潔凈室中蒸發(fā)冷卻空調技術的發(fā)展和應用

1 直接蒸發(fā)冷卻空調技術

1.1 蒸發(fā)冷卻空調技術的發(fā)展及研究現(xiàn)狀

蒸發(fā)冷卻空調技術是一種環(huán)保、高效、節(jié)能的冷卻技術。由于其無以倫比的優(yōu)越性，引起了各國科學家對蒸發(fā)冷卻技術研究工作的關注 。在我國，將蒸發(fā)冷卻空調技術作為自然冷源替代人工冷源的研究早在20世紀60年代已引起國內學者的關注。20世紀80年代至90年代，我國對蒸發(fā)冷卻技術的研究主要集中在同濟大學、哈爾濱工業(yè)大學、天津大學等高校，主要研究蒸發(fā)冷卻空調技術的傳遞過程理論分析、熱濕交換計算、填料性能以及其他相關試驗。與此同時，哈爾濱空調廠生產出第一臺填料蒸發(fā)式空氣冷卻機，新疆綠色使者有限公司開發(fā)出了親水性鋁填料直接蒸發(fā)冷卻器等系列產品，福建奧藍集團開發(fā)出了系列蒸發(fā)冷卻機。進入21世紀，西安工程大學以黃翔老師為領頭人的蒸發(fā)冷卻團隊對蒸發(fā)冷卻空調技術進行了大量的實驗研究和推廣應用工作，并取得了可喜的成績。目前，蒸發(fā)冷卻空調技術已經在新疆、甘肅、寧夏、青海等西北地區(qū)以及廣東、福建、浙江等沿海地區(qū)得到推廣應用。

1.2 蒸發(fā)冷卻空調技術概述

蒸發(fā)冷卻空調技術是利用水的蒸發(fā)取得能量，不必將蒸發(fā)后的水蒸汽再進行壓縮、冷凝回到液態(tài)水后再進行蒸發(fā)，一般可以直接補充水分來維持蒸發(fā)冷卻過程的進行。由于是以水作為制冷劑的，不使用 CFC，所以不會對臭氧層造成破壞，無溫室效應，對大氣無污染，同時可以直接采用全新風，排走室內的有害物質，有一定的去除污染物的能力，可以改善室內空氣品質。而且其制冷不需要消耗壓縮功，所消耗的能量只有水泵和風機的能耗，COP 高于常規(guī)的機械制冷系統(tǒng)，因此非常節(jié)能。在經濟方面，蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)設備簡單，投資少，運行費用低且操作簡單。被稱為“零費用制冷技術”、“綠色空調”和“仿生空調”。表1 對蒸發(fā)冷卻技術與常規(guī)的機械制冷技術進行了比較，可以看出，與機械制冷相比，蒸發(fā)冷卻技術在節(jié)能、環(huán)保、經濟及提高室內空氣品質等方面具有明顯的優(yōu)勢。但同時它也存在一些不足之處，如不具有除濕功能，冷卻空氣的能力受氣候環(huán)境的影響等。所以，在應用中，可以將蒸發(fā)冷卻技術與機械制冷有機地結合起來，相互取長補短，發(fā)揮各自的優(yōu)點[10]。直接蒸發(fā)冷卻是蒸發(fā)冷卻技術的一種重要形式，是指空氣與大面積的水直接接觸，由于水的蒸發(fā)，空氣與水的溫度都降低，且空氣的含濕量有所增加，空氣的顯熱轉化為潛熱，這是一個絕熱加濕過程。直接蒸發(fā)冷卻空調機是一種新穎的空調設備，具有節(jié)能、環(huán)保、送風品質高等優(yōu)點。該機組結構非常簡單，如圖 1 所示，主要由填料、水泵、風機、集水箱及供水系統(tǒng)組成。其工作原理如圖2所示，它是利用循環(huán)水直接噴淋未飽和濕空氣形成的降溫、增濕、等焓過程，其變化過程如圖3 所示。圖中：tgw為空氣干球溫度；tgo為絕熱條件下空氣被冷卻的溫度；tsw為空氣濕球溫度；hw為等焓線。

2 常見的幾種直接蒸發(fā)冷卻填料研究分析

2.1 填料在直接蒸發(fā)冷卻器中的作用

填料是直接蒸發(fā)冷卻空調機的核心，它提供了空氣和水直接進行熱濕交換的界面，直接蒸發(fā)冷卻器通過在填料頂部噴淋循環(huán)水，使流經換熱器的空氣與填料表面的水膜直接接觸進行熱濕交換，使水和空氣接觸均勻，同時增大了接觸面積、延長了接觸時間，是直接蒸發(fā)冷卻器中的一個關鍵部件，其性能的好壞直接影響到換熱器的效率，進而影響到最終的冷卻效果。填料在直接蒸發(fā)冷卻器中的作用主要有以下功能：

（1）降溫。進入直接蒸發(fā)冷卻器中的空氣與填料表面直接接觸進行熱濕交換降低空氣溫度。

（2）加濕。作為濕膜加濕器對空氣加濕，同時提高了空調房間的舒適性。

（3）過濾出塵。有效去除空氣中的粉塵以及氣態(tài)污染物，對凈化室內空氣起到了一定的作用。

因此，直接蒸發(fā)冷卻空調機的研究，主要是填料的傳熱傳濕及凈化性能的研究。

2.2 幾種常用填料的性能對比

目前常見的填料有無機填料（以 GLASdek 為典型代表）、有機填料（以 CELdek 為典型代表）、金屬填料（不銹鋼或鋁箔）等。無機填料是以玻璃纖維為基材，經特殊成分樹脂浸泡，再經燒結處理的高分子復合材料；有機填料是由加入了特殊化學原料的植物纖維紙漿制成的；金屬填料主要由鋁箔和不銹鋼制成，其材質的特殊性決定了其吸濕性能遠遠落后于無機填料和有機填料，但其耐腐蝕性能優(yōu)于上述兩種填料。

對于填料的分析研究，一定要清楚各種填料的基本特性以及對蒸發(fā)冷卻效率的影響。冷卻效率的影響因素如式1所示。西安工程大學的宣永梅對直接蒸發(fā)冷卻空調機用填料的性能進行了分析評價，其性能對比如表 2。填料的熱工性能的優(yōu)劣直接會影響到填料的總體性能，關系著降溫加濕效果以及直接蒸發(fā)冷卻空調機的外形尺寸，它與其結構、填充方式、吸濕能力、比表面積等因素有關，各種不同填料熱工性能對比如表 3 所示。無機填料是由強吸水性材料制成，所以其具有良好的濕挺度，不隨水流、氣流的作用而分解，抗霉、耐腐蝕、阻燃、易清潔、使用壽命長等優(yōu)點，但發(fā)脆易碰碎，在運輸與安裝過程中容易造成損

壞；有機填料由于由植物纖維紙漿制成，其熱工性能好，價格便宜，化學成分不會隨著水流、氣流的作用而分解，具有易清潔、使用壽命長等良好性能，但它易燃且濕挺度較差并且容易被撕破；金屬填料選用很薄的不銹鋼板或鋁箔作為原料，結構上設計了空氣與水交叉流動的結構，阻力小，但其吸濕性較差。填料的防腐性能決定著空調機能否健康以及其壽命長短，無機填料與金屬填料耐腐蝕性良好，有機填料自身耐腐蝕性差，需要進行抗腐浸漬處理；物理性能如密度、濕挺度及強度，其中濕挺度較為重要，金屬填料的材質決定它的濕挺度較好，強度較好，經久耐用[4]。式中：V 為迎面風速；á為空氣與濕膜表面間的換熱系數；δ為填料厚度；為填料的比表面積；a為空氣密度；Cp為干空氣的定壓比熱。

由此可見，填料的比表面積及其厚度均影響著直接蒸發(fā)冷卻的冷卻效率，對填料的分析研究甚為重要。

3 直接蒸發(fā)冷卻填料的選擇及應用

3.1 填料的選擇

選擇填料一定要注意不同填料的特性。

不同填料構成的直接蒸發(fā)冷卻器的降溫性能不同，表 3 即為 3 種主要填料的降溫性能對比。由于填料結構的復雜性，理論上很難確定空氣與水膜直接接觸時的換熱系數，通常以實驗為基礎為直接蒸發(fā)冷卻的理論計算和分析奠定基礎。東南大學的蔣毅、張小松等人對無機填料進行了測試，結果表明，采用無機填料作為直接蒸發(fā)冷卻填料處理空氣時，冷卻效率高，空氣阻力較小，實用性好，例如，當空氣流速為2 m/s，填料厚度為200 mm 時，冷卻效率為 85% 左右，空氣阻力為 60 Pa。解放軍理工大學工程兵工程學院的魏征、耿世彬對有機填料直接蒸發(fā)冷卻器進行了試驗研究，結果表明，填料冷卻效率主要與空氣流速、填料厚度和噴淋水量有關，當噴淋水量足夠多時，冷卻效率取決于空氣流速和填料厚度；填料阻力和體積換熱系數主要取決于空氣流速，噴淋水量對阻力影響可忽略不計，并且當噴淋水量足夠時，體積換熱系數存在一個最大值。有機填料的典型代表Celdek 有最優(yōu)使用參

數：厚度 300 mm，空氣流速 3 m/s，噴淋水量2/9 kg/m3?s，此時填料的冷卻效率在 95% 以上，阻力小于40 Pa，沒有雛鳳帶水現(xiàn)象[3]。但有機填料易撕碎。天津大學的張歡、由世俊對金屬填料型直接蒸發(fā)冷卻裝置在空氣處理機組中的應用進行了分析研究，實驗結果表明金屬填料具有效率高、耐腐蝕等優(yōu)點，是一種性能良好的空氣熱濕處理設備，并建議其迎面風速在2.2 m/s ~2.8 m/s，綜合考慮填料的熱質傳遞性能和阻力，建議比表面積為 500m2/m3

，空氣流動方向長為 500 mm，厚度選用 500mm~800 mm 是最佳的。并且金屬填料表面沖孔和軋制小紋，有助于提高填料表面的潤濕性能，提高換熱、傳質效率。這些結論為填料在空調領域的選擇和應用以及新產品的開發(fā)提供了良好的基礎。

3.2 填料的應用

利用填料實現(xiàn)空氣的絕熱蒸發(fā)冷卻，在其過程中無需制冷能耗即可實現(xiàn)空調降溫，有利于空調系統(tǒng)節(jié)能，同時還具有加濕的功能，利用其過濾作用，可對空氣進行凈化，在由空氣傳播傳染病的疫情期，可采用加消毒液的方法殺滅空氣中的細菌病毒，防止細菌和病毒借助集中式空調系統(tǒng)傳播。但不同材質的填料其性能差別很大，如有機填料比表面積大，吸濕性較金屬填料好，但耐腐蝕性和濕挺度較差、而且對噴淋水質要求嚴格，水質不好時容易結垢，堵塞；無機填料吸濕性好，耐腐蝕性也較紙質填料好，但較脆，在安裝運輸過程中容易被碰碎；金屬填料防腐性和濕挺度較好，但其吸濕性較差。目前有機填料國外主要應用在動物、家禽飼養(yǎng)和溫室降溫中，金屬填料在石油化工領域應用頗為廣泛。而且填料作為洗滌式空氣過濾器使用也是一種無污染、高效率、低阻力、高可靠性和易操作的空氣凈化裝置。可用于辦公樓、候機樓、賓館等中央空調通風系統(tǒng)的過濾凈化，尤其是它的低阻力，特別適用于既有空調系統(tǒng)的改造，又可代替現(xiàn)有的粗效過濾器[1]。

4 結語

通過對幾種常用的直接蒸發(fā)冷卻器填料進行對比分析，我們了解了各種不同填料的性能及其優(yōu)缺點、使用情況。我們必須不斷努力，使填料得到充分利用，同時努力開發(fā)新材料，提高直接蒸發(fā)冷卻器效率，節(jié)約能源，彌補各種填料的不足。