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摘要： 本文建立了纸质填料的直接蒸发冷却器的数学模型，分析了直接蒸发冷却效率的主要影响因素，并将直接蒸发冷却技术应用到风冷冷水机组中，对改进系统进行了模拟仿真，得出了改进系统的性能，对改进系统在我国条件下的应用前景进行了预测。
关键词： 风冷冷水机组 直接蒸发冷却 纸质填料 空气调节 节能
1 前言
随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，空调设备的应用日益广泛，给能源尤其是电力造成较大的压力。如何降低空调设备的能源消耗和提高空调设备的性能，已经成为当前研究的重要课题。
直接蒸发冷却是指循环水与空气直接接触而对空气进行加湿冷却，基本不消耗或很少消耗一次能源,且对环境无破坏作用。将直接蒸发冷却技术应用到风冷冷水机组，利用蒸发冷却对进入冷凝器的空气进行预处理，能够达到节能和提高系统COP的目的。天津大学和同济大学等已经对此作了实验研究，得出了一些重要结论，但也有一些不足，主要体现为直接蒸发冷却采用的填料为金属填料，虽然具有较高蒸发冷却效率，但是填料厚度大，因而设备的体积大，适用性有限。本文提出以纸质填料作为蒸发冷却的填料，对此建立了数学模型，分析了直接蒸发冷却效率的主要影响因素，并将直接蒸发冷却技术应用到风冷冷水机组中，对改进系统进行了模拟仿真，得出了改进系统的性能，对改进系统在我国条件下的应用前景进行了预测。
2 直接蒸发冷却器的原理
2.1 直接蒸发冷却的原理
直接蒸发冷却是指循环水与空气直接接触，利用水蒸发吸热对空气进行冷却。
直接蒸发冷却器主要由纸质填料，布水器，接水盘，循环水泵等组成。纸质填料，耐水浸泡，外形为45度斜波纹片相邻片粘叠成块,其比表面积为。水被循环水泵从接水盘中抽出，由布水器均匀地散布到纸质填料上，在填料表面形成均匀的水膜，与流经填料的空气发生热湿交换后流入接水盘中，循环使用，水温近似为空气的湿球温度。
当空气流经填料时，一方面，水分蒸发，吸收空气的显热，空气被冷却；另一方面，水蒸气进入空气中，空气得到潜热，同时被加湿，焓值基本不变。空气的状态变化过程如图1所示。 1点表示空气处理前的状态，2点表示处理后的状态，1、2、3近似为一条等焓线。可以用蒸发冷却效率来评价直接蒸发冷却器处理空气的完善程度，其表达式为： ，式中，分别为空气处理前后的干球温度，为空气的湿球温度。
2.2 直接蒸发冷却模型的建立及求解
空气沿方向X从外界进入纸质填料层，水沿Y方向落下，形成水膜，空气进口干球温度，湿球温度，空气状态参数沿X方向变化，如图2所示。
为简化计算，作了如下假设：
（a）水膜厚度均匀，整个水膜的温度恒定，=0；水温等于进口空气的湿球温度；水膜边界层空气达到饱和状态，取水膜似的来计算水蒸气饱和压力。
（b）设备保温性和密封性好，除进出口外，没有进漏风处，空气流速U恒定。
（c）由于水的液体热相对于水的汽化潜热很小，可忽略不计。
2.2.1 质量方程
水的蒸发量=湿空气含湿量的增加量
……………（1）
其中：为按水蒸汽密度差计算的传质系数（，g代表干空气的属性，q代表水蒸气的属性，s代表饱和空气中水蒸气的属性。不妨设空气入口处水蒸气分压力为p,所对应的饱和水蒸气分压力为，则通过推导可得到：
……（2）
其中A=，，B为大气压 ，L为填料厚度。
2.2.2 求解传质系数
由参考文献[4 ]可得到纸质填料的传质系数:;
;其中U为空气流 速，L为填料层厚度，为运动粘度;
Sc为史密特数,，式中是水蒸汽在空气中的质量扩散系数。
舍伍德数：…………………………………………（6）；
将(4)(5)(6)代入(3)式可求得：……(7)
2.2.3 能量方程
空气失去的总热量=空气得到的潜热量,所以，空气的总能量保持不变，在i-d图上表现为空气状态变化在一等焓线上，如图1所示。
2.2.4 求解蒸发冷却的出口温度和效率
空气入口参数为：干球温度，湿球温度，水蒸气分压力为p，焓值为h，含湿量为d；湿球温度下的饱和水蒸气分压力为含湿量为；水温度。由文献[5]有：…………………（8）
式中：;
;
;
;
;
㎏/㎏.干空气……（9）；入口湿空气焓：kJ/㎏.干空气；
入口湿空气含湿量：㎏/㎏.干空气；水蒸气分压力：其中B为大气压。
由空气入口参数所对应的水蒸气p和湿球温度下的饱和水蒸气分压力为的值，代入式（7）和（2），可直接求出出口湿空气水蒸气分压力。出口湿空气的含湿量：（B为大气压）
由可得：出口湿空气的干球温度：
蒸发冷却效率为：
2.3 蒸发冷却效率的影响因素
2.3.1 空气流速u对效率的影响
空气流速u越大，空气与纸质填料表面的热湿交换系数越大，但另一方面空气与填料层热湿交换接触时间越短，交换越不充分，由图3可知，风速u越小，效率越大，但处理的风量也越小。这说明用该填料处理空气时，空气的迎面流速要选取恰当，过小会造成设备体积庞大，过大会造成效率低且阻力明显增大。空气的迎面流速在2.0m/s左右为宜。
2.3.2 填料厚度L对效率的影响
由图4可知，随着填料厚度L的增加，效率明显升高。当L=0.1m时，效率已达到0.8以上，以后当L继续增加时，效率的增加很缓慢，趋于平坦，当L=0.2知，效率已接近于1.0，再增加填料层的厚度L，对空气的处理已经毫无意义。考虑到设备的体积，以及空气的阻力等因素，取填料层厚度L=0.1m，否则填料厚度L太大，会造成设备体积庞大，同时空气阻力也会明显加大，增加风机的能耗和噪声。
2.3.3 水量w对效率的影响
虽然直接蒸发冷却的模型及求解过程中，并未出现w这一变量，实际上水量w对效率的影响是确实存在的。在水量较小的情况下，由于水量不足，并不能使纸质填料完全湿润并在其表面形成均匀的水膜，纸质填料的表面积应用不充分，所以效率明显不高。现在，当水量w增加到一定数值，能使纸质填料完全湿润并在其表面形成均匀的水膜，纸质填料的表面积得以充分利用。此时水量对效率的影响很小，基本上可以忽略不计。当水量过大时，淋水在填料层上从水膜变为不断滑落的水滴，水对空气通道的阻塞会愈加严重，空气侧的阻力会迅速增加，因此存在一个最佳水量，前面的模型适用于水量充足的情形。
2.4 干球温度和湿球温度的影响
由图5可以看出，随入口干球温度的升高，效率有所下降，但变化平缓，影响不显著。
图6可以看出，随湿球温度的升高，效率变化平缓，影响不显著。
通过上述分析可以看出，在淋水量充分的情况下，入口空气干球温度，湿球温度对蒸发冷却效率的影响不显著，填料厚度和空气的流速对蒸发冷却效率有着决定的影响，当L或u变化时，效率将有显著变化。
3 蒸发冷却技术在风冷冷水机组中的应用
3.1 改进的风冷冷水机组
结合直接蒸发冷却技术的风冷冷水机组示
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