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洁净室中蒸发冷却空调技术的发展和应用

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、节能的冷却技术。由于其无以伦比的优越性，引起了各国科学家对蒸发冷却技术研究工作的关注 。在我国，将蒸发冷却空调技术作为自然冷源替代人工冷源的研究早在20世纪60年代已引起国内学者的关注。20世纪80年代至90年代，我国对蒸发冷却技术的研究主要集中在同济大学、哈尔滨工业大学、天津大学等高校，主要研究蒸发冷却空调技术的传递过程理论分析、热湿交换计算、填料性能以及其他相关试验。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，新疆绿色使者有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，西安工程大学以黄翔老师为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工作，并取得了可喜的成绩。目前，蒸发冷却空调技术已经在新疆、甘肃、宁夏、青海等西北地区以及广东、福建、浙江等沿海地区得到推广应用。

1.2 蒸发冷却空调技术概述

蒸发冷却空调技术是利用水的蒸发取得能量，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，一般可以直接补充水分来维持蒸发冷却过程的进行。由于是以水作为制冷剂的，不使用 CFC，所以不会对臭氧层造成破坏，无温室效应，对大气无污染，同时可以直接采用全新风，排走室内的有害物质，有一定的去除污染物的能力，可以改善室内空气品质。而且其制冷不需要消耗压缩功，所消耗的能量只有水泵和风机的能耗，COP 高于常规的机械制冷系统，因此非常节能。在经济方面，蒸发冷却系统设备简单，投资少，运行费用低且操作简单。被称为“零费用制冷技术”、“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，可以看出，与机械制冷相比，蒸发冷却技术在节能、环保、经济及提高室内空气品质等方面具有明显的优势。但同时它也存在一些不足之处，如不具有除湿功能，冷却空气的能力受气候环境的影响等。所以，在应用中，可以将蒸发冷却技术与机械制冷有机地结合起来，相互取长补短，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，且空气的含湿量有所增加，空气的显热转化为潜热，这是一个绝热加湿过程。直接蒸发冷却空调机是一种新颖的空调设备，具有节能、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。其工作原理如图2所示，它是利用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为空气干球温度；tgo为绝热条件下空气被冷却的温度；tsw为空气湿球温度；hw为等焓线。

2 常见的几种直接蒸发冷却填料研究分析

2.1 填料在直接蒸发冷却器中的作用

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、延长了接触时间，是直接蒸发冷却器中的一个关键部件，其性能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主要有以下功能：

（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。作为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。有效去除空气中的粉尘以及气态污染物，对净化室内空气起到了一定的作用。

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的研究。

2.2 几种常用填料的性能对比

目前常见的填料有无机填料（以 GLASdek 为典型代表）、有机填料（以 CELdek 为典型代表）、金属填料（不锈钢或铝箔）等。无机填料是以玻璃纤维为基材，经特殊成分树脂浸泡，再经烧结处理的高分子复合材料；有机填料是由加入了特殊化学原料的植物纤维纸浆制成的；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远远落后于无机填料和有机填料，但其耐腐蚀性能优于上述两种填料。

对于填料的分析研究，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。西安工程大学的宣永梅对直接蒸发冷却空调机用填料的性能进行了分析评价，其性能对比如表 2。填料的热工性能的优劣直接会影响到填料的总体性能，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、吸湿能力、比表面积等因素有关，各种不同填料热工性能对比如表 3 所示。无机填料是由强吸水性材料制成，所以其具有良好的湿挺度，不随水流、气流的作用而分解，抗霉、耐腐蚀、阻燃、易清洁、使用寿命长等优点，但发脆易碰碎，在运输与安装过程中容易造成损

坏；有机填料由于由植物纤维纸浆制成，其热工性能好，价格便宜，化学成分不会随着水流、气流的作用而分解，具有易清洁、使用寿命长等良好性能，但它易燃且湿挺度较差并且容易被撕破；金属填料选用很薄的不锈钢板或铝箔作为原料，结构上设计了空气与水交叉流动的结构，阻力小，但其吸湿性较差。填料的防腐性能决定着空调机能否健康以及其寿命长短，无机填料与金属填料耐腐蚀性良好，有机填料自身耐腐蚀性差，需要进行抗腐浸渍处理；物理性能如密度、湿挺度及强度，其中湿挺度较为重要，金属填料的材质决定它的湿挺度较好，强度较好，经久耐用[4]。式中：V 为迎面风速；á为空气与湿膜表面间的换热系数；δ为填料厚度；为填料的比表面积；a为空气密度；Cp为干空气的定压比热。

由此可见，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，对填料的分析研究甚为重要。

3 直接蒸发冷却填料的选择及应用

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不同，表 3 即为 3 种主要填料的降温性能对比。由于填料结构的复杂性，理论上很难确定空气与水膜直接接触时的换热系数，通常以实验为基础为直接蒸发冷却的理论计算和分析奠定基础。东南大学的蒋毅、张小松等人对无机填料进行了测试，结果表明，采用无机填料作为直接蒸发冷却填料处理空气时，冷却效率高，空气阻力较小，实用性好，例如，当空气流速为2 m/s，填料厚度为200 mm 时，冷却效率为 85% 左右，空气阻力为 60 Pa。解放军理工大学工程兵工程学院的魏征、耿世彬对有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关，当喷淋水量足够多时，冷却效率取决于空气流速和填料厚度；填料阻力和体积换热系数主要取决于空气流速，喷淋水量对阻力影响可忽略不计，并且当喷淋水量足够时，体积换热系数存在一个最大值。有机填料的典型代表Celdek 有最优使用参

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，阻力小于40 Pa，没有雏凤带水现象[3]。但有机填料易撕碎。天津大学的张欢、由世俊对金属填料型直接蒸发冷却装置在空气处理机组中的应用进行了分析研究，实验结果表明金属填料具有效率高、耐腐蚀等优点，是一种性能良好的空气热湿处理设备，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和阻力，建议比表面积为 500m2/m3

，空气流动方向长为 500 mm，厚度选用 500mm~800 mm 是最佳的。并且金属填料表面冲孔和轧制小纹，有助于提高填料表面的润湿性能，提高换热、传质效率。这些结论为填料在空调领域的选择和应用以及新产品的开发提供了良好的基础。

3.2 填料的应用

利用填料实现空气的绝热蒸发冷却，在其过程中无需制冷能耗即可实现空调降温，有利于空调系统节能，同时还具有加湿的功能，利用其过滤作用，可对空气进行净化，在由空气传播传染病的疫情期，可采用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差别很大，如有机填料比表面积大，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。目前有机填料国外主要应用在动物、家禽饲养和温室降温中，金属填料在石油化工领域应用颇为广泛。而且填料作为洗涤式空气过滤器使用也是一种无污染、高效率、低阻力、高可靠性和易操作的空气净化装置。可用于办公楼、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，特别适用于既有空调系统的改造，又可代替现有的粗效过滤器[1]。

4 结语

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