W冷却器湿通道侧6冷却器干通道板
7冷却器的吸湿层
图3 叉流式露点间接蒸发冷却器气流组织流向图
叉流式露点间接蒸发冷却器结构紧凑，体积较小，耗能也低，能实现露点效率可达55~85％[14]，然而由于叉流式露点间接蒸发冷却器通道多，流道窄，多股空气在通道内流动，其内部结构较复杂。

一次空气流过穿孔，虽然在湿通道内创造了一个统一的气流分布，但大量的气流通过穿孔，增加了流动阻力，降低了冷却效果。

使一次空气不能完全冷却。

此外，一次空气与二次空气在换热器中也不是完全的热交换状态。

所以针对露点间接蒸发冷却器应在不断提高换热效率情况下使结构简单化。

以便能更好的加工制造。

2.3 逆流式露点间接蒸发冷却器
逆流式露点间接蒸发冷却器内的干气流与湿气流是逆向流动的，干气流分成两部分，一部分通过冷却器输出，作为成品流。

另一部分通过穿孔进入湿通道，作为工作气流逆向流出。

如图4所示一逆流式露点间接蒸发冷却器气流组织基本流向。

在这一结构中，工作气流和成品气流初始状态相同。

在这个图中可以看到进入冷却器的工作气流在状态1下流过干通道，部分进穿孔进入湿通道被加湿冷却。

当工作气流还在干通道内流动时，它就被隔壁的湿通道预冷，随着这部分气流的前进，预冷效果越来越明显，也就是说通过不同的穿孔的温差越来越大。

在干通道的末端有很小比率的空气留存，这部分被预冷到最低水平。

经过不断预冷后进入湿通道的工作气流和水进行热湿交换，温度降低接近
其湿球温度。

这时从相邻干通道工作空气侧和干通道产品空气侧吸收热量，一边来冷却成品气流，一边来进行预冷却，最后使输出的成品气流2达到1点的露点温度，湿通道内的气流吸收了显热后以状态3排放到大气中[3]。

1干空气2输出（产品）空气3湿空气
图4 逆流式露点间接蒸发冷却器气流组织流向图
逆流式露点间接蒸发冷却器是逆流换热，使换热气流有比较高的温差，因此换热效率相对更高。

这种露点间接蒸发冷却器能产生更多的冷量。

具有很高的湿球和露点效率，最大限度地提高露点冷却系统的能源效率。

据模拟测量湿球效率可高130%，露点效率也达到90%[3]，然而逆流式露点间接蒸发冷却器的布水是一个问题，另外流通阻力也较大，在整体结构上还需完善。

3露点间接蒸发冷却器送风状态的分析
露点间接蒸发冷却系统的出风状态能达到室外空气的露点状态，如图5、6所示，不同的室外空气状态，经露点间接蒸发冷却系统处理后的出风状态不同。

但是夏季室内舒适性空调的标准却是确定的，本文设定温度28℃、相对湿度为60%室内状态。

图5 露点间接蒸发冷却系统送风状态（一）
图6 露点间接蒸发冷却系统送风状态（二）
3.1 送风状态的分析
图5显示的室外状态是干球温度34℃，相对湿度40%，对应的露点温度为21.2℃。

露点焓值小于室内点的焓值，含湿量也较室内点小。

从图5可以看出，室外空气状态稳定时，露点间接蒸发冷却系统的出风状态也相应确定。

当室内的热湿负荷发生变化时，也就是余热余湿发生变化时，其热湿比线不大可能和冷却器的空气处理线（也就是室外点和露点的之间的等含湿量线）交于露点，交点可能会在这一空气处理线上。

特别是在大热湿比时，会没有交点，这时很难同时消除室内的热湿负荷，使室内维持在一个较为稳定的状态。

图6显示的室外状态是干球温度35℃，相对湿度50%，对应的露点温度为22.9℃。

露点焓值大于室内点的焓值，含湿量也比室内点的大。

从室内点到露点的热湿比为1062。

对于这种情况，经露点间接蒸发冷却系统处理的空气不能直接用来消除室内的热湿负荷，相反会增加室内的热湿负荷。

3.2 根本问题及相应措施分析
用露点间接蒸发冷却系统处理后的空气作为送风，上述两种情况是比较常见的。

露点间接蒸发冷却系统处理的空气最低能达到空气的露点温度，且还不能除湿。

作为夏季空调的送风，我们主要对比送风状态点与空调房间设定状态点的温度和焓值，另一方面就是考虑湿度。

仅仅当送风状态点的温度低于室内设定状态点的温度、其焓值低于室内设定状态点的焓值时，才考虑用来直接送风，进一步分析湿度及热湿比等问题。

针对露点间接蒸发冷却系统来说，这里可以分为四种情况：
当露点的温度低于室内设定状态点的温度，焓值低于室内设定状态点的焓值，湿度也低于室内的湿度，系统处理后的空气可以作为送风，来消除室内的热负荷。

对于我国的绝大部分这时的湿度也是满足要求的。

当露点的温度低于室内设定状态点的温度，焓值低于室内设定状态点的焓值，可湿度高于室内的湿度，系统处理后的空气也可以考虑用来送风，来消除室内的热负荷，只是这样又增加了室内的潜热负荷。

对于这种情况要仔细计算，综合考虑，根据实际情况做出合理选择。

当露点的温度低于室内设定状态点的温度，焓值高于室内设定状态点的焓值，湿度低于室内的湿度，系统处理后的空气也可以考虑用来送风，来消除室内的热负荷，只是这样增加了室内的显热负荷，一般这部分显热负荷不大，遇见这种情况也要仔细计算，综合考虑，根据实际情况做出合理选择。

当露点的温度低于室内设定状态点的温度，焓值高于室内设定状态点的焓值，湿度也高于室内的湿度。

这种情况下，露点间接蒸发冷却系统几乎是无效的。

4 结论
蒸发冷却技术被广泛认为是一种有着广阔应用前景的空调技术, 露点间接蒸发冷却技术很大程度上克服空气湿度大、温降有限等问题，国内外学者做了大量相关研究。

本文展现了目前露点间接蒸发冷却技术的最新研究成果。

总结提出的露点间接蒸发冷却器的三种基本结构，对这一技术发展有一定的指导意义。

通过露点间接蒸发冷却器送风状态的分析说明了这种冷却器的应用条件及场合。

露点间接蒸发冷却技术在国内还算是刚刚起步，未来在这一技术领域，科研人员还需多做努力。

争取使其在技术上成熟，能够得到大规模的推广应用。

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