设为首页 联系我们 友情链接 网站导航 知识窗
中央空调 家用空调 空调末端 特种空调 运输空调 冷冻冷藏 热泵热水机 水/地源热泵 蒸发冷却空调 压缩机 热交换器 配件及原料 智能控制 空气净化
您所在位置:首页  > 技术

蒸发冷却(凝)技术的发展趋势

发表日期:2019/8/20 11:01:56 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

一花独放不是春,百花齐放春满园,2019年4月9—11日,第三十届国际制冷、空调、供暖、通风及食品冷冻加工展览会(以下简称“2019中国制冷展”)在上海盛大召开。作为一种节能环保和可持续发展的空调技术,为期3天的中国制冷展上不乏蒸发冷却空调技术的身影,许多蒸发冷却相关的企业把握机会,积极参与了这次展会。

蒸发冷却空调技术利用水蒸发吸热制冷,冷却成本较低,能够大幅度降低用电量且缓解用电高峰对电能的要求,可用于居住建筑、公共建筑,以及纺织厂等工业建筑空调系统中。目前,蒸发冷却空调技术在我国新疆、甘肃、青海、宁夏、陕西等西北地区及广东、福建、江苏、浙江等沿海地区得到了广泛应用。

笔者从直接蒸发冷却空调技术、间接蒸发冷却空调技术、蒸发冷却与机械制冷复合空调技术以及应用蒸发冷却空调技术的相关机组等方面系统地对2019中国制冷展上的相关产品进行介绍与分析。

1  直接蒸发冷却空调技术

空气和水发生直接接触时,空气不断地将显热传递给水降低自身温度,同时水由于吸热释放出汽化潜热,这种利用空气的显热换得潜热的过程就是直接蒸发冷却过程。利用该原理的直接蒸发冷却空调按照降温形式可分为冷雾式直接蒸发冷却空调和冷风式直接蒸发冷却空调。

1.1  冷雾式直接蒸发冷却空调

1.1.1  高压微雾型

图1所示为2019中国制冷展上展出的高压微雾型冷雾式直接蒸发冷却空调器,其工作原理是利用高压柱塞泵将水压提高至7 MPa,然后将加压后的水经耐高压管线输送至专业喷嘴将其雾化,产生直径为3~15 μm的微雾颗粒,使其能够迅速从空气中吸收热量完成汽化并扩散,从而达到空气加湿、降温的目的。高压微雾型冷雾式直接蒸发冷却空调器应用比较广泛,不仅可以用于室内,户外场所同样适用,1992年西班牙塞维利亚世界博览会欧洲大道上的喷雾塔内就设置了高压雾化喷嘴(图2)为游客进行降温,且设计简洁大方,与周围建筑相得益彰。



1.1.2  汽水混合

汽水混合型冷雾式直接蒸发冷却空调器的加湿过程可分为引射和雾化2个部分。具有一定压力(0.1~1.0 MPa)的压缩空气通过特制的喷嘴腔,进行合理的配置和导流,在喷嘴口形成负压区,由于负压作用,集水器中的水连续不断地被引射到喷嘴腔内。被引射的水通过自动控水装置集存于集水器内,为高压空气引射喷雾提供了无压水源。压缩空气与被引射水的流速不同,2股流体在喷嘴腔内以设定的流量和流向有序地流动。雾化过程中较高压力的压缩空气能量传递给较低压力的水,使水的能量增高。2股流体在喷嘴出口处混合喷出,混合过程中高压空气与水流发生动量交换,与水进行剧烈摩擦与碰撞,利用空化效应将水充分雾化成细小的水珠。当汽水混合流体从喷嘴高速喷出时,又与外界大气中的空气进行摩擦接触,从而将水滴进一步撕碎,水滴的直径可达5~10 μm,从而达到良好的雾化效果。图3所示为2019中国制冷展上展出的汽水混合型冷雾式直接蒸发冷却空调器。


1.2  冷风式直接蒸发冷却空调

1.2.1  蒸发式冷气机(冷风扇)

蒸发式冷气机是利用淋水填料层直接与待处理的室外空气接触,由于喷淋水的温度一般都低于待处理空气(即新风)的温度,空气不断将自身显热传递给水而得以降温;与此同时,部分喷淋水(循环水)会因不断吸收空气中的热量而蒸发,蒸发后的水蒸气被气流带入室内,于是,新风既得以降温,又实现了加湿。所以,这种利用空气的显热换得潜热的处理过程,既可称为空气的直接蒸发冷却,又可称为空气的绝热降温加湿。待处理空气通过直接蒸发冷却所实现的空气处理过程为等焓加湿降温过程,其极限温度为空气的湿球温度。图4和图5所示分别为蒸发式冷气机(冷风扇)的原理图和实物图。



蒸发式冷气机适用范围:

1)在南方地区主要适用于纺织、服装、制革、化工、冶金、食品等工厂以及一些有高温热源的生产场所;

2)在北方地区适用于商场、餐馆、火锅店、医院门诊大厅、车站候车厅、机场、学校等人口密集需要通风降温的公共场所;

3)有污染性气体或散发粉尘及有害气体的场所;

4)已安装传统空调但新风量或含氧量不足的场所;

5)通信基站、机房降温设备的节能改造。

目前,单独采用直接蒸发冷却空调技术的蒸发式冷气机主要适用于允许室内温度偏高、空气流速大的场所。直接蒸发冷却还可与岗位送风相结合,将冷风直接送至人员的工作区域,有利于提高工作效率。

1.2.2  窗式蒸发冷却空调器

图6所示为2019中国制冷展上展出的窗式蒸发冷却空调器。随着不断地开发和完善,第二代窗式蒸发冷却空调器的外形和功能不断改进,较第一代更加美观,还可以从房间内部拆卸外壳,检修和更换填料,为安装和维护提供了方便。图7所示为第一代和第二代窗式蒸发冷却空调器的对比图。



窗式蒸发冷却空调器具有节能、环保、经济、低碳、舒适等优点,近年来已经在我国广大西北地区得到了推广和应用,尤其是在学生宿舍。学生宿舍多采用悬挂式电风扇进行降温,少数采用机械压缩式制冷空调进行降温。窗式蒸发冷却空调器降温效果虽不如机械压缩式制冷空调,但其具有送风量大、全新风运行的特点,可以满足宿舍空间的舒适性要求,且在过渡季节,窗式蒸发冷却空调器仅作为通风设备使用,可满足室内的舒适性要求。使用窗式蒸发冷却空调器能够有效降低房间温度,改善室内热环境,送入宿舍的全新风改善了室内空气品质,但同时要做好排风系统,以达到良好的通风降温目的,避免室内湿度过大。


2  间接蒸发冷却空调技术

间接蒸发冷却空调技术,产出介质(空气或水)与工作介质(空气和水)间接接触进行热湿交换,产出介质与工作介质之间不存在质的交换,仅是显热的交换。作为间接蒸发冷却空调技术的特殊形式,露点式间接蒸发冷却空调技术是利用空气的干球温度与不断降低的湿球温度之差完成换热,这不同于一般间接蒸发冷却空调技术(利用空气的干球温度和固定的湿球温度之差换热)。露点式间接蒸发冷却器干湿通道之间被打上小孔,进入干通道的一次空气被预冷后,流经小孔时一部分进入湿通道,作为二次空气与湿通道的水膜发生热湿交换,降低湿通道的温度,拉大了干湿通道的换热温差,使得干通道内的一次空气降温幅度增大。露点式间接蒸发冷却技术的驱动势是一次空气的干球温度与二次空气的露点之差,送风温度的极限是一次空气的露点,因此,可以提供送风干球温度比室外湿球温度低且接近露点的空气,温降较大。2019中国制冷展也展出了露点式间接蒸发冷却空调机组。

2.1  露点式间接蒸发冷却空调机组

露点式间接蒸发冷却空调技术突破了直接蒸发冷却空调技术受湿球温度的限制,在干燥地区,露点式间接蒸发冷却空调很接近传统机械压缩式制冷空调的送风温度,相较于直接蒸发冷却空调,舒适性得到提高。高温冷水+盘管(AWA)的降温模式是以冷风先制取冷水,再用冷水制取冷风,而露点式间接蒸发冷却空调机组(AA)是用冷风直接制取冷风,如图8所示,省却了能量转换带来的无谓损耗,工程造价大幅降低,无表冷器,因此冬季无须考虑防冻问题。机组利用露点与干球温度之间存在的温差不断对空气进行冷却,使送风逼近露点。图9所示为2019中国制冷展上展出的露点式间接蒸发冷却空调机组。



如图10所示,工作气流通过芯体下部的干通道,被前一级湿侧蒸发冷却带走显热,焓值降低,实现预冷后,经过节流孔进入另一侧的湿通道进行等焓加湿。产出气流通过芯体上部的干通道,绝对含湿量不变,干球温度被另一侧交叉布置的多级湿通道依次降低,然后送入室内。


2.2  露点式间接蒸发冷却冷水机组

蒸发冷却冷水机组与常规的蒸发冷却空调技术制取冷风所获得冷量形式不同,是采用水侧蒸发冷却技术获得冷水。机组由间接蒸发冷却段、喷淋装置、风机等组成。室外新风先经过间接蒸发冷却过程预冷,预冷后的空气进入填料塔与填料表面的水膜进行充分的热湿交换制备冷水,然后空气在排风机的作用下被排出冷水机组。间接蒸发冷却段可以有多种形式,例如表冷式间接段、板翅式间接段、管式间接段、露点式间接段等。图11所示为露点式间接蒸发冷却冷水机组的实物图和原理图,图12所示为表冷式间接蒸发冷却冷水机组的实物图与原理图。蒸发冷却冷水机组的出水温度低于常规冷却塔的出水温度,而又高于常规冷水机组的出水温度,因此,蒸发冷却冷水机组的应用方式由其自身的性能特点及建筑使用功能要求和空调对象的热、湿负荷特点决定。




3  蒸发冷却与机械制冷复合空调技术

蒸发冷却空调技术具有节能、低碳、经济、健康的独特优势,但单独依靠该技术制取的冷风或冷水参数与室外空气状态紧密相关,不易控制且具有不稳定性,自身性能有待提高。而机械制冷技术可以制取温度较稳定的冷风或冷水,但相比而言耗能较大。将蒸发冷却与机械制冷有机结合,可实现2种技术的协同运行与相互耦合,弥补单纯采用其中一方法所存在的不足,有利于优化蒸发冷却设备,拓宽其使用范围,同时提高机械制冷性能,促进节能减排,实现两者优势互补。图13所示为2019中国制冷展上展出的蒸发冷却+机械制冷(直膨式)组合式空调机组实物图和工作原理图。


该组合式空调机组有2种运行模式:①针对干燥工况,充分发挥蒸发冷却空调技术的优势进行自然冷却,只开启直接蒸发冷却段即可满足设计要求,待处理空气经由过滤段进入直接蒸发冷却段被等焓加湿降温后由风机送入室内;②针对高温高湿工况,直接蒸发冷却段关闭,开启机械制冷段,室外空气与室内回风进行混合,之后由机械制冷循环蒸发器进行减湿冷却后由风机送入室内。


4  数据中心用双冷源蒸发式冷气机

随着互联网信息时代的高速发展,数据中心能耗问题受到广泛关注,早期数据中心的空调系统一般采用机械制冷精密空调的设计,自2008年国家大力倡导“节能减排”以来,出于对高能效的追求,人们对蒸发冷却这一节能环保技术的接受度不断增加,蒸发冷却空调技术广泛地应用到数据中心领域,2019中国制冷展上展出了数据中心专用的蒸发冷却产品,图14所示为2019中国制冷展上展出的数据中心用双冷源蒸发式冷气机实物。


和工作原理图图和工作原理图,既可以采用自身的循环水对填料进行喷淋冷却待处理空气,还可以采用深井水将自然环境中蕴含的丰富的冷源进行有效利用,从而有效降低运行功耗和费用。

5  闭式冷却塔

5.1  多工况复合闭式冷却塔

图15所示为2019中国制冷展上展出的多工况复合闭式冷却塔,该冷却塔是在传统闭式塔的基础上增加一套开式冷却系统的冷却设备,盘管和填料采用不同的回路,兼具填料水冷的高效性及空冷的大风量特性,在深秋之时停止为填料供水,有效避免填料被冰冻,并针对我国华北及东北地区夏季极热、冬季极冷的气候特性设计了4段式运行策略。

1)夏季:同时开启闭式和开式循环,开式循环制取的冷水供给闭式循环使用,以满足极高热负荷的需求,如图16(a)所示;

2)初秋:闭式塔不开机,开式塔全开,较夏季模式省电;

3)深秋:闭式塔全开,开式塔全关,可在低温时防止填料冰封以及管排冻结;

4)冬季:闭式塔喷淋水关闭,只开风机,开式塔全关,有利于节能节水,如图16(b)所示。

5.2  闭式混合型冷却塔

图17所示为2019中国制冷展上展出的闭式混合型冷却塔。该冷却塔增加了与冷凝盘管串联的翅片管,具有3种运行模式,分别是干/湿式联合模式、绝热模式以及干式模式(见图18),通过不同运行模式的选择,可适用于要求连续可靠运行、水价高的区域,以及供水受限或需要消除白雾的场合。

1)干/湿联合运行模式(见图18(a))

流体首先进入翅片管进行冷却,然后进入冷凝盘管被进一步冷却。喷淋水从集水盘由循环水泵送至冷凝盘管上方的喷淋装置。喷淋水润湿冷凝盘管表面,带走管内流体热量后下落至填料表面,在填料内被进一步冷却后落入集水盘循环使用。空气分别流过填料和冷凝盘管,吸收热量达到饱和状态后由轴流式风机排出。此时排风温度比较低,安装在轴流式风机上方的翅片管管内的流体能够被排风显著冷却。

干/湿联合运行模式利用了显热及蒸发潜热。相比于传统的冷却塔,在极端天气下,白雾趋势极大降低,还可以节省大量的水。

2) 绝热运行模式(见图18(b))

在绝热运行模式下,经翅片管冷却的流体被全部旁通排出,冷凝盘管内无热量交换,喷淋水仅用来预冷从外部进入的空气。在大多数气候条件下,周围的空气仍然具有相当大的潜力吸收水分,被绝热冷却的空气温度显著降低,由轴流式风机排出时对翅片管管内的流体进行预冷,保证设计流体所需的温度,使系统效率最大化。

3) 干式运行模式(见图18(c))

在干式运行模式下,喷淋水系统关闭,节约水泵能耗。待冷却的流体流经翅片管进入冷凝盘管,流量控制阀保持全开,以确保流体串联流过2个盘管,最大限度地利用换热面积。在这种模式下,没有水的蒸发消耗,并且完全没有白雾产生。在干式运行模式持续工作时间较长时,将集水盘内的水排空,这样不需要考虑防冻及水处理问题。


6  蒸发式冷凝器

6.1  填料型蒸发式冷凝器

图19所示为2019中国制冷展上展出的填料型蒸发式冷凝器实物图和工作原理图,气态制冷剂进入盘管将热量通过盘管表面传递给翅片。室外空气被位于顶部的风机吸入机组,经过位于盘管一侧的湿填料时被等焓冷却。之后,被预冷的空气流过盘管和翅片表面时带走管内制冷剂的热量,使其冷凝为液态制冷剂。

6.2  淋水型蒸发式冷凝器

淋水型蒸发式冷凝器主要是依靠水在空气中蒸发吸热带走管内气态制冷剂的热量,使其冷凝为液态制冷剂。根据空气流与喷淋水的方向,分为顺流式蒸发式冷凝器和逆流式蒸发式冷凝器。

6.2.1  顺流式蒸发式冷凝器

顺流式蒸发式冷凝器(由于部分空气是由盘管上方进入,与喷淋水的方向一致,所以称为顺流式)内设有喷淋装置、冷凝盘管、填料、集水盘等。箱体外部设循环水泵、冷凝盘管侧面顶部装有轴流式风机。运行时,冷却水由循环水泵送至冷凝盘管上面的喷淋装置,均匀地喷淋在冷凝盘管的外表面,形成很薄的一层水膜。经过轴流式风机的引风,空气由盘管的上方和填料的侧面进入设备,强化了空气流动,形成箱内负压,促使水的蒸发温度降低,促进水膜蒸发,强化冷凝盘管的放热。高温气态制冷剂从冷凝盘管的上部进入,被管外水膜冷凝后成为液态制冷剂,从冷凝盘管下部集管流出。水膜吸收制冷剂的热量后,一部分蒸发变成水蒸气被轴流式风机吸走排入大气,其他经过填料时与空气进行热湿交换,随后落入集水盘内循环使用。图20所示为2019中国制冷展上展出的顺流式蒸发式冷凝器实物图和工作原理图。


6.2.2  逆流式蒸发式冷凝器

逆流式蒸发式冷凝器(空气与喷淋水的方向相反,称为逆流式)运行时,冷却水由循环水泵送至喷淋装置,在换热盘管表面形成均匀的水膜。室外空气由下部进入设备,与水膜发生热湿交换,促进水膜蒸发速率,带走换热盘管内制冷剂的热量,使气态制冷剂冷凝为液态流出。图21所示为2019中国制冷展上展出的逆流式蒸发式冷凝器实物图和工作原理图。


7  蒸发冷凝冷水机组/空调机组

7.1  蒸发冷磁悬浮机组

图22所示为2019中国制冷展上展出的蒸发冷磁悬浮机组,该机组采用降膜式蒸发器、淋水型蒸发式冷凝器和创新控制逻辑,实现机组一体化设计。

制冷剂进入降膜式蒸发器后,经过布液器中的喷嘴均匀地滴落到蒸发换热管的外侧,制冷剂在换热管的外表面呈膜状流下,在换热管的外侧吸热汽化,沿换热管的周围与换热管内的流体进行热交换,所形成的气态制冷剂从换热管的间隙由下向上运动,从蒸发器的蒸气出口离开蒸发器。

淋水型蒸发式冷凝器将冷凝器与冷却塔两者高度集成,以空气和水作为冷却介质,利用水的汽化潜热带走制冷剂的凝结热,实现制冷剂蒸气的冷凝,因此对水的需求量大大减少,能够节水55%。

7.2  蒸发冷凝式冷水机组

图23所示为2019中国制冷展上展出的蒸发冷凝式冷水机组。蒸发冷凝式冷水机组是一种高能效的空调设备,目前已经在地铁空调系统中得到应用,因其避免了冷却塔设置问题,布置较为灵活,在满足温湿度要求的同时降低了系统能耗,对地铁通风空调系统节能具有现实意义。

图24所示为2019中国制冷展上展出的板管式蒸发冷凝式冷水机组实物图。板管式蒸发冷凝式冷水机组采用平面液膜换热技术,布水均匀,换热效率高。工作时,压缩机吸入从蒸发器出来的高温低压的制冷剂蒸气,使之压力升高后送入蒸发式冷凝器,在管外循环水及室外空气共同作用下被冷却变为低温高压的制冷剂液体,再进入节流装置变为低温低压的制冷剂液体后送入蒸发器蒸发吸热,冷却高温冷冻水,变为高温低压的制冷剂蒸气,再进入压缩机,完成一个循环。

8  结束语

2019中国制冷展各种蒸发冷却设备的展出促进了蒸发冷却及相关行业的技术交流,对行业同仁探讨蒸发冷却、制冷技术新进展,传播绿色节能设计理念起到了积极作用。

蒸发冷却技术的发展与空气调节技术的发展息息相关,从世界上第一台空调的诞生到数据中心的自然冷却,再到蒸发式冷气机、蒸发式冷风扇,蒸发冷却空调在我国地铁站、机场、数据中心及其他相关领域得到广泛应用,在工业与民用建筑通风空调中发挥着越来越重要的作用。

随着国家“一带一路”倡议的提出,蒸发冷却技术面临新的机遇和挑战。蒸发冷却这种节能、环保、经济、健康的降温方式,与“一带一路”沿线国家的经济及能源状况等方面高度契合,尤其是哈萨克斯坦、伊朗、沙特阿拉伯等气候干燥、干空气能富足的地区。研究人员应对“一带一路”沿线国家和地区的气候特征、能源形式做更深入的了解,因地制宜地使用蒸发冷却空调技术,相信在不久的将来,蒸发冷却技术会成为“一带一路”沿线国家(地区)空调的主导方式,成为这些地区空调的未来,为环保和节能减排做出应有的贡献。


本文选自《制冷与空调》2019年6、7月刊,作者:寇凡  黄翔  贺红霞   常江   罗杰任;未经许可,不得转载



发表评论: 共有 访客发表了评论

验证码: 看不清楚?

    精彩内容推荐

    • 多联式空调(热泵)机组铭牌标注研讨会在合肥顺利召开

      中国制冷空调工业协会联合全国冷冻空调设备标准化技术委员会、合肥通用机电产品检测院有限公司于2019年9月9日至10日在合肥召开了多联式空调(热泵)机组铭牌标注研讨会。来自行业的27家多联机生产企业的技术和质量负责人出席了会议。中国制冷空调工业协会理事长、全国冷冻空调…

    • 间接蒸发冷却:向全新阶段迈进

      据统计,全球数据中心的耗电量约占地球总用电量的2-3%。正是由于这种巨大的能耗,高效的解决方案应用迫在眉睫。而自然冷却(Free Cooling)和蒸发冷却(Evaporative cooling)技术就是最具潜力的冷却解决方案之一(特别是在近期项目中);根据ASHRAE TC 9.1数据处理环境热指南…

    • 三菱电机将在日本推出R32热泵冷水机组

      近日获悉,三菱电机表示将于2020年初在日本推出一款风冷式热泵冷水机组,该机组采用较低的GWP制冷剂R32。据悉,R32热泵冷水机组DT-RIII采用其VRF产品中使用的高效铝扁管换热器技术,三菱电机相关人员表示,新型冷水机组可在室外温度高达52℃时实现冷却。与三菱目前的DT-RII R4…

    排行榜

    一周 | 一月

    精彩专题更多

    • 中国制冷能效项目

    • 制冷空调行业部分上市公司2019年半年报一览

    • 第十三届中国制冷空调行业大学生科技竞赛

    • 制冷空调行业部分上市公司2018年年报盘点

    • 臭氧气候技术路演及工业圆桌会议

    • 保护臭氧层与温室气体减排

    • 改革开放40年制冷空调企业展示

    • 制冷空调行业部分上市公司2018年三季度报集锦

    • 制冷空调行业部分上市公司2018年中报集锦

    • 2018年中国技能大赛——全国机械行业职业技能竞赛制冷工(制冷与空调)赛项

    • 第十二届中国制冷空调行业大学生科技竞赛

    • 20号令变身94号令,关于质疑投诉的要点

    • 详解《中华人民共和国标准化法》

    • 制冷空调行业部分上市公司2017年三季报集锦

    • 全国各地政府采购评审专家劳务报酬标准汇总

    • 第十一届中国制冷空调行业大学生科技竞赛

    • 2017“2+26”城市“煤改清洁能源”补贴政策一览

    • 您需要知道的几个要点

    • 2017北京“煤改清洁能源”招标陆续启动

    • 关注热泵采暖

    • 中央空调政府采购二三事儿

    • 冷冻冷藏

    • 汽车空调

    Top