熱管式間接蒸發(fā)冷卻空調機組的性能分析

1、西安工程大學學報Journal o fX i an Po l y technic University第23卷第1期(總95期2009年2月V o.l23,No.1(Sum.No.95 文章編號:1671 850X(200901 0079 05熱管式間接蒸發(fā)冷卻空調機組的性能分析吳 生,黃 翔,武俊梅(西安工程大學,環(huán)境與化學工程學院,陜西西安710048摘要:針對板式、管式間接蒸發(fā)冷卻器存在的問題,提出將熱管熱回收技術與蒸發(fā)冷卻技術有機結合,研發(fā)熱回收型熱管式間接蒸發(fā)冷卻空調機組.分析了影響機組性能的主要因素,并對該機組進行實驗測試,得出該機組的最優(yōu)運行參數.為指導研發(fā)系列化空調機組提供了可

2、靠的參考依據.關鍵詞:熱回收;熱管;間接蒸發(fā)冷卻;熱管換熱器中圖分類號:TU8315 文獻標識碼:A0 引 言熱回收系統(tǒng)既是回收建筑物內的余熱(冷或廢熱(冷并把回收的熱(冷量作為供熱(冷,也是其他加熱設備的熱源而加以利用的系統(tǒng).一般情況,空調系統(tǒng)中新風負荷占總負荷的20%30%,新風耗能占建筑總能耗的10%15%1.可見,空調處理一次空氣所消耗的能量是主要部分之一,而空調房間二次空氣(排風中所含的能量相當可觀,若加以回收利用可以取得很好的節(jié)能效益和環(huán)境效益.夏季,如果在新風、排風之間設置熱回收裝置,對室外新風進行預冷,新風的耗能由排風所含的能量提供.熱回收裝置的熱回收效率按60%計算,則節(jié)約的

3、能量可以達到建筑總能耗的6%9%2.而冬季,由于室內外溫差大,新風所需加熱量較大,同時排風中帶有大量可利用的熱量.如果設置熱回收裝置,對新風預熱,則可以節(jié)省送風總加熱量能耗的30%2.由此可見,通過熱回收系統(tǒng),使新風與排風進行熱(冷量的交換,把排風所帶的熱(冷量盡可能地傳遞給新風,減少新風的加熱(預冷量,是余熱(冷利用、節(jié)約能源的有效措施.蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)是一種直流式空調系統(tǒng)3 6.它能夠很好地解決空氣品質,并且具有良好的節(jié)能性.目前,間接蒸發(fā)冷卻器的主要形式有板式和管式兩種.板式間接蒸發(fā)冷卻器雖然結構緊湊,換熱效率高,但由于流道狹窄容易堵塞,導致流動阻力增大,能耗增加,換熱效率降低.管式間接

4、蒸發(fā)冷卻器具有布水均勻,容易形成穩(wěn)定水膜,有利于蒸發(fā)冷卻的進行;流道較寬不會產生堵塞,因而流動阻力小,但體積較龐大.因此,在多年研究和應用蒸發(fā)冷卻技術的基礎上,將熱管熱回收技術與蒸發(fā)冷卻技術有機結合7 10,研發(fā)了熱回收型熱管式間接蒸發(fā)冷卻空調機組,將熱管熱回收的特性應用在蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)中回收排風中冷(熱量,提高了蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)的EER值.而且熱管換熱器冬季不僅是高效的熱回收裝置,而且夏季又可作為間接蒸發(fā)冷卻器,不論從技術方面還是從經濟性方面考慮都是可行的.熱管換熱器具有較高的換熱效率以及其他換熱器所不具備的優(yōu)點,決定了熱回收型熱管式間接蒸發(fā)冷卻空調具有巨大的應用潛力.收稿日期:2008

5、11 12基金項目:陜西省科技攻關資助項目(07J C02通訊作者:黃翔(1962 ,男,北京市人,西安工程大學教授.E m a i:l huangx1 測試系統(tǒng)測試的對象是一臺熱回收型熱管式間接蒸發(fā)冷卻組合式空調機組的兩個功能段 熱管式間接蒸發(fā)冷卻段和填料式直接蒸發(fā)冷卻段(如圖1.熱管式間接蒸發(fā)冷卻段的熱端與冷端的斷面尺寸各為650mm !1000mm !400mm ,該斷面上以叉排的方式排列144根熱管.熱管外輥軋有親水鋁箔翅片,增強水與換熱器的接觸面積和接觸時間,并在熱管橫斷面加裝了二次網格布水方式,使熱管二維布水能夠均勻分布,從而提高蒸發(fā)冷卻器的換熱效率 .圖1 熱回收型熱管式間接蒸發(fā)

6、冷卻空調機組示意圖1 新風段;2 過濾斷;3 熱管式間接段;4 中間段;5 直接段;6 送風段熱管式間接蒸發(fā)冷卻器一般分為蒸發(fā)段(冷端和冷凝段(熱端2種,中間被隔板分開,在蒸發(fā)段一次空氣(新風從熱管表面橫掠管束流過,與熱管內的工質氨進行熱交換,為等濕冷卻過程;在冷凝段與頂部噴淋循環(huán)水,熱管表面形成一層水膜,水膜的蒸發(fā)通過吸收熱量來完成,使水膜溫度維持在接近二次空氣(排風的濕球溫度,水膜與熱管內的氨蒸汽進行顯熱交換,還有一部分潛熱交換,氨發(fā)生相變,水膜將吸熱蒸發(fā),二次空氣把與水膜蒸發(fā)的潛熱和顯熱帶出室外.一次空氣、二次空氣流程11如圖2.一次空氣通過熱管內工質氨、水膜,把熱量傳送給二次空氣,從而

7、達到對新風預冷降溫的目的 .圖2 一次空氣、二次空氣流程示意圖2 設計與測試測試共布置5組測點,即機組入口(取室外空氣參數、熱管式間接蒸發(fā)冷卻器冷端出口、機組送風出口、熱管換熱器熱端入口(取室內空氣參數以及熱管式間接蒸發(fā)冷卻器熱端出口,分別來測試一次空氣、二次空氣的空氣狀態(tài)參數.根據熱管間接蒸發(fā)冷卻器熱濕交換效率和直接蒸發(fā)冷卻熱濕交換效率定義公式計算各冷卻效率.E I EC =(t g1-t g2/(t g1-t s1!100%.(1式中t g1為熱管換熱器冷端進風干球溫度(#;t g2為熱管換熱器冷端出風干球溫度(#;t s1為熱管換熱器熱端進風濕球溫度(#.E DEC =(t g1-t g

8、 2/(t g1-t s1!100%.(2其中 t g1為進風干球溫度#;t g2為出風干球溫度,#;t s1為進風濕球溫度,#.該機組安裝自控系統(tǒng)可以方便調節(jié)一次空氣風量和二次空氣風量,可以精確地控制實驗,得到更精確的數據.一次風機采用離心通風機,額定風量為6000m 3/h ,電機功率為2 2k W;二次風機采用軸流風機,額定風量為6000m 3/h ,電機功率為0 25k W;水泵采用單相潛水電泵,功率0 37k W,揚程8m,流量3m 3/h;3 結果與分析3.1 二次空氣、一次空氣最佳風量對比實驗結果分析為了得出最佳二次/一次風量比,分別以一次空氣風量分別在3000m 3/h ,40

9、00m 3/h ,5000m 3/h 3種工況下,對風量比為0 55,0 6,0 65,0 7,0 75,0 8,0 85,0 9,0 95,1 0情況下進行實驗測試.得出相應的溫降及效率變化規(guī)律,如圖3所示.由圖3可看出,風量比在0 551 0之間變化時,改變新風風量時熱管換熱器一次空氣出口的干球溫80 西安工程大學學報 第23卷 圖3 熱管換熱器一次空氣出口干球溫度與風量比的關系 G 1=3000; % G 2=4000; & G 3=5000度保持著一個大致相同的差值.由此說明,間接蒸發(fā)冷卻降溫過程相對比較穩(wěn)定.隨著風量比的不斷提高,熱管換熱器一次空氣出口干球溫度隨著二次空氣、一

10、次空氣風量比的提高而降低.當二次空氣與一次空氣風量比從0 55提高到0 8時,換熱器一次空氣出口的干球溫度有明顯的下降趨勢,說明隨著風量比增大,二次空氣(排風風量相應地增大,故二次空氣在熱管換熱器冷凝段蒸發(fā)吸熱帶走熱量增多,提高了熱管間接蒸發(fā)冷卻技術的蒸發(fā)吸熱效果.當風量比提高到0 8后,一次空氣出口干球溫度降低的曲線趨于平緩,風量比從0 8提高到1 0時,熱管換熱器的一次空氣出口干球溫度從21 8#降到21 68#,僅降低0 12#.表明此時風量比對一次空氣出口干球溫度的影響越來越小.因此,在一次空氣量固定不變的情況下,不能無限增加二次空氣風量,只能是增加了排風機能耗,對降低一次空氣出口干球

11、溫度只起到了微乎其微的作用,其結果是不經濟的.通過實驗綜合分析得出最佳排風、新風風量比為0 8.另外,從圖3還可以看出,一次空氣風量為5000m 3/h 時熱管換熱器出口溫度比3000m 3/h ,4000m 3/h 要低,由此可見,提高一次空氣風速能夠降低換熱器出口一次空氣干球溫度.也就是說在同等的條件下適當地增大風量至設計風量時,可提高換熱效率.但一次空氣風速不能超出設計風速的范圍,如果風速過大會影響風機的能耗.考慮到經濟性問題,一般斷面風速取值不應大于3 0m /s .因此,本文實驗均在一次空氣斷面風速為3 0m /s ,二次空氣、一次空氣風量比為0 8的情況下進行.3 2 熱管式間接蒸

12、發(fā)冷卻器的最佳淋水量實驗結果分析熱管式間接蒸發(fā)冷卻器的冷凝段親水鋁箔肋片的表面潤濕率達到最大,熱管式換熱器兩端的換熱效果達最好.因此,有必要對熱管式間接蒸發(fā)冷卻器的淋水密度進行研究 . 圖4 噴淋水量對換熱器新風進出口溫差的影響 圖5 噴淋水量在不同風量比的情況下對熱管換熱器效率的影響 1; & 2; % 3從圖4可以看出,當二次/一次空氣風量比為0 8時,隨著淋水量增大,熱管間接蒸發(fā)冷卻器的溫降也逐步提高,但是當噴淋水量達到0 322m 3/h 以后,再增大淋水量,冷卻器溫降的效果沒有太大變化.實驗結果表明,回收型熱管換熱器間接蒸發(fā)冷卻段的最佳噴淋水量為0 3220 418m 3/h

13、 .為了更好地驗證最佳水淋密度,還對當一次空氣風量不變時,調節(jié)二次空氣/一次空氣風量比,分別為 1=0 7, 2=0 8, 3=0 9的情況下,分析不同二次空氣(排風風量即不同的排風風速 下水淋密度對一次空氣進出口溫降、換熱器效率的影響,圖5顯示,3條曲線的斜率隨著水量的增加不斷減小,說明當噴淋水量較小時,對熱管式間接蒸發(fā)冷卻器的換熱效率的影響比較明顯.當淋水密度約為0.322m 2/h 時,冷卻效率達到了70 4%;當再繼續(xù)增大噴淋水量時,對冷卻效率的影響卻越來越小,而且二次風量/一次風量分別為0 7,0 8,0 981第1期 熱管式間接蒸發(fā)冷卻空調機組的性能分析82 西安工程大學學報 第2

14、3卷時,3條換熱器效率曲線幾乎不分上下,都是在噴淋水量為0 4180 625m3/h之間,冷卻效率達到最大.這是由于二次空氣與水是垂直交叉流動且進行熱質交換.二次空氣水平流動時,水霧從上往下噴落在二次網格上,然后均勻地沿著換熱器親水鋁箔片肋片流下,與二次空氣進行摩擦,主要是依靠親水鋁箔肋片上的水膜蒸發(fā)吸熱.另外,由于一次空氣風量不變時,調節(jié)二次空氣/一次空氣風量比,也就是改變了排風系統(tǒng)的風速,從圖6還可以看出,熱管式間接蒸發(fā)冷卻器的最佳淋水密度與二次空氣的排風速度是無關的.對于金屬鋁箔交錯的熱管式間接蒸發(fā)冷卻器,其最佳淋水密度在0 322m3/h左右.3 3 熱管式間接+直接蒸發(fā)冷卻空調機組實

15、驗測試結果分析在得出最佳風量比為0 8和淋水量0 322m3/h的基礎上,對熱管式間接+直接蒸發(fā)冷卻空調機組進行實驗測試.3 3 1 測試條件 大氣壓95600Pa;干球溫度34 5635 5#;濕球溫度23 0#;相對濕度37 6%.3 3 2 測試結果 室外空氣狀態(tài)參數:干球溫度34 56#;濕球溫度23 0#;相對濕度37 6%;(室內空氣狀態(tài)參數:干球溫度27 81#;濕球溫度21 7#;相對濕度59 2%;熱管式間接蒸發(fā)冷卻段一次空氣入口狀態(tài)參數:干球溫度34 56#;相對濕度37 6%;熱管式間接蒸發(fā)冷卻段一次空氣出口狀態(tài)參數:干球溫度25 55#;相對濕度58 2%;+直接蒸發(fā)冷

16、卻段入口空氣狀態(tài)參數:干球溫度25 55#;相對濕度58 2%;,機組送風出口空氣狀態(tài)參數:干球溫度22 26#;相對濕度80 7%;熱管式間接蒸發(fā)冷卻段二次空氣入口狀態(tài)參數:干球溫度27 81#;濕球溫度21 7#;相對濕度59 2%.3.3.3 實驗測試結果計算分析 a.熱管式間接蒸發(fā)冷卻器一次空氣口進出溫差及其效率.熱管式間接蒸發(fā)冷卻段進出口溫差t1=34 56-25 55=9 01#.( 根據式(1可得:E I EC=(34 56-25 55/(34 56-21 7!100%=70 39%.b.直接蒸發(fā)冷卻段效率.根據式(2可得:E DEC=(25 55-22 26/(25 55-19

17、 67!100%=55 95%.c.熱管式間接+直接蒸發(fā)冷卻空調機組進出口溫差t2.t2=34 56-22 26=12 3#.夏季在中濕度地區(qū)(如西安,采用這種熱管式間接+直接蒸發(fā)冷卻兩級空調機組可以將室外一次空氣處理到干球溫度22 26#,相對濕度80 7%.在不使用機械制冷的情況下,經熱管式間接+直接蒸發(fā)冷卻兩級溫降為12 3#,間接蒸發(fā)冷卻器的冷卻效率可達70 39%,直接蒸發(fā)冷卻段效率達到55 95%,可以滿足一般工業(yè)車間的環(huán)境要求.綜合來說,熱管式兩級蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)對一次空氣的處理效果還是比較明顯的.4 結 論(1 通過對研發(fā)的熱回收型熱管式間接蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)進行實驗測試得到,隨

18、著二次/一次風量比的變化,得到熱管式間接蒸發(fā)冷卻器的效率和溫降的變化關系.當一次空氣風量為5000m3/h時,最佳二次/一次風量比為0 8.(2 當一次風量為5000m3/h,二次/一次風量比為0 8時,對最佳淋水量進行實驗測試,得出在一次空氣流量、二次空氣流量都一定的情況下,淋水量越大,冷卻器的效率和溫降越高,但是當水流量達到0 322m3/h時,冷卻器的效率和溫降沒有太大的變化.通過分析認為0 322m3/h為該結構配置下的最佳淋水量.為了進一步驗證最佳水淋密度,還對當一次空氣風量不變時,調節(jié)二次空氣/一次空氣風量比,分別為 1=0 7, 2=0 8, 3=0 9的情況下做了測試,并得出了

19、相同的結論.說明熱管式間接蒸發(fā)冷卻器的最佳淋水密度與二次空氣的排風速度無關.(3 在得出最佳風量比為0 8和淋水量0 418m3/h的基礎上,對熱管式間接+直接蒸發(fā)冷卻空調機組進行實驗測試.當室外干球溫度為34 56#,室內排風干球溫度為27 81#時,采用這種熱管式間接+直接蒸發(fā)冷卻兩級空調機組可以將室外一次空氣處理到干球溫度22 26#,一次空氣的溫降可達12 3#,間接蒸發(fā)冷卻器的冷卻效率可達70 39%.熱管式間接蒸發(fā)冷卻兩級空調系統(tǒng)在中濕度地區(qū)夏季運行時,在最不利工況下,仍然需要少量的機械制冷的配合.如果采用二級間接蒸發(fā)再加上直接蒸發(fā)組成三級蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng),那么在中濕度地區(qū)可以不使

20、用機械制冷.而在南方濕度較大的地區(qū),可少用甚至不用機械制冷.因此,蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)可以應用到更多領域或地區(qū),使蒸發(fā)冷卻技術在節(jié)能減排中發(fā)揮更大的作用.參考文獻:1 鐘瑋.我國建筑中央空調能耗現(xiàn)狀及節(jié)能措施D .重慶:重慶大學,2004.2 盧鈞,連之偉.熱回收裝置在空調工程中的應用J.制冷空調與電力機械,2007,116(4:82 85.3 黃翔,屈元,狄育慧,等.多級蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)在西北地區(qū)的應用J.暖通空調,2004,34(6:67 71.4 王玉剛,黃翔,武俊梅,等.包覆在橢圓管式間接蒸發(fā)冷卻器上功能性吸濕材料的理論與試驗研究J.流體機械,2005,33(3:46 49.5 賀進寶,黃

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