CN106871295B - 一种直接蒸发冷却空调装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接蒸发冷却空调装置及方法，包括直接蒸发冷却空调，所述直接蒸发冷却空调包括支架一和支架二，所述支架一和支架二之间通过若干条设置在上横梁和下横梁上的排列整齐且相互平行的导轴连接，所述上横梁上的导轴一在所述下横梁上的垂直投影不与所述上横梁上的导轴二交叠，所述导轴一和导轴二之间穿叉有一根导带，所述导带首尾相接，形成闭合的导带圈；所述下横梁的下面连接有水池，所述支架一或支架二的外侧设置有风机，所述风机的抽风口正对着导带侧面。本发明所述的直接蒸发冷却空调利用加快水蒸发的三大理论要素，从根本上提高了制冷效果；采用导带吸附水代替喷淋水，大大节约水资源；与太阳能加热器相结合，充分利用太阳能资源。

Description

一种直接蒸发冷却空调装置及方法

技术领域

本发明涉及制冷工程技术领域,具体来说，涉及一种直接蒸发冷却空调装置及方法。

背景技术

蒸发冷却空调(亦称水空调，绿色节能空调，冷风扇等)已有几十年的发展历史，经历了从最初的简单型到现在的改进型(如旋转填料式直接冷却器)的发展过程。蒸发冷却空调采用的都是“风机—填料—喷淋水”这一基本构成模式，降温原理是通过喷淋水的蒸发带走热量，进而达到降温的效果。

采用的加快蒸发方法：1)增加蒸发表面积；2)增大通过蒸发表面的空气流速。但从理论的角度来说，还有第三种加快蒸发的方法：提高水的温度。但对于传统的蒸发冷却空调却不能采用第三种方法来加快蒸发速度，因为传统的蒸发冷却空调得蒸发水量仅为喷淋水量的1-3%左右，当用大量水温升高后的水作为喷淋水时，水放出热量将会使制冷效率大大下降。而且传统的蒸发冷却空调需要使用大量的喷淋水，还需要不断换水，造成水资源的浪费。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种直接蒸发冷却空调装置及方法，能够极大的提高制冷效果、扩大使用领域、还能节省水资源。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种直接蒸发冷却空调装置，包括直接蒸发冷却空调装置，所述直接蒸发冷却空调装置包括支架一和支架二，所述支架一和支架二之间通过若干条设置在上横梁和下横梁上的排列整齐且相互平行的导轴连接，所述上横梁上的导轴一在所述下横梁上的垂直投影不与所述上横梁上的导轴二交叠，所述导轴一和导轴二之间穿叉有一根导带，所述导带首尾相接，形成闭合的导带圈；所述下横梁的下面连接有水池，所述支架一或支架二的外侧设置有风机，所述风机的抽风口正对着导带侧面。

进一步的，所述水池的下面设置有污水收集槽，所述污水收集槽的底面设置有排污孔。

进一步的，所述导轴包括主动导轴和辅助导轴，所述导轴一中至少有一根主动导轴，所述主动导轴的两端均套有微型密封轴承，所述主动导轴通过传动装置连接减速电机。

进一步的，所述导带依次交叉的穿过所述导轴一的上表面和所述导轴二的下表面，呈弓字型依次交叉连接所述导轴一和导轴二。

进一步的，所述支架二上设置有刮板，所述刮板与导带接触；所述支架一上设置有冲洗水管，所述冲洗水管的出水口面向导带的正面。

进一步的，所述污水收集槽的底面向一边倾斜，在所述底面的最低点设置所述排污孔。

根据本发明的另一方面，提供了一种直接蒸发冷却方法，利用以上所述的直接蒸发冷却空调装置进行，并利用太阳能热水器对进入所述的直接蒸发冷却空调装置的水进行加热。

包括以下步骤：

1) 根据所需冷却空间V(m³)及相关规定的换气次数N=L/V，来确定风量L(m³/h)，及相应功率的风机；

2) 用式W_max=7.42 *10^-³*L，计算出最大蒸发量W_max(kg/h)；

3) 根据风量L和风速v，计算出风道的迎风面积S(m²)及蒸发系数β(kg/m²*h*P_a)；

4) 根据相应工作状况下的相对湿度φ、蒸发量W、蒸发系数β以及设定的水温T，用式W=β*(1-φ)* P_ab *F*B/B＇计算得到总蒸发表面积F(m²)；

其中，相对湿度：φ= P_b/ P_ab；

F—总蒸发表面积(m²)；

F—蒸发表面的气流速度(m/s)；

P_ab—相应水表面温度下饱和空气的水蒸气分压强(P_a)

P_b—周围空气的水蒸气分压强(P_a)；

B，B＇—标准大气压和当地实际大气压强(P_a)；

5) 根据迎风面积，推出风道的高度和宽度；

6) 根据水帘的实际总面积和风道的高度、长度、计算出导带的有效高度和宽度，即风道的有效高度和长度，同时计算出导带需要的层数和层与层间的相对间隔距离；

7) 根据风道的有效高度和长度，推算出水池的平面面积，即总蒸发表面积F；根据导带的吸水速度v_吸(m/s)，计算出导带过水时间t(s)，过水时间t优选4(min)，再推算出水池的深度；然后，根据风道的有效高度和长度和水池的深度，计算导带的总长度，再根据导带的吸水速度v_吸，计算得到导带完成一个循环所能吸附的水量，最后将所需水量按吸附水量的4倍计算，得到导带的线速度v_线(m/s)，并选定相应的减速电机；

8) 根据蒸发水量及需要提高的温度△T，计算出太阳能水加热器的内胆容量、需吸收的太阳能热量以及外胆上端的吸能表面积，其中，设定外胆上无光黑漆的吸能效率为92%，水热交换器的效率为50%。

本发明的有益效果：

1）、在理论上，本发明所述的直接蒸发冷却空调突破了现有直接蒸发冷却器面临的束缚，现有直接蒸发冷却器只能利用加快水蒸发的两大理论要素：增加蒸发表面和增大通过蒸发表面的空气流速。但本发明所述的直接蒸发冷却空调在利用以上两大因素的同时，又加入了第三大理论要素：提高水温。从根本上提高了制冷效果；

2）、采用导带吸附水代替喷淋水，用水量小，而且工作过程中无溅水损耗，大大节约水资源；

3）、利用直通式风道，空气阻力小，可将冷却后的空气输送得更远，增加降温效果；此外可以选用小功率风机，节约资源，降低成本；

4）、本发明将太阳能加热器与蒸发冷却器相结合，充分利用夏日丰富的太阳能资源；

5）、本发明的设计理念不仅可用于直接冷却空调器，也可用于制冷温度要求不高的地方，因直接冷却空调最低出口温度，由进口空气湿球温度限制，故可用于工厂、商场、学校等场合。

本发明的原理

1、采用的加快水蒸发的方法：

方法一：通过增加水蒸发的表面积加快水蒸发；

方法二：通过增大水蒸发表面的空气流速加快水蒸发；

方法三：通过提高水的温度加快水蒸发。

2、水温提高对蒸发的作用

将每一个导带的表面看成敞开的水面，则其蒸发水量W的计算式为：W=β(P_ab-P_b)*F*B/B＇ 1-1

其中：β—蒸发系数，且β=(α+0.00013v)，

α—水蒸汽扩散系数，取α=1.7*10^-4

所以 β=(1.7+1.3v)*10^-4 1-2

W—蒸发水量(kg/h)

F—总蒸发表面积(m²)；

F—蒸发表面的气流速度(m/s)；

P_ab—相应水表面温度下饱和空气的水蒸气分压强(P_a)

P_b—周围空气的水蒸气分压强(P_a)；

B，B＇—标准大气压和当地实际大气压强(P_a)；

此外，相对湿度：φ= P_b/ P_ab

则 P_b=φ* P_ab

所以 P_ab-P_b =(1-φ)* P_ab

所以 W=(1.7+1.3v)*10^-4*(1-φ)*P_ab*F*B/B＇ 1-3

从式1-2和1-3可以看出，在其他条件不变的情况下。

1) 蒸发水量W正比于蒸发总表面积F，即方法一。

2) 蒸发水量W正比于蒸发系数β，蒸发系数β正比于蒸发表面的气流速度v，所以蒸发水量W正比于蒸发表面的气流速度v，即方法二。

当v=1m/s或3m/s时，β=4*10^-4或5.6*10^-4(kg/m²*h*Pa)，即当蒸发表面的气流速度v增大3倍时，蒸发系数β仅增加了1.4倍。

3) 由于当水温T升高时，水表面饱和空气的水蒸气分压力 P_ab也升高，进而蒸发水量W升高，即方法三。此时，因饱和空气层紧贴水的表面，其温度近似等于所接触的水温。

4) 环境的相对湿度φ对蒸发水量W非常重要。在其他条件不变时，从式1-3可以看出：假设，当φ=0.9时的蒸发水量为W_0.9，当φ=0.5时的蒸发水量为W_0.5，则W_0.9/W_0.5=1/5，即当相对湿度φ从0.9减小到0.5时，蒸发水量W增大为原来的5倍。这也解释了湿热地区蒸发水量少，冷却效率低的原因。而且相对湿度与气象有关，故本发明所述的空调还可以称为“气象空调”。

5) 提高水温的作用：

按GB/T2333-2009标准：进口干球温度T_g为38℃，进口湿球温度T_s为23℃，大气压为101325P_a。干球温度是温度计自由地被暴露在空气中所测量的温度，同时它应避免辐射和湿气的干扰。干球温度通常被视作所测量空气的实际温度，它是真实的热力学温度。湿球温度是指同等焓值空气状态下，空气中水蒸汽达到饱和时的空气温度，是球体表面附着有水时，水份蒸发带走热量后球体的温度。

本发明所述的直接蒸发冷却空调，由于有水池的存在，供水相当于循坏水，所以将水池的原始水温T₁认为接近湿球温度T_s=23℃，这也是本发明所述的一种直接蒸发冷却空调在标准工作状况下水的理想温度。设定升温后水温T₂=30℃。设定T₂=30℃的原因是：①T＇不高于进口干球温度T_g=38℃；②我国南方夏日温度大于31℃。

通过查表可知：T₁=23℃时，P_ab(23)=2802P_a；T₂=30℃时，P_ab(30)=4232P_a。在其他条件相同情况下，经式1-3计算可得，

23℃下的蒸发水量W₂₃=2802(kg/h)

30℃下的蒸发水量W₃₀=4232 (kg/h)

则W₃₀=1.51 W₂₃，即水温为30℃时的蒸发水量是水温23℃下的蒸发水量的1.51倍。

把导带的吸附水量W＇设定为4W，即当蒸发水量为W时，此时的吸附水量W＇=4W。

30℃的水经放热成为23℃的水

放出的热量Q_放=CM△T=1*4w*7=28w (kcol/ kg)

起重△T为水温从30℃降低到23℃的温差。

剩余吸热量：Q＇_吸=Q_汽化-Q_放=580W₃₀-28W₃₀=552W₃₀ (kcol)

其中，Q_汽化为汽化热，且Q_汽化=580 (kcol/ kg)

则，吸热效率：η=(Q_汽化-Q_放)/Q_汽化= Q＇_吸/Q_汽化=552W₃₀/580W₃₀=95%

而，Q＇_吸/Q_汽化=580W＇₃₀/580W₃₀=W＇₃₀/W₃₀=95%

其中，W＇₃₀为实际蒸发水量。

则，W＇₃₀=0.95W₃₀=0.95*1.51W₂₃=1.43W₂₃

又，在热平衡情况下，580W₂₃=C_gM_g△T₂₃

其中，C_g—空气比热，且C_g =0.24 (kcol/ kg*℃)；M_g—空气质量 (kg/h)。

所以，580W₃₀= C_gM_g△T₃₀

其中，△T₂₃、△T₃₀分别为在相同进口干球温度下，水温分别为23℃、30℃时空气进出口温差。

所以，△T₃₀=1.43△T₂₃ ，即水温从23℃升到30℃，进出口空气温差提高了1.43倍。

6) 蒸发表面的气流速度v与蒸发水量W的关系

在GB/T2333-2009 的标准工作状况下：进口干球温度T_g为38℃，湿球温度T_s为23℃，大气压力101325Pa。经查阅相对湿度计算表可以得知此种条件下的相对湿度φ=0.27。

对于绝热加湿过程，冷却效率η=(T_g1-T_g2)/(T_g1-T_s1)

其中，T_g1、T_g2—分别为进出口干球温度，T_s1—进口湿球温度

水蒸发实际吸热Q_实吸=0.95*580W

而，空气放热Q＇_放=C_g*M_g (T_g1-T_g2)

热平衡时，Q_实吸=Q＇_放

则，551W= C_g*M_g (T_g1-T_g2)

而T_g1-T_g2=η(T_g1-T_s1)=η(38-23)=15η

则，W=15η*Cg* M_g /551

又，空气质量M_g= ρ*L= 1.135*L

其中，ρ—空气比重，38℃时，ρ=1.135 (kg/m³)；L—风量(m³/h)

所以，W=7.42η*L*10^-3

但因为 η＜1

由于水温提高，整个蒸发变成了非绝热过程，所以，蒸发水量W<7.42η*L*10^-3(kg/h)。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的直接蒸发冷却空调的结构示意图；

图2是根据本发明实施例所述的太阳能热水器的结构示意图。

图中：1、支架一；2、支架二；3、上横梁；4、下横梁；5、导轴一；6、导轴二；7、微型密封轴承；8、导带；9、排污孔；10、水池；11、污水收集槽；12、风机；13、刮板；14、冲洗水管；15、外壳；16、内胆；17、进水口；18、出水口；19、迷宫式散热条。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，根据本发明实施例所述的一种直接蒸发冷却空调装置，包括直接蒸发冷却空调装置，所述直接蒸发冷却空调装置包括支架一1和支架二2，所述支架一1和支架二2采用工程塑料，在两支架之间通过若干条设置在上横梁3和下横梁4上的排列整齐且相互平行的导轴连接，所述上横梁3上的导轴一5在所述下横梁4上的垂直投影不与所述上横梁3上的导轴二6交叠，所述导轴一5和导轴二6之间穿叉有一根导带8；所述下横梁4的下面连接有水池10，所述水池10的底面开设有放水口；所述支架一1或支架二2的外侧设置有风机12，所述风机12的抽风口正对着导带8侧面。

所述水池10的下面设置有污水收集槽11，所述污水收集槽11的底面设置有排污孔9。

所述导带8是一种超细纤维无尘布，依次交叉的穿过所述导轴一5的上表面和所述导轴二6的下表面，呈弓字型依次交叉连接导轴一5和导轴二6。

所述导轴包括主动导轴和辅助导轴，所述导轴一5中至少有一根主动导轴，所述主动导轴的中间与导带8接触的地方包裹一层带尖凸小齿的合成橡胶，用于增大拖动力。所述主动导轴的两端均套有微型密封轴承7，所述主动导轴通过传动装置连接减速电机。所述辅助导轴采用PVC管或者塑料管，并且表面光滑，减少对导带的磨损。

所述支架二2上设置有刮板13，所述刮板13非常柔软，且与导带8接触的地方光滑，既能刮去多余水分和尘埃，又不损伤导带8。

所述支架一1上设置有冲洗水管14，所述冲洗水管14的出水口面向导带8的正面。当冲洗程序打开时，从冲洗水管喷14出的水冲洗导带8表面的尘埃等杂物。

所述污水收集槽11的底面向一边倾斜，在底面的最低点设置所述排污孔9，冲洗导带8的污水以及水池10中的要换掉的水均通过排污孔9排出。

本发明所述的直接蒸发冷却空调装置，通过在所述水池10的上面设置水管连接一个简易的迷宫式太阳能加热器，所述迷宫式太阳能加热器包括外壳15和内胆16，在内胆16的两相邻角处分别设置有进水口17和出水口18，所述内胆16内部设置有迷宫式散热条19。所述内胆16和散热条19均采用不锈钢材质，导热效果好，所述外壳15采用硬泡沫塑料材质，保温效果好。

所述进水口17通过一个三通阀连接自来水管，所述三通阀的第三个管口通过水管连接所述水池10。当自来水管内的水温高于30℃时，自来水不经过太阳能加热器直接流入所述水池10；当自来水管内的水温低于30℃时，自来水先经过太阳能加热器再流入所述水池10。

在实际使用时，导带8选用超细纤维无尘布3009或4009，由75%涤纶，25%锦纶构成，其表面柔软、耐磨、不脱纤维、不易引起化学反应；具有高效的吸水性，吸水率321(mL/m²)；吸水速率≤3(s)，伸长率3.57%；厚0.36(mm)，克重105~180(g/m²)；提供足够的干湿强度。此外，为了增加导带8的强度和使用寿命，可采用双层或多层超细纤维无尘布。

所述主动导轴可根据实际需要设置多根，要求能拖动导带8转动，每根主动导轴相隔一定的距离，每根主动导轴之间设置有若干根辅助导轴。所述导轴8依次交叉的穿过所述导轴一5的上表面和所述导轴二6的下表面，呈弓字型依次交叉连接导轴一5和导轴二6，导带8首尾相接，形成闭合的导带圈。使用时，导带8在主动导轴的带动下绕所有导轴转动。

所述支架一1或支架二2的外侧设置有风机，所述风机12的出风口正对导带8的侧面，形成了多条直线式通道，为了减少气流对无尘布通道的冲击，在导带8侧面的进风口处设置有一不锈钢网。

本发明所述的一种直接蒸发冷却方法，其特征在于，包括以下步骤：

1) 根据所需冷却空间V(m³)及相关规定的换气次数N=L/V，来确定风量L(m³/h)，及相应功率的风机；

2) 用式W_max=7.42 *10^-³*L，计算出最大蒸发量W_max(kg/h)；

3) 根据风量L和风速v，计算出风道的迎风面积S(m²)及蒸发系数β(kg/m²*h*Pa)；

4) 根据相应工作状况下的相对湿度φ、蒸发量W、蒸发系数β以及设定的水温T，用式W=β*(1-φ)* P_ab *F*B/B＇计算得到总蒸发表面积F(m²)；

其中，相对湿度：φ= P_b/ P_ab；

F—总蒸发表面积(m²)；

F—蒸发表面的气流速度(m/s)；

P_ab—相应水表面温度下饱和空气的水蒸气分压强(P_a)

P_b—周围空气的水蒸气分压强(P_a)；

B，B＇—标准大气压和当地实际大气压强(P_a)；

5) 根据迎风面积，推出风道的高度和宽度；

6) 根据水帘的实际总面积和风道的高度、长度、计算出导带的有效高度和宽度，即风道的有效高度和长度，同时计算出导带需要的层数和层与层间的相对间隔距离。

7) 根据风道的有效高度和长度，推算出水池的平面面积，即总蒸发表面积F；根据导带的吸水速度v_吸(m/s)，计算出导带过水时间t(s)，过水时间t优选4(min)，再推算出水池的深度。

然后，根据风道的有效高度和长度和水池的深度，计算导带的总长度，再根据导带的吸水速度v_吸，计算得到导带完成一个循环所能吸附的水量，最后将所需水量按吸附水量的4倍计算，得到导带的线速度v_线(m/s)，并选定相应的减速电机。

8) 根据蒸发水量及需要提高的温度△T，计算出太阳能水加热器的内胆容量、需吸收的太阳能热量以及外胆上端的吸能表面积，其中，设定外胆上无光黑漆的吸能效率为92%，水热交换器的效率为50%。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种直接蒸发冷却方法，其利用直接蒸发冷却空调装置进行，该直接蒸发冷却空调装置包括支架一(1)和支架二(2)，所述支架一(1)和支架二(2)之间通过设置在上横梁(3)和下横梁(4)上的排列整齐且相互平行的若干导轴连接，其中，所述上横梁(3)上的导轴一(5)在所述下横梁(4)上的垂直投影不与所述上横梁(3)上的导轴二(6)交叠，所述导轴一(5)和导轴二(6)之间穿叉有一根导带(8)，所述导带(8)首尾相接形成闭合的导带圈；所述导带(8)依次交叉穿过所述导轴一(5)的上表面和所述导轴二(6)的下表面，呈弓字型依次交叉连接所述导轴一(5)和导轴二(6)；所述下横梁(4)的下面连接有水池(10)；所述支架一(1)或支架二(2)的外侧设置有风机(12)，所述风机(12)的抽风口正对着导带(8)侧面；所述水池（10）的上面设置水管，其连接有一个太阳能加热器，并利用所述太阳能热水器对进入所述的直接蒸发冷却空调装置的水进行加热，其特征在于，包括以下步骤：

1) 根据所需冷却空间V及相关规定的换气次数N=L/V，来确定风量L，及相应功率的风机；

2) 用式W_max=7.42 *10^-3*L，计算出最大蒸发量W_max；

3) 根据风量L和风速v，计算出风道的迎风面积S，并通过β=(α+0.00013v)，

α—水蒸汽扩散系数，取α=1.7*10^-4计算出蒸发系数β；

4) 根据相应工作状况下的相对湿度φ、蒸发量W、蒸发系数β以及设定的水温T，用式W=β*(1-φ)* P_ab *F*B/B＇计算得到总蒸发表面积F；

其中，相对湿度：φ= P_b/ P_ab；

F—总蒸发表面积；

P_ab—相应水表面温度下饱和空气的水蒸气分压强；

P_b—周围空气的水蒸气分压强；

B，B＇—标准大气压和当地实际大气压强；

5) 根据迎风面积，推出风道的高度和宽度；

6) 根据水帘的实际总面积和风道的高度、长度、计算出导带的有效高度和宽度，即风道的有效高度和长度，同时计算出导带需要的层数和层与层间的相对间隔距离；

7) 根据风道的有效高度和长度，推算出水池的平面面积，即总蒸发表面积F；根据导带的吸水速度v吸，计算出导带过水时间t，再推算出水池的深度；然后，根据风道的有效高度、长度和水池的深度，计算导带的总长度，再根据导带的吸水速度v吸，计算得到导带完成一个循环所能吸附的水量，最后将所需水量按吸附水量的4倍计算，得到导带的线速度v线，并选定相应的减速电机；

8) 根据蒸发水量及需要提高的温度△T，计算出太阳能水加热器的内胆容量、需吸收的太阳能热量以及外胆上端的吸能表面积，其中，设定外胆上无光黑漆的吸能效率为92%，水热交换器的效率为50%。

2.根据权利要求1所述的一种直接蒸发冷却方法，其特征在于，所述水池(10)的下面设置有污水收集槽(11)，所述污水收集槽(11)的底面设置有排污孔(9)。

3.根据权利要求2所述的一种直接蒸发冷却方法，其特征在于，所述导轴包括主动导轴和辅助导轴，其中，所述导轴一(5)中至少有一根主动导轴，所述主动导轴的两端均套有微型密封轴承(7)，所述主动导轴通过传动装置连接减速电机。

4.根据权利要求3所述的一种直接蒸发冷却方法，其特征在于，所述支架二(2)上设置有刮板(13)，所述刮板(13)与导带(8)接触；所述支架一(1)上设置有冲洗水管(14)，所述冲洗水管(14)的出水口面向导带(8)的正面。

5.根据权利要求4所述的一种直接蒸发冷却方法，其特征在于，所述污水收集槽(11)的底面向一边倾斜，在所述底面的最低点设置所述排污孔(9)。