露点式间接蒸发冷却器的研究现状分析

露点式间接蒸发冷却器的研究现状分析

薛蕴恒

沈阳建筑大学 

摘要：露点蒸发冷却系统是一种基于自然蒸发原理的空气调节技术。它利用水的蒸发热吸收周围环境的热量，从而达到降温的目的。具体来说，该系统将水雾喷到空气中，通过空气中的热量使水蒸发，水蒸发时吸收热量，从而使周围的空气温度下降。此外，露点蒸发冷却系统还利用空气中的湿度和温度的关系来控制室内的湿度和温度，通过对露点间接蒸发冷却器的深入研究可以更好地理解它的基本原理，并且通过实验和模拟研究得出结论。此外，还可以通过分析来证明，这种技术可以有效地利用能源，并且在建筑节能领域具有巨大的发展潜力。

关键词：露点间接蒸发冷却；制冷原理；数值模拟

引言

根据最新的统计数据，在当今的全球化背景下，我国的建筑能耗已经超过了总能源消耗的23%，而制冷空调及其相关设备的能耗更是达到了55% ，因此，为了满足当前的环境保护需求，必须努力研发出更加环保的高效制冷空调系统。近年来，露点蒸发冷却技术的出现，为传统的蒸发冷却系统带来了新的可能性。建筑业是全球能源消耗的重要领域之一。根据国际能源署（IEA）的报告，建筑业在全球总能源消耗中占比约40％，其中约三分之二的能源用于供暖、空调和照明。这意味着建筑业对全球能源的消耗量有着巨大的影响，也具有巨大的节能潜力。Vaelriy Maisotenko教授提出一种新型间接蒸发冷却热力循环形式，这种技术能够将所有的气体和液体降温到接近其表面温度的水平，甚至达到最低露点。随着新型的间接蒸发冷却器的普及，它们的性能大大改进，为工程应用带来了更多的可能性。采用露点间接蒸发冷却技术，不仅能够使空气的温度降至较低的水平，而且还能够提供较高的效率，同时也易于安装。因此，这种技术在工程、民用建筑等领域的广泛应用已经变得可能。

1. 露点间接蒸发冷却器的工作原理

露点蒸发冷却系统是一种基于自然蒸发原理的空气调节技术。它利用水分子的蒸发，可以将外界的热量转化为内部的冷却能力。具体来说，该系统将水喷雾到空气中，通过空气中的热量使水蒸发，水蒸发时吸收热量，从而使周围的空气温度下降。此外，露点蒸发冷却系统还利用空气中的湿度和温度的关系来控制室内的湿度和温度。当空气中的相对湿度较低时，露点蒸发冷却系统将增加空气中的湿度，从而减轻炎热天气对人体的不适感。露点蒸发冷却器的核心原理是通过直接或间接方式进行冷却，它们的差异在于技术和设备。在工作气体的干通道中，一次性的空气在经过预冷处理之后，会被穿孔引入湿通道，这样一次性的空气就可以和水发生热量交换，从而改善系统的性能。其工作过程焓湿图和结构图如图1、图2所示。

图1蒸发冷却器工作原理焓湿图图2蒸发冷却器原理结构图

露点蒸发冷却器其实是一种特殊的间接蒸发冷却器，它和常规间接蒸发冷却器的区别在于，其二次空气是一次空气的一部分，一次空气在通道末端分成两部分，一部分为产出空气经等湿冷却后送入室内，在焓湿图上的过程为1-2，另一部分作为二次空气进入湿通道，二次空气和一次风的入口空气相比，干球温度和湿球温度均降低，一二次空气以及喷淋水之间的热湿交换原理和常规间接蒸发冷却原理相同，因为二次空气被预冷，喷淋水的温度会低于一次空气入口的湿球温度，喷淋水的温度又决定着换热隔板的温度，进而拉大了干湿通道的温度差，最终将一次空气的温度降到其进口湿球温度以下。

2.露点间接蒸发冷却器当前实验模拟研究现状

近年来，全球学者纷纷投入到蒸发冷却技术的研究中，从多个角度深入探索，并将其应用于实际。这些研究主要集中于热湿传递理论，旨在揭示热湿传输规律，并通过改善冷却器本身的性能，实现更有效的热湿循环；以实际应用为基础，旨在探讨不同形式的蒸发冷却器如何更有效地利用其优势，并将深入探讨蒸发冷却系统的各个组成部分，包括喷淋装置、填料和介质等，以及它们在不同环境和气候条件下的使用情况，并结合其他空气处理设备，以期获得更好的制冷效果。

湖南大学张龙爱、丁杰等[1]研究团队通过利用三维数学模型构建板式间接蒸发冷却器，更加准确地描述一、二次空气流动及热湿交换的过程，并利用C++语言编写程序，进行数值计算，以深入探究不同因素（如通道间隙、一次空气入口速度和温度）对冷却器效率的影响，以及传热传质系数的变化规律，从而更好地满足实际应用的需求。经过比较发现，顺流式、叉流式和逆流式间接蒸发冷却器的㶲损失存在显著差异。其中，顺流式的㶲损失最高，叉流式次之，而逆流式的㶲损失最低，这一结论得到了实践证明。

Yangda Wan[2]和其他研究人员通过对比不同的一次空气和水膜流动方向，研究了逆流式露点蒸发冷却器的冷却效果，并提出了一种新的模型来评估它的优劣势并通过对国内外研究成果的综合分析，提出有效的建议。

Lin等[3]经过优化的逆流式露点蒸发冷却器的数值模型考虑了空气流动长度方向的热传导和质传递以及换热板与水膜之间的温差，经过模拟测试，发现湿通道内的水蒸发速率在二次空气入口0.2m-0.3m处最慢，但是当它们接近二次空气入口 0.32m米时，它们就会开始快速蒸发。这种情况的出现是由二次空气与一次空气的风量比和通道的间隙所决定的，并且测试结果误差小于4%。因此，可以得出结论，该冷却器具有良好的热传导性能，可以有效地降低水蒸发速率，提高冷却效率，从而达到节能的目的，无论入口空气的状态如何。

Tariq等[4]利用一维数学模型，将氧化铝纳米粒子应用于露点蒸发冷却器，以研究其热湿传输特性。结果显示，与不添加氧化铝纳米粒子的情况相比，制冷量提高了43%，冷却效率提高了19%。

陈俊萍等[5]经过一系列的实验，发现叉流式露点蒸发冷却器的性能表现出色，其中入口空气的干湿球温度、相对湿度以及一、二次风量等因素都起着至关重要的作用。此外，它还可以与传统的间接蒸发冷却器相媲美，从而提供更优质的冷却效果。经过详细的分析和测试，发现了某纺织车间的真实状况，并将该冷却器和压缩式制冷设备相结合可以有效地改善工作效率。

毛秀明等[6]通过实验研究发现多孔陶瓷管式露点蒸发冷却器具有优异的蓄水能力，即使在停止淋水的100分钟内，冷却器的温度也能保持稳定，这样就可以克服管式间接蒸发冷却器管壁的亲水性，从而实现间歇式供水，大大提高了冷却器的节能效率。

Xu Peng等[7]经过一系列的实验，使用一种具有良好性能的织物材料来模拟各种复杂的气候条件，并且使用一种波纹板式的逆流露点蒸发冷却器来检测其湿球效率，最终得出的结论是，这种冷却器的湿球效率可以达到114%，远超过了现有商用露点蒸发冷却器的性能。而露点效率则达到了75%, COP最高可达52.5。

3.露点间接蒸发冷却器适用性

在适宜的气候条件下，直接蒸发冷却技术可以用于提供舒适的室内环境， 随着科学技术的进步，间接蒸发冷却技术已经广泛应用于各行各业，从纺织、面粉、发电、温室大棚到养殖场，甚至是住宅、办公楼、数据中心、通信基站，都能够获得良好的效果，满足建筑的需求。近年来，由于其出色的冷却效率，露点蒸发冷却器已经被广泛应用于各种领域。可以单独使用，也可以与其他空气处理设备结合使用，以满足不同的环境要求，并且可以根据季节变化而调整运行策略。

何叶从等[8]为了应对高昂的冷却费用及对城市景观的不利影响，开发出一种全新的螺旋管式间接蒸发冷却器，它能够被安装在广州地铁站的排气系统中，同时还配有旋转式布水器和雾化喷嘴，从而有效提升空调系统的效率。

西安工程大学的研究人员宋娇娇等[9]人在西安某通信机房中，对露点蒸发冷却器的应用进行了深入的研究，并将其应用于实际工程中，以提高冷却效果。他们对管式间接蒸发冷却系统和叉流式露点蒸发冷却系统进行了详细的测试，以期达到更好的冷却效果。

折建利等[10]经过系统的测试发现叉流式露点蒸发冷却器能够有效地满足数据中心全年不间断的制冷需求，并且可以根据室外气象条件选择最佳的运行方式，从而达到最佳的冷却效果。

郭志成等[11]为新疆某数据中心的冷却系统精心设计，采用三种不同的技术方案，以满足其全年的冷却需求。水侧蒸发冷却技术、水侧风侧复合蒸发冷却技术和乙二醇自然冷却，可以有效地提高系统的效率和可靠性。并根据室外环境的温湿度变化，选择合适的运行方案。

4.结论

（1）采用露点间接蒸发冷却技术可以有效地节约能源，它利用水蒸发的热量，将室外空气与蒸发冷却器壁面之间的热量传递，从而达到节能的目的，从而达到接近露点温度的出风，这种技术比传统的间接蒸发冷却技术具有更高的节能效果。

（2）通过对间接蒸发冷却器的研究，发现空气、水膜、壁面之间的交互关系十分复杂，并且可能产生多种不同的结果。因此，必须通过大量的实验和模拟来深入了解这一过程，从而可以更加准确地预测出它们之间的相互作用。

（3）研究表明，露点间接蒸发冷却器的材料选择十分重要，因此，研究人员正在探索多种材料，如陶瓷、纤维和纺织布料，以提高壁面的吸水性能，并将其作为未来研究的重点，寻找出一种兼具吸水性与导热特性的新型通道材料，从而实现更高的节能目标。

（4）在全国范围内，采用露点间接蒸发冷却技术的建筑物，如餐厅、学校、数字中央机房，具有显著的节能优势，尤其是新疆、甘肃、宁夏等地，其应用频率极高，而东南地区的使用率则相对较低，但是由于这些地区的空调使用时间较长，采用新风预冷或辅助机械制冷技术，也可以实现更大的节能效果。

参考文献

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[11]郭志成.新疆某数据中心自然冷却空调系统的应用研究[D].西安工程大学,2019.