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洁净室中蒸发冷却空调技术的发展和应用(yòng)

1 直接蒸发冷却空调技术

1.1 蒸发冷却空调技术的发展及研究现状

蒸发冷却空调技术是一种环保、高效、节能(néng)的冷却技术。由于其无以伦比的优越性，引起了各國(guó)科(kē)學(xué)家对蒸发冷却技术研究工作的关注 。在我國(guó)，将蒸发冷却空调技术作為(wèi)自然冷源替代人工冷源的研究早在20世纪60年代已引起國(guó)内學(xué)者的关注。20世纪80年代至90年代，我國(guó)对蒸发冷却技术的研究主要集中在同济大學(xué)、哈尔滨工业大學(xué)、天津大學(xué)等高校，主要研究蒸发冷却空调技术的传递过程理(lǐ)论分(fēn)析、热湿交换计算、填料性能(néng)以及其他(tā)相关试验。与此同时，哈尔滨空调厂生产出第一台填料蒸发式空气冷却机，新(xīn)疆绿色使者有(yǒu)限公司开发出了亲水性铝填料直接蒸发冷却器等系列产品，福建奥蓝集团开发出了系列蒸发冷却机。进入21世纪，西安工程大學(xué)以黄翔老师為(wèi)领头人的蒸发冷却团队对蒸发冷却空调技术进行了大量的实验研究和推广应用(yòng)工作，并取得了可(kě)喜的成绩。目前，蒸发冷却空调技术已经在新(xīn)疆、甘肃、宁夏、青海等西北地區(qū)以及广东、福建、浙江等沿海地區(qū)得到推广应用(yòng)。

1.2 蒸发冷却空调技术概述

蒸发冷却空调技术是利用(yòng)水的蒸发取得能(néng)量，不必将蒸发后的水蒸汽再进行压缩、冷凝回到液态水后再进行蒸发，一般可(kě)以直接补充水分(fēn)来维持蒸发冷却过程的进行。由于是以水作為(wèi)制冷剂的，不使用(yòng) CFC，所以不会对臭氧层造成破坏，无温室效应，对大气无污染，同时可(kě)以直接采用(yòng)全新(xīn)风，排走室内的有(yǒu)害物(wù)质，有(yǒu)一定的去除污染物(wù)的能(néng)力，可(kě)以改善室内空气品质。而且其制冷不需要消耗压缩功，所消耗的能(néng)量只有(yǒu)水泵和风机的能(néng)耗，COP 高于常规的机械制冷系统，因此非常节能(néng)。在经济方面，蒸发冷却系统设备简单，投资少，运行费用(yòng)低且操作简单。被称為(wèi)“零费用(yòng)制冷技术”、“绿色空调”和“仿生空调”。表1 对蒸发冷却技术与常规的机械制冷技术进行了比较，可(kě)以看出，与机械制冷相比，蒸发冷却技术在节能(néng)、环保、经济及提高室内空气品质等方面具有(yǒu)明显的优势。但同时它也存在一些不足之处，如不具有(yǒu)除湿功能(néng)，冷却空气的能(néng)力受气候环境的影响等。所以，在应用(yòng)中，可(kě)以将蒸发冷却技术与机械制冷有(yǒu)机地结合起来，相互取長(cháng)补短，发挥各自的优点[10]。直接蒸发冷却是蒸发冷却技术的一种重要形式，是指空气与大面积的水直接接触，由于水的蒸发，空气与水的温度都降低，且空气的含湿量有(yǒu)所增加，空气的显热转化為(wèi)潜热，这是一个绝热加湿过程。直接蒸发冷却空调机是一种新(xīn)颖的空调设备，具有(yǒu)节能(néng)、环保、送风品质高等优点。该机组结构非常简单，如图 1 所示，主要由填料、水泵、风机、集水箱及供水系统组成。其工作原理(lǐ)如图2所示，它是利用(yòng)循环水直接喷淋未饱和湿空气形成的降温、增湿、等焓过程，其变化过程如图3 所示。图中：tgw為(wèi)空气干球温度；tgo為(wèi)绝热条件下空气被冷却的温度；tsw為(wèi)空气湿球温度；hw為(wèi)等焓線(xiàn)。

2 常见的几种直接蒸发冷却填料研究分(fēn)析

2.1 填料在直接蒸发冷却器中的作用(yòng)

填料是直接蒸发冷却空调机的核心，它提供了空气和水直接进行热湿交换的界面，直接蒸发冷却器通过在填料顶部喷淋循环水，使流经换热器的空气与填料表面的水膜直接接触进行热湿交换，使水和空气接触均匀，同时增大了接触面积、延長(cháng)了接触时间，是直接蒸发冷却器中的一个关键部件，其性能(néng)的好坏直接影响到换热器的效率，进而影响到最终的冷却效果。填料在直接蒸发冷却器中的作用(yòng)主要有(yǒu)以下功能(néng)：

（1）降温。进入直接蒸发冷却器中的空气与填料表面直接接触进行热湿交换降低空气温度。

（2）加湿。作為(wèi)湿膜加湿器对空气加湿，同时提高了空调房间的舒适性。

（3）过滤出尘。有(yǒu)效去除空气中的粉尘以及气态污染物(wù)，对净化室内空气起到了一定的作用(yòng)。

因此，直接蒸发冷却空调机的研究，主要是填料的传热传湿及净化性能(néng)的研究。

2.2 几种常用(yòng)填料的性能(néng)对比

目前常见的填料有(yǒu)无机填料（以 GLASdek 為(wèi)典型代表）、有(yǒu)机填料（以 CELdek 為(wèi)典型代表）、金属填料（不锈钢或铝箔）等。无机填料是以玻璃纤维為(wèi)基材，经特殊成分(fēn)树脂浸泡，再经烧结处理(lǐ)的高分(fēn)子复合材料；有(yǒu)机填料是由加入了特殊化學(xué)原料的植物(wù)纤维纸浆制成的；金属填料主要由铝箔和不锈钢制成，其材质的特殊性决定了其吸湿性能(néng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于无机填料和有(yǒu)机填料，但其耐腐蚀性能(néng)优于上述两种填料。

对于填料的分(fēn)析研究，一定要清楚各种填料的基本特性以及对蒸发冷却效率的影响。冷却效率的影响因素如式1所示。西安工程大學(xué)的宣永梅对直接蒸发冷却空调机用(yòng)填料的性能(néng)进行了分(fēn)析评价，其性能(néng)对比如表 2。填料的热工性能(néng)的优劣直接会影响到填料的总體(tǐ)性能(néng)，关系着降温加湿效果以及直接蒸发冷却空调机的外形尺寸，它与其结构、填充方式、吸湿能(néng)力、比表面积等因素有(yǒu)关，各种不同填料热工性能(néng)对比如表 3 所示。无机填料是由强吸水性材料制成，所以其具有(yǒu)良好的湿挺度，不随水流、气流的作用(yòng)而分(fēn)解，抗霉、耐腐蚀、阻燃、易清洁、使用(yòng)寿命長(cháng)等优点，但发脆易碰碎，在运输与安装过程中容易造成损

坏；有(yǒu)机填料由于由植物(wù)纤维纸浆制成，其热工性能(néng)好，价格便宜，化學(xué)成分(fēn)不会随着水流、气流的作用(yòng)而分(fēn)解，具有(yǒu)易清洁、使用(yòng)寿命長(cháng)等良好性能(néng)，但它易燃且湿挺度较差并且容易被撕破；金属填料选用(yòng)很(hěn)薄的不锈钢板或铝箔作為(wèi)原料，结构上设计了空气与水交叉流动的结构，阻力小(xiǎo)，但其吸湿性较差。填料的防腐性能(néng)决定着空调机能(néng)否健康以及其寿命長(cháng)短，无机填料与金属填料耐腐蚀性良好，有(yǒu)机填料自身耐腐蚀性差，需要进行抗腐浸渍处理(lǐ)；物(wù)理(lǐ)性能(néng)如密度、湿挺度及强度，其中湿挺度较為(wèi)重要，金属填料的材质决定它的湿挺度较好，强度较好，经久耐用(yòng)[4]。式中：V 為(wèi)迎面风速；á為(wèi)空气与湿膜表面间的换热系数；δ為(wèi)填料厚度；為(wèi)填料的比表面积；a為(wèi)空气密度；Cp為(wèi)干空气的定压比热。

由此可(kě)见，填料的比表面积及其厚度均影响着直接蒸发冷却的冷却效率，对填料的分(fēn)析研究甚為(wèi)重要。

3 直接蒸发冷却填料的选择及应用(yòng)

3.1 填料的选择

选择填料一定要注意不同填料的特性。

不同填料构成的直接蒸发冷却器的降温性能(néng)不同，表 3 即為(wèi) 3 种主要填料的降温性能(néng)对比。由于填料结构的复杂性，理(lǐ)论上很(hěn)难确定空气与水膜直接接触时的换热系数，通常以实验為(wèi)基础為(wèi)直接蒸发冷却的理(lǐ)论计算和分(fēn)析奠定基础。东南大學(xué)的蒋毅、张小(xiǎo)松等人对无机填料进行了测试，结果表明，采用(yòng)无机填料作為(wèi)直接蒸发冷却填料处理(lǐ)空气时，冷却效率高，空气阻力较小(xiǎo)，实用(yòng)性好，例如，当空气流速為(wèi)2 m/s，填料厚度為(wèi)200 mm 时，冷却效率為(wèi) 85% 左右，空气阻力為(wèi) 60 Pa。解放军理(lǐ)工大學(xué)工程兵工程學(xué)院的魏征、耿世彬对有(yǒu)机填料直接蒸发冷却器进行了试验研究，结果表明，填料冷却效率主要与空气流速、填料厚度和喷淋水量有(yǒu)关，当喷淋水量足够多(duō)时，冷却效率取决于空气流速和填料厚度；填料阻力和體(tǐ)积换热系数主要取决于空气流速，喷淋水量对阻力影响可(kě)忽略不计，并且当喷淋水量足够时，體(tǐ)积换热系数存在一个最大值。有(yǒu)机填料的典型代表Celdek 有(yǒu)最优使用(yòng)参

数：厚度 300 mm，空气流速 3 m/s，喷淋水量2/9 kg/m3?s，此时填料的冷却效率在 95% 以上，阻力小(xiǎo)于40 Pa，没有(yǒu)雏凤带水现象[3]。但有(yǒu)机填料易撕碎。天津大學(xué)的张欢、由世俊对金属填料型直接蒸发冷却装置在空气处理(lǐ)机组中的应用(yòng)进行了分(fēn)析研究，实验结果表明金属填料具有(yǒu)效率高、耐腐蚀等优点，是一种性能(néng)良好的空气热湿处理(lǐ)设备，并建议其迎面风速在2.2 m/s ~2.8 m/s，综合考虑填料的热质传递性能(néng)和阻力，建议比表面积為(wèi) 500m2/m3

，空气流动方向長(cháng)為(wèi) 500 mm，厚度选用(yòng) 500mm~800 mm 是最佳的。并且金属填料表面冲孔和轧制小(xiǎo)纹，有(yǒu)助于提高填料表面的润湿性能(néng)，提高换热、传质效率。这些结论為(wèi)填料在空调领域的选择和应用(yòng)以及新(xīn)产品的开发提供了良好的基础。

3.2 填料的应用(yòng)

利用(yòng)填料实现空气的绝热蒸发冷却，在其过程中无需制冷能(néng)耗即可(kě)实现空调降温，有(yǒu)利于空调系统节能(néng)，同时还具有(yǒu)加湿的功能(néng)，利用(yòng)其过滤作用(yòng)，可(kě)对空气进行净化，在由空气传播传染病的疫情期，可(kě)采用(yòng)加消毒液的方法杀灭空气中的细菌病毒，防止细菌和病毒借助集中式空调系统传播。但不同材质的填料其性能(néng)差别很(hěn)大，如有(yǒu)机填料比表面积大，吸湿性较金属填料好，但耐腐蚀性和湿挺度较差、而且对喷淋水质要求严格，水质不好时容易结垢，堵塞；无机填料吸湿性好，耐腐蚀性也较纸质填料好，但较脆，在安装运输过程中容易被碰碎；金属填料防腐性和湿挺度较好，但其吸湿性较差。目前有(yǒu)机填料國(guó)外主要应用(yòng)在动物(wù)、家禽饲养和温室降温中，金属填料在石油化工领域应用(yòng)颇為(wèi)广泛。而且填料作為(wèi)洗涤式空气过滤器使用(yòng)也是一种无污染、高效率、低阻力、高可(kě)靠性和易操作的空气净化装置。可(kě)用(yòng)于办公楼、候机楼、宾馆等中央空调通风系统的过滤净化，尤其是它的低阻力，特别适用(yòng)于既有(yǒu)空调系统的改造，又(yòu)可(kě)代替现有(yǒu)的粗效过滤器[1]。

4 结语

通过对几种常用(yòng)的直接蒸发冷却器填料进行对比分(fēn)析，我们了解了各种不同填料的性能(néng)及其优缺点、使用(yòng)情况。我们必须不断努力，使填料得到充分(fēn)利用(yòng)，同时努力开发新(xīn)材料，提高直接蒸发冷却器效率，节约能(néng)源，弥补各种填料的不足。