间接蒸发冷却方案的比较研究

    0 引言

    由于间接蒸发冷却可有效地利用可再生能源或回收废气中的有用能，降低一次能源消耗，改善空调效果，同时不会对环境造成污染，引起了人们的广泛关注。文献[1~3]对于比较干燥的地区，以室内空气作二次空气经简单间接蒸发冷却后新风温度不能降低到湿球温度以下，冷却效果并不理想。对于室内空气相对湿度较低而新风率要求较高，回收排风中的部分冷量，尽量提高蒸发冷却效果具有重要的节能意义。Pescod[4]提出了回热式蒸发冷却器的工作原理，让经过交叉流板式换热器后约一半的一次空气，返回湿通道。Maclaine-cross 和Banks[5]对回热式蒸发冷却器进行了理论分析并提出了一些改进意见，计算表明可使湿空气温度降低到湿球温度以下。ERENS 和 DREYER[6]给出如图 1 所示的间接蒸发冷却空调系统结构图，图 1（a）、（b）和（c）表示间接蒸发冷却器（Indirect Evaporative Cooler，IEC），图 1（d）表示回热式间接蒸发冷却器（RegenerativeIndirect Evaporative Cooler，RIEC）。比较了三种用于计算间接蒸发冷却的数学模型，并比较研究了影响 IEC和 RIEC 效率的一些因素，其中 RIEC 的效率以一次空气露点温度来计算。任承钦[7]对不同蒸发冷却方案的冷却潜力进行了火用分析评价。本文利用 CFD 方法[8]计算以室外空气为二次空气的 IEC（见图 1（b））和以一次空气出口作为二次空气入口的 RIEC（见图 1（d）），对这两种蒸发冷却方案进行比较研究，并作了火用分析评价。

    1 数学模型

    本文研究的这两种蒸发冷却器，由换热板隔成互不相通的两组通道：一次空气通道和二次空气通道。一、二次空气交叉流动，流动方向如图 2 所示。区别在于 IEC 的二次空气来自于室外，而 RIEC 的二次空气来自于一次空气通道的出口，在数学模型上，除二次空气通道的入口温度边界条件有所不同外，控制方程和其余的边界条件都一致。

    2 计算结果

    计算参数：通道间距 d = 3 mm，一次空气入口干球温度T_pi= 35℃，相对湿度 = 40 %，入口流速v₀= 4m/s，二次空气入口流速w₀= 2 m/s。图 3～图 6 分别给出了 IEC 和 RIEC 的温度分布和水蒸汽质量分数分布。此时的室外空气，含湿量 = 0.01409 kg/kg.a，湿球温度t_pi,wb= 23.90 ℃，露点温度t_pi,dp= 19.37 ℃。从图中可以看出 IEC 的温度要高于湿球温度，而 RIEC 的某些区域温度要低于湿球温度。图 3 说明了一次空气温度沿主流方向逐渐降低；从图 4 可知二次空气温度先降低后升高，这是因为二次空气的入口段水蒸汽质量分数比较低，蒸发剧烈造成二次空气迅速降温，随着空气的流动，二次空气逐渐趋于饱和，水膜蒸发速率放慢，当蒸发水分吸收的潜热不足以抵消一次空气向水膜释放的显热时，就会造成二次空气温度升高。说明了潜热的影响很大。