三种蒸发冷却器机组的性能对比及实验验证

 周鑫晶1杨惠君1于凯2

 1兰州交通大学环境与市政工程学院2铁道第三勘察设计院集团有限公司广东分公司

摘要：本文分别对直接蒸发冷却器、管式间接蒸发冷却器和间接．直接蒸发冷却复合冷水机组的性能进行了理论分析，并用实验加以验证。结果表明直接蒸发冷却器的冷却效率不高且送风湿度偏大，空气处理过程为等焓降温（绝热加湿）过程，实际出口空气温度接近进口空气湿球温度；管式间接蒸发冷却器的冷却效率较高，空气处理过程为等湿降温过程，送风温度趋近于进风的露点温度；间接．直接蒸发冷却复合冷水机组的冷却效率高，机组出水温度在室外空气的湿球温度与露点温度之间，其冷幅深的值随室外干湿球温度的波动呈现不稳定趋势，且冷幅高的值较为稳定，在1℃范围内波动，因此采用冷幅高来表征间接．直接蒸发冷却复合冷水机组的出水温度特性。

关键词：蒸发冷却干空气能冷却效率送风湿度

 蒸发制冷技术就是利用干空气能来获得空调所需制冷量，在不同类型的蒸发制冷装置中，利用水和干空气的热湿交换获得低温的冷风或（和）冷水。按照热湿交换过程中水和空气是否直接接触，蒸发制冷技术分为直接蒸发制冷和间接蒸发制冷两种方式。基于其制冷原理，蒸发冷却空调机组可以有多种类型，本文所研究的是直接蒸发冷却器、管式间接蒸发冷却器

和间接．直接蒸发冷却复合冷水机组的性能。总体思路是先对这三种冷却器的冷却效率进行理论分析，然后用相关实验数据加以说明，最后总结它们各自的优缺点并对比其性能。

1  蒸发冷却空调机组性能的理论分析

1.1直接蒸发冷却器的冷却效率分析

 直接蒸发制冷获得的载冷介质为湿冷风，其过程为空气和水直接接触发生热湿交换，通过水的蒸发而使空气温度下降，空气的含湿量增加，空气的焓值基本保持不变，热力学描述为等焓降温（绝热加湿）过程，送风降温的极限温度为进风的湿球温度。直接蒸发冷却过程中，在进口空气干球温度不变的情况下，出口空气温度随进口空气湿球温度的变化而变化，与进口空气干球温度无明显相关性。

 新风在直接蒸发冷却器内与喷淋水直接接触进行热质交换后，温度降低，而含湿量增加。理论上此过程可能实现的最大温降是出口空气的干球温度等于进口空气的湿球温度，即出口空气达到饱和。其冷却效率定义为空气进出口干球温度之差与空气进口干湿球温差之比，公式如下：

1.2管式间接蒸发冷却器的冷却效率分析

 与直接蒸发制冷不同，间接蒸发制冷获得的载冷介质为干冷风，由于一次空气（送风）不和水发生直接接触，间接蒸发冷却可以实现一次空气的等湿降温，在这个过程中，一次空气经处理后其干球温度和湿球温度都下降了，而含湿量不变。间接蒸发制冷是多级蒸发制冷的核心部件，对送风气流实现减焓等湿降温过程，高效间接蒸发制冷器送风温度理论上趋近于进风的露点温度。

 管式间接蒸发冷却器的冷却效率为：一次空气进出口干球温度之差与一次空气干球温度和二次空气湿球温度之差的比值：

式中：1表示一次空气，2表示二次空气。

1.3间接-直接蒸发冷却复合冷水机组的性能分析

 间接-直接蒸发冷却空调机组是指将管式间接蒸发冷却器和直接蒸发冷却器这两个功能段组合起来，再根据不同场所的使用要求，判断是否需要增加管式间接蒸发冷却器段或表冷器段。影响间接-直接蒸发冷却复合冷水机组性能的主要因素有：室外空气的干湿球温度、相对湿度，换热管的材料和规格，喷淋水的流量、温度，直接蒸发冷却器内填料的材质，一次、二次空气的流量和流速等等。本文中该机组的性能主要由出水温度特性来说明。

 与机组出水温度特性相关的参数是冷幅深和冷幅高。所谓冷幅深A，是指室外湿球温度t s与机组出水平均温度t w的差，即A=t s- t w；冷幅高B，是指机组平均出水温度t w与机组进风空气露点温度t1的差，则B=tw-t1。

2  蒸发冷却空调机组的实际运行测试

 为验证以上三种蒸发冷却空调机组的实际性能，采用兰州交通大学的实验样机进行了测试。该样机的壳体断面尺寸为1170 mmx685 mm，内部有780根光滑椭圆换热管，管长1500 mm，以叉排方式排列，椭圆管长轴直径为25 mm，短轴直径为20 mm，管间距横向和纵向均为30 mm。实验工况为：一次、二次空气均取室外新风；淋水量为5m3/h。本试验中，根据需要仅开启直接蒸发段或仅开启管式间接蒸发段或同时开启间接和直接蒸发段分别进行测试。

2.1仅开启直接蒸发段时的测试数据

 如表1所示，列出了直接蒸发段的部分相关实验数据，并用式(1)计算出了其冷却效率。经计算，直接蒸发段的平均冷却效率为63%，所测得的平均送风湿度为95%。

 图1为一次风出风温度与一次风进风干湿球温度的变化趋势。从图中可以看出，直接蒸发冷却器的送风温度在进风的干球温度与湿球温度之间，且比进风湿球温度高1℃左右。

2.2仅开启管式间接蒸发段时的测试数据

 如表2所示，列出了管式间接蒸发段的部分相关实验数据，并用式(2)计算出了其冷却效率，本实验中二次空气为室外空气，所以ts2等于一次空气的湿球温度。经计算，管式间接蒸发段的平均冷却效率为78%，所测得的平均送风湿度为64%。

 图2为一次风出风干球温度与一次风进风干球温度、二次风湿球温度的变化趋势。从图中可以看出，管式间接蒸发冷却器的送风温度在一次风的进风干球温度和二次风的湿球温度之间，且比二次风湿球温度高1℃左右。

2.3开启间接-直接蒸发段时的测试数据

 如表3所示，列出了间接-直接蒸发段的部分相关实验数据。所测得的平均送风湿度为91.3%。

 图3为机组出水温度和室外湿球温度、露点温度的变化趋势，即机组的出水特性曲线图。从图中可以看出，间接-直接蒸发冷却复合冷水机组的出水温度在室外空气的湿球温度与露点温度之间，且非常接近室外空气露点温度。其冷幅深的值波动较大，而冷幅高的值较稳定，趋近于水平线。因此，选用冷幅高来表征间接-直接蒸发冷却复合冷水机组的出水温度特性。

3  结论

 1)直接蒸发冷却器的实际出口空气温度接近进口空气湿球温度，但比进口空气湿球温度稍高。蒸发制冷技术发展的早期，多为直接蒸发制冷技术，在降低空气温度的同时增加了其含湿量，使得空调区域湿度偏大，温降有限。因此，在要求较高的室内环境中，不建议单独使用直接蒸发制冷。

 2)管式间接蒸发冷却器的效率高于直接蒸发冷却器，且送风湿度适宜。高效间接蒸发冷却器，综合间冷效率可达75%～100%左右。针对特殊需要，综合间冷效率可达100%以上，间接蒸发冷却器出风温度趋近于进风的露点温度。此外，间接蒸发冷却器还可以和直接蒸发冷却器组合形成多级蒸发制冷机组，根据不同的功能和要求实现单独供冷水、单独供冷风或同时输出冷风和冷水的功能。可用于中小型民用建筑和公共建筑，而对于大型建筑或空调区精度要求高的场所达不到要求。

 3)间接．直接蒸发冷却复合冷水机组的冷却效率很高，机组出水温度在室外空气的湿球温度与露点温度之间，且非常接近室外空气露点温度。其冷幅高的值较冷幅深的值稳定，可以用冷幅高来表征间接．直接蒸发冷却复合冷水机组的出水温度特性。该机组输出的载冷介质为冷水，它可以与新风系统结合形成干工况风机盘管+新风空调系统或地板辐射供冷／暖+

新风空调系统，不仅冷却效率高，还可以实现温湿度的独立控制，便于灵活调节，已广泛地应用于各类民用和工业建筑中，以高效节能环保的方式为人们创造了绿色、健康、安全、高品质的室内生活、工作和生产环境。