直接蒸發(fā)冷卻式空調(diào)機(jī)用熱濕交換材料的研究進(jìn)展

1、第 23卷第 6期 馮勝山,等:直接蒸發(fā)冷卻式空調(diào)機(jī)用熱濕交換材料的研究進(jìn)展 ·1· 文章編號:1671-6612(2009 06-001-08直接蒸發(fā)冷卻式空調(diào)機(jī)用熱濕交換材料的研究進(jìn)展馮勝山 劉慶豐 許順紅(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)電研究設(shè)計院 武漢 430070【摘 要】 介紹了直接蒸發(fā)冷卻式地溫空調(diào)機(jī)的原理和特點;綜述了直接蒸發(fā)冷卻式地溫空調(diào)機(jī)用紙質(zhì)、金屬質(zhì)、泡沫陶瓷質(zhì)和其它材質(zhì)熱濕交換材料及其應(yīng)用的最新研究進(jìn)展;預(yù)測泡沫陶瓷將是空調(diào)機(jī) 熱濕交換材料的主要發(fā)展方向?！娟P(guān)鍵詞】 直接蒸發(fā)冷卻;熱濕交換;填料;進(jìn)展 中圖分類號 TB657.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 BProgress in

2、 research of the padding of directive evaporative cooling air-conditionerFeng Shengshan Liu Qingfeng Xu Shunhong( Research & Design Institute of Mechanical & Electronic Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan, 430070 【 Abstract 】 The recently progress in research of the padding of

3、 directive evaporative cooling air conditioner is summarized. The emphasis is on the principle and advantages of padding. The material for the padding is classified into four aspects, i.e., papery padding, metallic padding , foam ceramic padding and other padding. The application of padding is also

4、reviewed. It is forecasted that ceramic foam will be the main development direction of heat and moisture exchange materials of the air conditioner. 【 Keywords 】 direct evaporation cooling ; heat and moisture transfer; padding ; progress基金項目: 湖北省自然科學(xué)基金資助項目(項目編號 2007ABA093作者簡介:馮勝山(1965- ,男,研究員,目前研究方向:

5、環(huán)境工程材料、復(fù)合材料、耐火材料。 收稿日期:2009-09-210 引言地溫空調(diào)(亦稱地源空調(diào)、地能空調(diào)是近年來國內(nèi)外重點研究和開發(fā)的新型節(jié)能、環(huán)?？照{(diào)。 地下水具有四季恒溫(1518特征,地下水與 地面空氣在夏季存在負(fù)溫差,在冬季存在正溫差。 直接蒸發(fā)冷卻式地溫空調(diào)的原理就是利用地下水 與地面空氣在不同季節(jié)的溫差, 通過多孔結(jié)構(gòu)熱濕 交換器(亦稱填料、水簾將地面空氣進(jìn)行蒸發(fā)冷 卻(或傳導(dǎo)加熱 、除濕(或加濕和除塵凈化, 再送入室內(nèi)置換原來受污染的高溫高濕 (或低溫低 濕 空氣, 達(dá)到凈化室內(nèi)空氣和調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度的 目的。該技術(shù)與常規(guī)冷媒制冷(熱技術(shù)相比,具 有對大氣環(huán)境無污染和低耗能等優(yōu)點

6、。 在全球大氣 逐漸變暖, 大氣臭氧層破壞日益嚴(yán)重的情況下, 這 種環(huán)保型空調(diào)技術(shù)越來越受到人們的重視。多孔結(jié)構(gòu)熱濕交換材料是直接蒸發(fā)冷卻式地 溫空調(diào)技術(shù)的核心, 其性能直接影響到空調(diào)機(jī)的運 行效果 1。因此,有必要深入研究熱濕交換材料, 以求全面提高直接蒸發(fā)冷卻式地溫空調(diào)的技術(shù)水 平,降低運行成本。本文將主要對直接蒸發(fā)冷卻式空調(diào)機(jī)用熱濕 交換材料及其傳熱傳質(zhì)機(jī)理的國內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn) 行歸納和總結(jié), 并且預(yù)測空調(diào)機(jī)熱濕交換材料的主 要發(fā)展方向。1 直接蒸發(fā)式冷卻空調(diào)機(jī)的技術(shù)原理直接蒸發(fā)冷卻是指未飽和空氣與循環(huán)水直接 接觸, 水蒸發(fā)時從周圍吸收汽化潛熱而對空氣進(jìn)行第 23卷第 6期2009年 12

7、月 制冷與空調(diào) Refrigeration and Air Conditioning V ol.23 No.6 Dec. 2009.18·2·制冷與空調(diào) 2009年冷卻。 圖 1為直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖。 圖 2為直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)原理圖。當(dāng)不飽和的空 氣與填料表面水膜直接接觸時, 在貼近水膜表面的 地方或水滴周圍, 由于空氣和水溫差的存在以及水 分子作不規(guī)則運動的結(jié)果, 形成一個與水表面溫度 相等的飽和空氣邊界層; 由于未飽和空氣與邊界層 之間存在著溫度差和水蒸汽濃度差或水蒸氣分壓 力差, 當(dāng)水的溫度低于空氣的溫度而水表面的蒸汽 分壓力大于周圍空氣的水蒸汽分壓力時

8、, 則空氣向 水傳遞顯熱,空氣溫度下降,水溫上升,水表面邊 界層的水蒸氣分子向空氣中轉(zhuǎn)移, 即蒸發(fā), 使空氣 變濕潤; 水膜從周圍吸收汽化潛熱并在緊貼水膜表 面形成對應(yīng)于水膜溫度的飽和空氣層, 飽和空氣層 中的水蒸氣在水蒸氣分壓力差的推動下, 向掠過水 膜表面的不飽和空氣中遷移, 進(jìn)行著以質(zhì)量傳遞為 形式的潛熱交換。 在這兩個同時發(fā)生并互相耦合的 熱量及質(zhì)量傳遞過程中, 其方向及強(qiáng)度受多因素的 影響, 形成典型的空氣-水蒸氣-水兩相多組分中 伴隨質(zhì)量遷移的復(fù)雜傳遞過程 1。 圖 1 直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖 圖 2 直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)原理圖2 直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)用填料的性能要求 及種類填料應(yīng)

9、滿足下列要求:具有較高的冷卻能力, 即水與空氣接觸表面積較大, 接觸時間較長; 通風(fēng) 阻力小; 材料易的; 價廉, 施工、 維修方便, 質(zhì)輕。 評價填料質(zhì)量的主要性能指標(biāo)有:比表面積、 空隙率、 密度、 強(qiáng)度、 濕挺度 (吸濕后的結(jié)構(gòu)剛度 、 吸濕性、 散水性、 阻燃性、 耐腐蝕性和使用壽命等。 直接蒸發(fā)冷卻填料的分類方法很多。 按填料的 彈性特性又可分為硬性、半軟性、軟性等。按填料 的裝配情況又可分為整裝和散堆等。 按填料中水被 淋灑成的冷卻表面形式,可分為點滴式、薄膜式、 點滴薄膜式三種類型。 其中, 點滴式淋水填料主要 以水滴散熱為主, 約占總散熱量的 65%70%; 薄 膜式淋水填料以

10、表面水膜散熱為主, 約占總散熱量 的 70%。直接蒸發(fā)冷卻填料按材質(zhì)又可分為有機(jī)材質(zhì) 和無機(jī)材質(zhì)兩種, 其中有機(jī)材質(zhì)主要有天然植物纖 維(俗稱木絲和紙基填料(紙簾 ,無機(jī)材質(zhì)主要 有玻璃纖維、金屬填料(鋁簾和鋼簾及泡沫陶瓷 填料。木絲和玻璃纖維均為三維通孔結(jié)構(gòu), 屬于半軟 性和散堆型填料,比表面積大,但是孔徑小、過流 阻力大、 濕挺度均低, 而且木絲的耐腐蝕性和玻璃 纖維的吸濕性也差。紙基填料和金屬填料都是由波紋狀的紙板或 金屬板以十字斜交叉形式組裝而成, 均為二維通孔 結(jié)構(gòu),屬于硬性、整裝(波紋板型、薄膜式淋水 填料。當(dāng)前實際應(yīng)用的填料主要是波紋板型的紙簾 和鋁簾。 其主要特點是:在結(jié)構(gòu)上都

11、設(shè)計了特殊的 波紋角度, 可以控制水與空氣交叉流動的方向, 從 而可以提供水流與空氣之間較大的接觸面積以及 較小的流動阻力。 紙簾的吸濕性好, 但是濕挺度低。 鋁簾的防腐性和濕挺度高, 但是吸濕性很低, 生產(chǎn) 成本高。目前在工程中應(yīng)用最廣的填料是紙簾,因其生 產(chǎn)成本低。但是綜合考慮填料的熱工性能、防腐耐 久性、 防火性、 除塵性及經(jīng)濟(jì)性等, 無機(jī)填料最好 1。 泡沫陶瓷填料是一種新型整裝填料。 它由許多 具有相同幾何形狀的填料單元體組成, 具有三維連 通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 由于陶瓷獨特的結(jié)構(gòu), 具有良好的親 水和保水性能, 其表面可形成極薄的液膜。 液膜的 湍動及氣流的傾斜曲折通道, 能促進(jìn)氣流與液膜

12、的 充分接觸, 使泡沫陶瓷填料能與波紋板型填料相媲 美, 而其耐腐蝕、 耐高溫性能卻比波紋板型填料高 得多。第 23卷第 6期 馮勝山,等:直接蒸發(fā)冷卻式空調(diào)機(jī)用熱濕交換材料的研究進(jìn)展 ·3·3 填料的傳熱傳質(zhì)性能研究進(jìn)展直接蒸發(fā)冷卻填料的研究始于二十世紀(jì) 60年 代初。前蘇聯(lián)的 A.A. 果果林注意到淋水填料的優(yōu) 點, 作了大量基礎(chǔ)性實驗, 對填料層內(nèi)的熱質(zhì)交換 規(guī)律、 蒸發(fā)冷卻效率及其影響因素進(jìn)行了研究, 所 用的填料主要是細(xì)松木刨花、 亞麻繩、 瓷環(huán)等自由 填充材料及浸有環(huán)氧樹脂的正弦紙束、 蜂窩紙質(zhì)填 料和微孔塑料板。美國的 Watt J.R.于 1963年出版 了

13、蒸發(fā)空調(diào) (Evaporative Air Conditioning ,對 這種空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備和應(yīng)用作了詳細(xì)介紹。 從熱力 學(xué)的角度看, 在填料表面進(jìn)行的傳熱傳質(zhì)過程是流 動、傳熱、傳質(zhì)同時發(fā)生,并相互耦合、交叉影響 的復(fù)雜的不可逆熱力過程。 影響其傳熱傳質(zhì)性能的 因素很多。 除填料本身的幾何尺寸、 結(jié)構(gòu)特征以外, 經(jīng)過填料后的出口空氣狀態(tài)如干、 濕球溫度, 淋水 的出水溫度以及填料兩側(cè)空氣的壓力降 P 還主要 受到空氣質(zhì)量流速,進(jìn)口空氣干、濕球溫度,以及 淋水進(jìn)水溫度,淋水質(zhì)量流速的影響。填料內(nèi)的水流動分布是影響空氣處理設(shè)備的 傳質(zhì)傳熱性能的重要因素。 如果水分布不均勻, 將 導(dǎo)致填料內(nèi)部局

14、域區(qū)域的汽液比和宏觀整體的汽 液比有顯著差別, 使傳熱傳質(zhì)效率大大降低。 造成 填料內(nèi)水分布不均的因素是多方面的。除了布水 器、 填料安裝和氣液負(fù)荷因素外, 填料本身的固有 性質(zhì)如填料結(jié)構(gòu)參數(shù)、 潤濕性能和成膜性對水的分 布也具有較大的影響。波紋填料(紙簾和鋁簾的 最大的優(yōu)點之一就是具有水自分布性能, 能得到較 為均勻的水分布。 實踐與理論研究均表明:波紋填 料的水分布均勻性優(yōu)于各種散堆填料,具有壓降 低、傳質(zhì)傳熱效率高、空氣通量大、滯水量小等優(yōu) 點。填料傳熱傳質(zhì)性能的研究方法一直以來是許 多學(xué)者關(guān)注的問題。 在實驗的基礎(chǔ)上, 不少學(xué)者也 嘗試對填料表面發(fā)生的傳熱傳質(zhì)過程從理論上進(jìn) 行分析 2

15、,3。下面分類介紹紙基填料、 金屬填料、 泡沫陶瓷 填料和其它材質(zhì)填料的研究進(jìn)展。3.1 紙基填料紙基填料是將折疊的紙板以十字斜交叉形式 粘合成型的波紋狀填料(見圖 3 。當(dāng)淋水的紙基 填料與熱空氣接觸時, 水蒸汽從紙基填料表面上的 微細(xì)孔蒸發(fā)出來,而后內(nèi)部的水分又向微細(xì)孔補(bǔ) 充,形成動態(tài)平衡。圖 3 紙基填料形貌典型的紙基填料是瑞典蒙特 (Munten公司的 CLASdek 填料和 CELdek 填料。 CLASdek 填料是 以堿性植物纖維為基材,經(jīng)特殊成分的樹脂浸泡, 再經(jīng)燒結(jié)處理制得的高分子復(fù)合材料。 CELdek 填 料由加入了特殊化學(xué)原料的植物纖維紙漿制成。 CLASdek 和 C

16、ELdek 的吸水性強(qiáng), 吸水后能在材料 內(nèi)部擴(kuò)散直至完全濕透。表 1列出了瑞典蒙特公司 CELDEK5090型紙 質(zhì)填料的主要性能參數(shù) (同時對比列出了我國天津 某公司 BY-500Y 型金屬填料的主要性能參數(shù) 。 表 1 典型紙質(zhì)填料和金屬填料的主要性能參數(shù)填料種類空隙率(%比表面積(m 2·m-3波紋夾角波紋高度 (mm CELDEK5090紙質(zhì)填料95 680 90º 7.0 BY-500Y金屬填料94 500 45º 6.3 同濟(jì)大學(xué)張慶民, 等研究了用波紋紙質(zhì)填料淋 水處理空氣進(jìn)行絕熱加濕和冷卻去濕的過程。 實驗 結(jié)果表明:利用波紋紙質(zhì)填料作為直接蒸發(fā)

17、冷卻器 填料時, 熱濕交換充分, 冷卻效率高, 過流阻力小, 可以用它來代替體積龐大的噴水室。 影響該填料制 作的直接蒸發(fā)冷卻器換熱效率的主要因素是:空氣 的迎面風(fēng)速、水量、填料厚度、淋水分布的均勻程 度等 4。江蘇大學(xué)王助良, 等在某生產(chǎn)車間設(shè)計和安裝 了紙質(zhì)濕簾降溫系統(tǒng), 建立濕簾降溫系統(tǒng)的降溫增 濕模型。 系統(tǒng)測試表明:降溫增濕模型能準(zhǔn)確地反 映空氣通過濕簾后溫度和濕度的變化, 水與空氣熱 濕交換充分,過簾后的空氣溫度可降溫 5 10 5。·4·制冷與空調(diào) 2009年西北紡織工學(xué)院黃翔,等 1, 6, 7對 GLASdek 和其它材質(zhì)填料進(jìn)行了對比研究, 并且系統(tǒng)地分

18、析 了進(jìn)口空氣干濕球溫度和相對濕度對空調(diào)機(jī)溫降、 加濕管冷卻效率及加濕效率的影響; 另外, 從填料 層厚度、淋水量、迎面風(fēng)速、過濾器設(shè)置、風(fēng)機(jī)選 擇、風(fēng)量調(diào)節(jié)、水泵選擇、室內(nèi)濕度控制以及空調(diào) 機(jī)整體結(jié)構(gòu)等方面提出了直接蒸發(fā)冷卻式空調(diào)機(jī) 優(yōu)化設(shè)計的主要措施, 以提高其綜合性能。 研究結(jié) 果表明:GLASdek 填料的熱工性能比金屬填料好。 3.2 金屬填料典型的金屬填料是把經(jīng)沖孔、 軋制小波紋、 再 軋制大波紋的鋁合金薄板或不銹鋼薄板, 以十字斜 交叉形式組裝成填料塊(見圖 4 。薄片上沖孔和 加波紋可起到擴(kuò)散水的作用, 增強(qiáng)了水的均布性和 填料的潤濕性, 有利于提高傳熱傳質(zhì)效率。 表 1列 出

19、了我國天津某公司 BY-500Y 型金屬填料的主要 性能參數(shù)。 圖 4 金屬填料形貌天津大學(xué)由世俊, 等 11在國內(nèi)首先對金屬填料 型直接蒸發(fā)式空氣冷卻器的工作原理及應(yīng)用進(jìn)行 研究, 提出將填料型蒸發(fā)式冷卻器配合風(fēng)冷冷水機(jī) 組使用,能增加機(jī)組的制冷量,減少耗功率,提高 能效比, 是一種行之有效的節(jié)能措施, 在氣候炎熱 干燥地區(qū)效果更加顯著。為了研究金屬填料的長、 寬、 高、 比表面積等特征尺寸對填料熱質(zhì)傳遞性能 的影響, 由世俊等選用了三種不同特征尺寸的鋁質(zhì) 填料進(jìn)行冷卻除濕實驗研究。 實驗結(jié)果表明:增大 淋水質(zhì)量流速和空氣質(zhì)量流速, 會使填料表面空氣 與 水 之 間 的 傳 熱 傳 質(zhì) 系

20、數(shù) 增 大 , 迎 面 風(fēng) 速 取 2.2m/s28m/s,淋水質(zhì)量流速取 1.8kg/(m2·s 2.5kg/(m2·s為宜; 如果綜合考慮填料的熱質(zhì)傳遞性 能和阻力,比表面積為 500m 2/m3、沿空氣流動的 方向填料的長度為 500mm 、高度為 500800mm 的鋁質(zhì)填料是最佳的 12。 除了淋水質(zhì)量流速和空氣 質(zhì)量流速之外, 進(jìn)口水溫對填料的熱工性能影響最 大。 進(jìn)口水溫從 5增加到 12, 傳質(zhì)系數(shù)降低程 度超過 50%,空氣的溫降和焓降分別降低 20%以 上 13。天津大學(xué)邢永杰和孫賀江,等 13, 16也對金屬 填料的傳熱傳質(zhì)性能進(jìn)行了實驗研究。 通過采

21、用美 國 SAS 實驗數(shù)據(jù)多元回歸分析專用統(tǒng)計分析軟件, 對填料出口空氣溫度和相對濕度、 填料兩側(cè)靜壓差 及接觸系數(shù)等回歸公式中的變量進(jìn)行了顯著性分 析, 結(jié)果表明相關(guān)系數(shù)均大于 0.98, 各因素的顯著 水平均在 0.05以上。哈爾濱工程大學(xué)張正一, 等 17通過風(fēng)洞實驗檢 驗了各種填料的阻力特性和降溫特性, 利用不銹鋼 絲網(wǎng)制成一種 26層的金屬絲網(wǎng)多孔材料,并對以 這種材料為填料的蒸發(fā)冷卻中冷器的阻力特性和 蒸發(fā)降溫特性進(jìn)行了實驗。 結(jié)果表明:用蒸發(fā)冷卻 中冷器替換原有中冷器是可行的,可用于柴油機(jī)、 燃?xì)廨啓C(jī)及 ICR 船用燃?xì)廨啓C(jī)。3.3 泡沫陶瓷填料泡沫陶瓷是一種新型的三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)

22、構(gòu)材 料, 具有通孔率高 (75%85% 、 比表面積大、 強(qiáng) 度和濕挺度高、 阻燃性和耐腐蝕性及防霉性好、 使 用壽命長等特點。 泡沫陶瓷填料表面結(jié)構(gòu)具有良好 的濕潤性能, 能使液體加快流動、 使填料滯液量降 至最低。湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)電研究設(shè)計院研制成功常溫 固化泡沫陶瓷填料, 其主要成分為硅鋁酸鹽, 其形 貌如圖 5所示, 主要性能如表 2所列。 表中泡沫陶 瓷孔徑以每英寸即 25.4 mm長度上的孔數(shù)表示, 單 位為 ppi 。孔數(shù) ppi 越大,則孔徑越小。在泡沫陶 瓷材料表面預(yù)涂吸水性樹脂涂層, 可改善泡沫陶瓷 填料的吸濕性和散水性。 圖 5 泡沫陶瓷填料形貌第 23卷第 6期 馮勝山

23、,等:直接蒸發(fā)冷卻式空調(diào)機(jī)用熱濕交換材料的研究進(jìn)展 ·5·我們的研究表明:隨泡沫陶瓷填料厚度的增大, 出口空氣的干球溫度顯著下降, 蒸發(fā)冷卻換熱效率顯著提高, 但是過流阻力也明顯增大 (見圖 6 ;當(dāng)泡沫陶瓷填料厚度為 50mm 70mm 時,泡沫陶瓷填料的蒸發(fā)冷卻換熱效率增長率最大。表 2 泡沫陶瓷填料的主要性能孔徑 (ppi 開口孔隙率(%骨架直徑(mm 表觀密度(g·m-3常溫抗壓強(qiáng)度 (MPa 8 8085 0.61.00.250.30 0.71.0 10 7882 0.50.80.280.32 0.81.1 15 7580 0.40.60.300.35

24、1.01.2 圖 6 泡沫陶瓷填料換熱效率隨填料厚度的變化 隨泡沫陶瓷填料孔徑的減小, 出口空氣的干球 溫度下降, 蒸發(fā)冷卻換熱效率 E 提高, 但是變化不 明顯。泡沫陶瓷填料孔徑由 8ppi 減小到 15ppi 后, 其換熱效率僅從 64.8%提高到 69.4%。加大泡沫陶瓷填料的孔徑梯度, 雖然過流阻力 略有增加,但是泡沫陶瓷填料的換熱效率提高。 泡沫陶瓷材料表面預(yù)涂吸水性樹脂涂層后, 可 改善泡沫陶瓷填料的吸濕性和散水性, 使換熱效率 從 65.8%提高到 68.0%,但是過流阻力略有增加。 實驗還發(fā)現(xiàn):空氣流速和布水流量應(yīng)適中; 在 泡沫陶瓷填料上面貼放疏水紙簾, 可改善泡沫陶瓷 填料

25、的散水性能,換熱效率比直接布水時有所提 高, 但是過流阻力也增大; 影響泡沫陶瓷填料直接 蒸發(fā)冷卻換熱效率的主要因素有:填料厚度、 進(jìn)口 空氣溫度、空氣流速、填料孔徑、填料表面是否預(yù) 涂吸水涂層、布水均勻程度等。我們以 CELDEK5090型紙質(zhì)填料和 BY-500Y 型金屬填料作為對比對象,對孔徑為 10ppi 的泡沫 陶瓷填料進(jìn)行了對比測試,結(jié)果如表 3所列。表 3 不同種類填料的換熱效率和過流阻力對比填料種類 換熱效率 /%過流阻力/Pa泡沫陶瓷填料 65.8 127 金屬填料 *61.0 15 紙質(zhì)填料 *69.1 10 *注:數(shù)據(jù)來源于天津某公司和蒙特公司相關(guān)產(chǎn)品手冊由表 3可知:泡

26、沫陶瓷填料的蒸發(fā)冷卻換熱效 率接近 CELDEK5090型紙質(zhì)填料,高于 CB-500Y 型金屬填料; 但是目前試制的泡沫陶瓷填料的過流 阻力較大,為 CB -500Y 型金屬填料和 CELDEK 5090型紙質(zhì)填料的 8倍以上。增大泡沫陶瓷填料 的孔徑可解決過流阻力過大的問題。 泡沫陶瓷填料 用作直接蒸發(fā)冷卻換熱填料是可行的, 在溫室空氣 調(diào)節(jié)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。3.4 其它填料Dzivama ,等 18對碎海綿、莖海綿、黃麻纖維 及炭等四種蒸發(fā)冷卻器填料進(jìn)行了測試, 實驗結(jié)果 表明:當(dāng)環(huán)境溫度為 32、相對濕度為 25%時, 莖海綿的性能最好,能使溫度降到 18,相對濕 度達(dá)到 84%

27、。Faleh 19設(shè)計了一種專門的測試裝置,對用于 蒸發(fā)冷卻器填料的棕櫚(莖纖維、黃麻和 Luffa 纖維等三種天然纖維的性能進(jìn)行了評估,結(jié)果表 明:幾種濕填料中,黃麻的平均冷卻效率最高,達(dá) 到 62.1%, Luffa 纖維為 55.1%,棕櫚(莖纖維為 38.9%,而用來作對比的商用填料的平均冷卻效率 為 49.9%;黃麻的鹽沉積最少,其次是棕櫚(莖 纖維和 Luffa 纖維, 而商用填料則最多; Luffa 纖維 抵制發(fā)霉的能力最強(qiáng),其次是棕櫚(莖纖維,而 商用填料和黃麻纖維則很差。 冷卻效率衰減幅度的 研究結(jié)果表明:Luffa 纖維在整體優(yōu)勢上強(qiáng)于棕櫚 (莖纖維,商用填料的冷卻效率衰減

28、明顯,而黃 麻纖維則最差?？傮w結(jié)果顯示:Luffa 纖維最好, 對于黃麻纖維, 如果能對表面作防霉處理, 那么它 將成為商用填料的良好替代物。Chung-Min Liao, 等 20對無紡纖維多孔填料和 椰子皮纖維填料進(jìn)行了風(fēng)洞實驗, 得到了不同厚度 替代填料的蒸發(fā)冷卻過程的熱質(zhì)傳遞系數(shù)的量綱 方程。 測試結(jié)果表明:在氣流速度為 2.0m/s3.0m/s時,對于 150mm 厚的填料,通過無紡纖維多孔填·6· 制冷與空調(diào) 2009 年 料的靜壓降和冷卻效率分別為 48Pa108Pa 和 89.69%92.86%； 而通過椰子皮纖維填料的則分別 為 60Pa130Pa 和 8

29、9.69%92.86%。 Chung-Min Liao 等人21設(shè)計了一個簡潔緊湊 的風(fēng)洞，用于模擬蒸發(fā)冷卻填料-風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，以便 能夠直接測試系統(tǒng)的性能。選擇了孔徑為 2.5mm 的粗糙 PVC 海綿篩網(wǎng)和孔徑為 7.5mm 的優(yōu)質(zhì) PVC 海綿篩網(wǎng)兩種填料進(jìn)行測試。通過風(fēng)洞實驗，測試 了空氣流速、水流量、通過填料的靜壓降、填料厚 度等對蒸發(fā)冷卻效率的影響情況， 以及填料風(fēng)機(jī) 系統(tǒng)正常運行下填料的迎面風(fēng)速和相關(guān)的靜壓降， 得到了不同厚度填料時熱質(zhì)傳遞系數(shù)的量綱方程。 測試結(jié)果表明：在淋水密度為 15L/( min·m2、填料 厚度為 150mm、氣流速度為 0.75m/s1.5m/s

30、 的條 件下，粗糙 PVC 海綿篩網(wǎng)的冷卻效率為 81.75% 84.48% ， 優(yōu) 質(zhì) PVC 海 綿 篩 網(wǎng) 的 冷 卻 效 率 為 76.68%91.64%。 4 填料的傳熱傳質(zhì)機(jī)理研究進(jìn)展 Y.J.Dai，等8考察了由耐用蜂巢濕紙?zhí)盍蠘?gòu)成 的交叉流直接蒸發(fā)冷卻器，建立了包括液膜、氣態(tài) 物質(zhì)、 交界面邊界條件等諸多控制方程在內(nèi)的數(shù)學(xué) 模型，預(yù)測了液膜的界面溫度。分析結(jié)果表明：存 在一個最佳氣流通道長度使溫度最低； 通過優(yōu)化運 行參數(shù)，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。 廣東仲愷農(nóng)業(yè)技術(shù)學(xué)院宋垚臻 9 對空氣與水 逆流通過紙質(zhì)填料的熱質(zhì)交換過程進(jìn)行了分析， 建 立了通用的計算公式，并應(yīng)用 MATLA

31、B 數(shù)學(xué)軟件 方便快速地對公式進(jìn)行求解， 計算出空氣與水逆流 通過紙質(zhì)填料后空氣和水的狀態(tài)參數(shù)， 并與前人的 實驗結(jié)果比較， 驗證了文獻(xiàn)7給出的模型公式的準(zhǔn) 10 確性 。 由世俊等 14,15 對金屬填料的熱質(zhì)傳遞進(jìn)行了 研究， 推導(dǎo)出描述金屬填料內(nèi)部以熱空氣與冷水的 溫差和水蒸氣分壓力差為驅(qū)動力的熱質(zhì)傳遞過程 的微分方程組，求得了該微分方程組的數(shù)值解，描 述了金屬填料內(nèi)部空氣的濕球溫度場和填料表面 水膜的溫度場，分析了單位面積空氣、冷水質(zhì)量流 量和進(jìn)口冷水溫度對金屬填料熱質(zhì)傳遞性能的影 響規(guī)律， 為金屬填料用于空調(diào)機(jī)組的設(shè)計提供了計 算方法，可以根據(jù)給定的流經(jīng)填料的空氣質(zhì)量流 速、淋水質(zhì)量

32、流速、空氣進(jìn)口狀態(tài)及冷水的供回水 溫差，計算出所需填料的高度，為滿足工程精度要 求的設(shè)計提供依據(jù)。 西安工程科技學(xué)院杜鵑，等2通過對直接蒸發(fā) 冷卻式空調(diào)機(jī)與冷卻塔的傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行類比 分析， 推導(dǎo)出了直接蒸發(fā)冷卻式空調(diào)機(jī)的熱工計算 方法，并分別對迎面風(fēng)速、空氣與填料表面的傳熱 系數(shù)、 填料厚度及填料的面積系數(shù)等影響直接蒸發(fā) 冷卻式空調(diào)機(jī)熱濕交換性能的各因素進(jìn)行了詳細(xì) 的分析。在此基礎(chǔ)上，對直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的 傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬22，采用 SIMPLE 算法求解后， 將數(shù)值模擬值與實驗測試值進(jìn)行了對 比。結(jié)果表明：二者吻合得很好，得到了溫度場和 濕度場的分布圖， 并通過在求解程序中

33、改變不同變 量的值，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果繪出了迎面風(fēng)速、填料 厚度及空氣入口狀態(tài)參數(shù)等因素對直接蒸發(fā)冷卻 系統(tǒng)冷卻效率及空氣出口狀態(tài)的影響關(guān)系曲線。 山東建筑大學(xué)黃秋菊， 23從濕膜加濕機(jī)機(jī)理 等 出發(fā)，建立了數(shù)學(xué)控制方程，利用有限差分法將控 制方程離散，并利用 MATLAB 軟件編程序求解。 根據(jù)數(shù)值求解的結(jié)果， 研究了濕膜加濕器的加濕性 能，并對影響加濕性能的因素進(jìn)行了分析，為提高 加濕性能提供了理論依據(jù)。 蘭州鐵道學(xué)院董炳戌， 24認(rèn)為我國西北大部 等 分地區(qū)可以利用水膜處理空氣來達(dá)到冷卻的目的， 并且建立了數(shù)學(xué)模型， 給出了用平面水膜淋水器處 理空氣所能達(dá)到的送風(fēng)參數(shù)，經(jīng)計算分析后，得到

34、了各種因素的影響， 為實驗設(shè)備尺寸的設(shè)計提供了 依據(jù)，并為新型節(jié)能環(huán)保、高效空調(diào)的開發(fā)提供了 理論基礎(chǔ)。 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)蘇為， 25總結(jié)了近幾十年來關(guān) 等 于濕簾體內(nèi)蒸發(fā)降溫機(jī)理的分析方法， 著重討論了 各種分析方法得出的結(jié)論， 及其對提高濕簾換熱效 率的指導(dǎo)意義， 在此基礎(chǔ)上提出了深入分析濕簾工 作效率的思路。 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)張繼元26研究了濕熱冷卻裝置在 噴淋水完全蒸發(fā)條件下的熱質(zhì)交換特征，經(jīng)理論推 導(dǎo)給出了噴淋水量及濕熱參數(shù)的計算式。從節(jié)能節(jié) 水的角度出發(fā)，提出了在控制好噴淋用水量的基礎(chǔ) 上取消循環(huán)水泵， 實現(xiàn)噴淋水完全蒸發(fā)的降溫方案。 上海東華大學(xué)強(qiáng)天偉， 27也對不循環(huán)噴淋水 等 噴淋填

35、料的過程進(jìn)行了分析，得到的結(jié)論為：有循 環(huán)噴淋水噴淋填料時， 直接蒸發(fā)冷卻器冷卻效率受 第 23 卷第 6 期 馮勝山，等：直接蒸發(fā)冷卻式空調(diào)機(jī)用熱濕交換材料的研究進(jìn)展 ·7· 噴淋水溫度的影響較大， 但只有當(dāng)不循環(huán)噴淋水溫 度等于空氣濕球溫度時，蒸發(fā)冷卻效率最高。 廣東仲愷農(nóng)業(yè)技術(shù)學(xué)院呂金虎， 28就進(jìn)口空 等 氣相對濕度對直接蒸發(fā)冷卻式空調(diào)機(jī)性能的影響 進(jìn)行了分析， 得到了在保證一定冷卻效果的條件下 冷卻效率、 填料厚度和出口空氣相對濕度與進(jìn)口空 氣相對濕度的關(guān)系曲線。 東南大學(xué)蔣毅， 29對空氣經(jīng)過無機(jī)填料的直 等 接蒸發(fā)冷卻過程進(jìn)行了實驗研究， 分析了直接蒸發(fā) 冷卻

36、效率換熱系數(shù)以及空氣阻力的主要影響因素， 并給出了關(guān)于體積換熱系數(shù)和空氣阻力的兩個經(jīng) 驗公式，具有較好的精度，能滿足一般工程設(shè)計的 要求。 孫洲陽、由世俊和強(qiáng)天偉，等30 32還分別采 用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測分析了直接蒸發(fā)冷卻空 調(diào)機(jī)的傳熱傳質(zhì)性能， 預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果吻合較 好。 將會越來越廣。 參考文獻(xiàn)： 1 2 宣永梅,黃翔,武俊梅.直接蒸發(fā)冷卻式空調(diào)機(jī)用填料的 性能評價J.潔凈與空調(diào)技術(shù),2001,22(1:6-8. 杜鵑,武俊梅,黃翔.直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)與冷卻塔內(nèi)部 傳熱、傳質(zhì)過程的類比分析J.制冷與空調(diào),2003,(1: 11-14. 3 4 5 6 7 8 陳沛霖.間接蒸發(fā)式空氣

37、冷卻器熱工計算模型及其實 驗驗證J,制冷學(xué)報,1992,13(2:22-26. 張慶民,陳沛霖.空氣經(jīng)過淋水紙質(zhì)填料時的熱濕交換 過程J.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報,1995,23(6:648-653. 王助良,張敏,顏學(xué)升,等.車間濕簾降溫系統(tǒng)熱濕交換 的研究J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2006,37(12:139-143. 黃翔,武俊梅,宣永梅.兩種填料直接蒸發(fā)冷卻式空調(diào)機(jī) 性能的實驗研究J.制冷學(xué)報,2001,22(3:33-40. 武俊梅,黃翔,陶文銓.單元式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)的優(yōu) 化設(shè)計J.流體機(jī)械,2003,(1:59-62. Y J Dai, K Sumathy. Theoretical study o

38、n a cross-flow direct evaporative cooler using honeycomb paper as packing material J.Applied Thermal Engineering, 2002, 22:1417-1430. 9 宋垚臻.空氣與水逆流直接接觸熱質(zhì)交換模型及分析 J.化工學(xué)報,2005,56(4:614- 619. 10 宋垚臻.空氣與水逆流直接接觸熱質(zhì)交換模型計算及 與實驗比較J.化工學(xué)報,2005,56(6:999-1003. 11 由世俊,張衛(wèi)江.金屬填料型直接蒸發(fā)式空氣冷卻器的 研究J.制冷學(xué)報,1994,15(4:28-31.

39、12 由世俊,華君,涂光備,等.金屬填料表面熱質(zhì)傳遞實驗 研究J.制冷學(xué)報,2000,21(4:35-39. 13 孫賀江,由世俊,涂光備.空調(diào)用金屬填料傳熱傳質(zhì)性能 實驗J.天津大學(xué)學(xué)報,2005,38(6:561-564. 14 葛柳平,張歡,孫賀江,由世俊.金屬填料內(nèi)空氣熱濕處 理的熱質(zhì)傳遞J.煤氣與熱力,2005,25(3:16-19. 15 孫賀江,由世俊,張歡,涂光備.空調(diào)用金屬填料表面?zhèn)?熱 傳 質(zhì) 過 程 的 數(shù) 值 分 析 J. 化 工 學(xué) 報 ,2005,56(3: 424-429. 16 邢永杰,魏東.淋水金屬填料的直接蒸發(fā)冷卻實驗研究 J.制冷,2001,20(4:16

40、-19. 17 張正一,張妍,孫聿峰.一種多孔介質(zhì)蒸發(fā)冷卻中冷器性 能的初步研究J.熱能動力工程,2004,(2:163-166. 18 A U Dzivama, U B Bindir, F O Aboaba. Evaluation of 5 結(jié)語 從國內(nèi)近幾年的發(fā)展情況來看， 應(yīng)用于空調(diào)領(lǐng) 域的主要是紙基填料和金屬填料。 紙基填料的孔隙 度小， 空氣過濾凈化能力強(qiáng)， 但其為二維通孔結(jié)構(gòu)， 挺濕度（吸濕后的結(jié)構(gòu)剛度）和耐腐蝕性低，過流 阻力大，比表面積小，熱濕交換效率低。此外紙基 填料使用壽命較短。 金屬填料克服了紙基填料易發(fā) 霉、滋生細(xì)菌、污染空氣等缺點，但其本身也具有 重量大、造價高的弊病

41、。因此，有必要研究兼具過 流阻力小、 比表面積大和熱濕交換效率和空氣過濾 凈化效率高、防垢和耐腐蝕性好、吸濕性和挺濕度 高、生產(chǎn)成本低、使用壽命長等特點的熱濕能量交 換器材料， 以求全面提高直接蒸發(fā)冷卻式地溫空調(diào) 的技術(shù)水平，降低運行成本。 泡沫陶瓷具有比表面積大、通孔率高、過流阻 力小、強(qiáng)度和挺濕度高、耐腐蝕性優(yōu)良、使用壽命 長等特點。但是，泡沫陶瓷的研究與應(yīng)用目前還存 在許多問題有待解決，如：缺乏完整材料的大規(guī)模 生產(chǎn)系統(tǒng)；缺乏對材料孔徑精確控制的有效手段； 缺乏將孔結(jié)構(gòu)與傳熱傳質(zhì)性能相聯(lián)系的有效模型 等。 這些問題是泡沫陶瓷材料走向成熟過程中亟待 解決的， 我們相信隨著對填料表面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)性能與 不同工況之間關(guān)系研究的進(jìn)一步深入， 這些問題會 逐步得到解決， 泡沫陶瓷填料在空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用也 ·8· 制冷與空調(diào) 2009 年 pad materials in construction of active evaporative cooler for storage of fruits and vegetables in arid environme