水蒸发相变冷却技术特性及节能性研究

水蒸发相变冷却技术特性及节能性研究

§1水的相变及相图 概述

1.水蒸气是热力工程中最为常见的工质

在18世纪发明的蒸气机，水蒸气是唯一的工质，直到内燃机发明，才有了燃气工质。尽管在各种热力设备或系统中，已采用了其他物质作为工质，如空气、各种制冷剂、燃气等等，但水蒸气目前仍是暖通、火力发电、核电、化工等行业热力设备或系统中最为普遍采用的工质。

作为工质，水蒸气具备：来源丰富，耗资少，无毒无味，比热容大，传热好，良好的膨胀和载热性能等优点。

2.水蒸气是实际气体

水蒸气在工程应用中，一般处于离液态不远的状态，是一种实际气体。只有在空气中，由于其含量极小，可视作理想气体处理。

在热力设备或系统工作过程中，涉及到物质的聚集态主要是液态和气态。那么，对于非理想气体的性质及其热力过程如何分析呢？本章将以水蒸汽为例，说明实际气体热力性质的基本特点和确定方法、参数计算以及基本热力过程分析的基本方法。 重点内容：

了解实际气体热力性质的基本特点，与理想气体的区别所在。

一、纯物质聚集态的变化

纯物质通常以三种聚集态固相、液相及气相状态存在。 1.纯物质聚集态的变化

融解与凝固→固态与液态；汽化与凝结→液态与气态；升华与凝华→固态与气态。

2.聚集态变化的影响因素 纯物质种类、压力、温度 二、纯物质的p-t相图 1. p-t相图

指在p-t图上，纯物质在发生聚集态变化时压力及温度的变化规律。如图1所示。

注意：

(1)三相点是三条相平衡曲线的交点。

(2)临界点以上区域（虚线以上区域，即温度及压力均高于临界点温度及压力）为气液相不分或共存区域，只体现流体的特性。 (3)多数物质压力增大将使凝固点温度增加。但对于水等少数物质，压力的增大将使其凝固点温度降低。

图1纯物质的p-t相图

2.几个基本概念

(1)三相点与临界点（每种纯物质的三相点与临界点的压力和温度都是唯一确定的。）

临界状态(临界点)：临界点（状态）是气-液共存的状态，而且气、液的状态参数值相同，例如具有相同的比容、密度等等。

▲任何纯物质都有自己唯一确定的临界状态，而且临界参数是唯一确定的，分别为临界温度Tc、临界压力pc 和临界比容vc，是实际气体性质的重要参数。

▲在p≥pc下，定压加热过程不存在汽化段，水由未饱和态直接变化为过热态。

▲当t>tc时，无论压力多高都不可能使气体液化。 ▲在临界状态下，可能存在超流动特性。 ▲在临界状态附近，水及水蒸气有大比热容特性。

三相点：在一定的温度和压力下，气相、液相和固相三相共存而处于平衡的状态，称为三相点，对应的温度和压力称为三相点温度和压力。 ▲三相点为实现气相和液相转变的最低点

▲三相点是出现固相物质直接转变为气相物质的升华现象的起始点。

▲对于每种物质，其三相点的温度及压力都有确定的数值，是实际气体性质的重要参数之一。

(2)相平衡曲线：包括融解线（或与凝固线）；汽化线（或凝结线）；升华线（或凝华线）。

(3)单相区：固相区、液相区及气相区。

3.水的临界点

水临界点： pc=22.129MPa，tc=374.15 ℃。 4.水的三相点

水三相点：pA=611.2Pa，tA=0.01 ℃。

部分纯物质的三相点参数见表1。可以看出常温常压下为气态物质的三相点温度极低，而固态物质的三相点温度较高。 部分纯物质的三相点参数

mercury —汞，水银。zinc —锌 (Zn)。 三、汽化与凝结的微观解释 1.汽化与凝结

汽化是由液态变成气态的物理过程，其中工质需要吸收热量。而凝结则是由气态变成液态的物理过程，在此过程中工质需要放出热量。 液体汽化有两种形式：蒸发和沸腾。蒸发是在液体表面进行的汽化现象。由于液体分子处于无规则的热运动状态，每个分子的动能大小不等，在液体表面总会有一些动能大的分子克服邻近分子的引力而逸出液

面，形成蒸气，这就是蒸发。蒸发可以在任何温度下进行，但温度愈高，能量较大的分子愈多，蒸发愈强烈。与蒸发不同，在给定的压力下，沸腾是在某一特定温度（饱和温度）下发生、在液体内部和表面同时进行并且伴随着大量汽泡产生的剧烈的汽化现象。液体沸腾时，尽管对其继续加热，但液体的温度保持不变。

凝结是汽化相反的过程，同沸腾现象相同只能在某一特定温度（饱和温度）下发生。 2.微观解释

(1)密闭容器中的汽化与凝结

当液体在有限的密闭空间内汽化时，则不仅有分子逸出液体表面而进入蒸气空间，而且也会有分子从蒸气空间落到液体表面，回到液体中。开始时，单位时间从液面逸出的分子多于返回液面的分子，蒸气空间中的分子数不断增加。但当蒸气空间中蒸气的密度达到一定程度时，在同一时间内逸出液面的分子就会与回到液面的分子数目相等，则气、液两相达到了动态平衡。见图2。

图2密闭容器中物质汽化与凝结的微观机理

(2)具有自由液面的汽

化 无论蒸发还是沸腾，如果液面上方是和大气相连的自由空间，那么一般情况下汽化过程可以一直进行到液体全部变为蒸气为止。 (3)饱和状态

上述液面上蒸气空间中的蒸气和液体两相达到动态平衡的状态称为饱和状态。

使未饱和液体达到饱和状态的途径：

3.饱和蒸气压曲线

饱和温度与饱和压力存在一一对应关系，据两者的函数关系ps＝

f(ts),绘出的曲线称为饱和蒸汽压曲线，如图3所示。对于水饱和蒸汽

压函数关系为：

，其中压力ps的单位为MPa。

四、 H2O的“五态”

水蒸气的“五态”包括：未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽和过热蒸汽五种状态

图3 部分物质的饱和蒸气压曲线状态

▲未饱和液体（Unsaturated-liquid）：t

▲饱和液体(Saturated-liquid)、饱和湿蒸汽

(Saturated Wet-vapor)、饱和蒸汽(Saturated-Vapor)：均为饱和状态。其中的汽相称为饱和蒸汽，液相称为饱和液体，汽液共存则为饱和湿蒸汽。

▲过热蒸汽（Supersaturated-vapor）：t> ts(ps)，过热度t- ts描述了远离饱和状态的程度。 五、H2O的p-v-t热力学面

以压力p、温度T及比容v的三维坐标系表示水的各种状态的曲面，称为p-v-T热力学面，如图4所示。

图4 H2O的p-v-t热力学面

前述的纯物质的p-t相图实际上是p-v-t热力学面在p-t坐标面上的投影，而p-v相图则是p-v-t热力学面在p-v坐标面上的投影，见图5

图5 p-v-t热力学面与p-t相图间的关系

应该注意p-v-t热力学面包括： 一个点：临界点；

四个线：三个饱和线和一个三相线； 六个区：三个单相区和三个两相区。

§2 蒸发冷却技术在数据中心的应用探讨

随着电子信息行业的飞速发展，数据中心的发展也进入到一个新的阶段。根据工业和信息化部联合国家发展和改革委员会、国土资源部、国家电力监管委员会、国家能源局发布的《关于数据中心建设布局的指导意见》，数据中心将会朝着超大型和资源节约型的方向发展。数据中心中空调系统能耗是影响数据中心能耗的重要因素，空调系统的节能技术直接影响数据中心的PUE 值（数据中心能效指标）。据悉，我国数据中心的能耗中约有 40% 用于空调系统，在合适的气候条件下，利用自然冷源替代人工冷源可以大大降低数据中心空调系统的能耗。蒸发冷却技术是一种利用干空气制取冷风或冷水的技术，可以根据末端的需要提供冷风或者冷水，为数据中心供冷。由于不需要使用传统的压缩机，所以其能耗较低，将这项技术应用在全年需要提供冷量的数据机房空调系统中，并配合人工冷源使用，节能潜力巨大； 1 蒸发冷却空调在我国数据中心的应用

蒸发冷却技术是一项利用水蒸发吸热制冷的技术 。蒸发冷却技术分为直接蒸发冷却（DEC）空调技术和间接蒸发冷却（IEC）技术。蒸发冷却空调具有节能、环保、经济和可提高室内空气质量的优点。我国 GB 50189-2005《公共建筑节能设计标准》第 5.3.24 条规定：在满足使用要求的前提下，对于夏季空气调节室外计算湿球温度较低、温度的日较差大的地区，空气的冷却过程，宜采用直接蒸发冷却、间接蒸发冷却或

直接蒸发冷却与间接蒸发冷却相结合的二级或三级冷却方式 。现有的工业建筑工程中，蒸发冷却技术产生的冷风或者冷水不仅改善了人员的工作环境，而且可通过改进工艺流程可满足其他需求。蒸发冷却技术可以根据使用的环境和用户的需求灵活改变出风温度和出水温度，可以采用直接蒸发冷间接蒸发冷却、间接-直接两级蒸发冷却或间接-直接多级蒸发冷却等设备形式。

1.1 直接蒸发冷却在数据中心的应用 （1）直接蒸发冷却在数据中心应用的气候分区

直接蒸发冷却（IEC）空调技术的核心元件是填料，水泵将蓄水池中的水提升至填料的顶部，通过布水器均匀地将水布置在填料上。在风机的作用下，空气与水在填料中充分接触，空气被等焓冷却，填料上多余的水最终回到位于填料底部的蓄水池中。填料也会起到一定的过滤作用，并在一定程度上可以过滤对电子设备有害的 SO2 气体。

在标准大气压力（101325Pa）下绘制焓湿图，以固定的室内状态点 N（干球温度 tdb=30℃，相对湿度 φ=30%，露点温度 tdp=10℃）和送风状态点 O（干球温度 tdb=20℃，相对湿度 φ=53%，露点温度 tdp=10℃）为例，分成了 5 个区域，如图6 所示，蒸发式冷气机在不同区域以不同的模式运行 。

a. 区域Ⅰ：室外空气干球温度和含湿量都低于送风状态点（室外空气干球温度≤ 20℃，露点温度≤ 10℃）。由于数据机房既需要冷却又需要加湿。此范围内的室外空气和室内回风混合，引入新风量从最小值变化到 100%，通过蒸发式冷气机冷却加湿，提供了送风温度和湿度都合适的工况。

b. 区域Ⅱ：室外空气的焓值低于送风状态点的焓值，且室外空气干球温度高于送风状态（干球温度＞ 20℃），含湿量低于室内回风状态点的含湿量（露点温度≤ 10℃）。此时，室外空气通过蒸发式冷气机加湿冷却即可满足要求。值得注意的是，图中的区域Ⅱ，在没有蒸发式冷

气机的情况下，直接引入室外新风并不适合，需要机械制冷和加湿。 c. 区域Ⅲ：室外空气的焓值介于送风状态点和室内回风状态点之间（室外空气的湿球温度介于 14.1℃和 17.5℃之间），且含湿量低于室内回风状态点的含湿量（露点温度≤ 10℃）。在此范围内，如果室外空气的温度低于室内温度，蒸发式冷气机不喷淋水，直接通入室外新风，有助于减少对机械制冷的需求。

d. 区域Ⅲ A：室外空气的焓值低于室内回风状态点（湿球温度≤ 17.5℃），且含湿量高于于室内回风状态点的含湿量（露点温度＞ 10℃）。此范围内使用蒸发式冷气机需要更仔细的分析。此区域内的室外空气焓值小于室内回风焓值，蒸发式冷气机直接引入室外新风不但不喷淋水，还需要除湿，此时机房专用空调用于除湿的能耗费用可能会超过单独运行机房专用空调所需要的费用，使用蒸发式冷气机与机房专用空调联动控制方案的 COP 可能低于单独使用机房专用空调的COP（用机械制冷可获得显热冷却过程）。

e. 区域Ⅳ：室外空气焓值高于室内回风状态点（湿球温度＞ 17.5℃）。此范围内，室外空气调节风阀应设定在最小位置，使得制冷能耗降到最低。引入的室外新风满足工作人员所需的最小新风量或室内正压即可。 （2）直接蒸发冷却技术在数据机房中的应用情况

直接蒸发冷却技术发展时间较长，直接蒸发式冷气机在数据机房中已经得到广泛应用，主要的应用形式有两种：一种是直接在数据机房中设置

蒸发式冷气机，并且增加排风系统，与蒸发式冷气机配合。与此同时，将蒸发式冷气机与数据机房专用空调进行联动使用，达到节能目的；另一种是在使用蒸发式冷气机的同时，让一部分回风与冷气机处理后的空气混合（如图 7），这种形式可以增加冬季数据机房的加湿量;

b.

图 7 哥伦比亚大学数据中心应用蒸发式冷气机

在我国福建省，蒸发式冷气机在各大通信运营商的电子信息内机房中也得到广泛应用，并且节能潜力明显。截至 2010 年 10 月，中国联通福建分公司在全省共完成 535 个基站的节能改造，安装 535 台通信基站专用直接蒸发式冷气机，每年节省电费约 375 万元，年节能率在 30%~90%

图 8 福建联通应用蒸发式冷气机

1.2 间接蒸发冷却在数据机房中的应用

间接蒸发冷却（IEC）空调技术是产出介质（空气或水）与工作介质（空气和水）间接接触进行热湿交换，产出介质与工作介质之间不存在质的交换，仅是显热的交换，以获取冷风或冷水的技术 。管式间接蒸发冷却技术以其较高的效率和不宜堵塞的特点，在我国的部分数据机房已经得到应用。（1）管式间接蒸发冷却技术管式间接蒸发冷却器中，一次空气在管内流过，在管组上方由布水装置淋水，在管外壁形成水膜，二次空气自下而上横掠管束，与管外水膜发生热、湿交换（图 8）。传热管可以采用圆管或椭圆管，材料为聚氯乙烯等高分子材料或铝箔。管外可以包覆吸水性纤维材料，使管外侧保持均匀的水膜，以增强蒸发冷却

的效果。尽管管式间接蒸发空气冷却器的紧凑性不及板式，但它能弥补板式的不足：管式间接蒸发冷却器通过合理设计布水装置，做到布水均匀，形成稳定水膜，有利于蒸发冷却的进行；流道较宽，不会产生堵塞，因而流动阻力小；容易清洗；成本低。目前蒸发冷却空调工程中越来越多地使用管式间接蒸发空气冷却器。

图 8 管式间接蒸发冷却器结构图及实物

管式间接 - 直接蒸发冷却空气处理机组的产出空气温度理论上可以达到入口空气的亚湿球温度（湿球温度以下，露点温度以上）。管式间接 - 直接蒸发冷却空气处理机组的产出空气处理过程（直流式系统）如图 9 所示，入口空气 W 经过间接蒸发冷却至 W1，W1 点的空气经过直接蒸发冷却至 O 点，送入机房完成处理过程至 N。

图 9 管式间接 - 直接蒸发冷却空调机组空气处理（直流式）焓湿图

（2）管式间接蒸发冷却技术在数据机房中的应用情况 a. 工程案例

西安某数据机房建筑面积 440 m2，该机房的空调冷负荷为 454 W/m2。采用全空气空调系统，配备有 1 台额定风量为 42000 m3/h 的蒸发冷却与机械制冷联合空气处理机组，该企业为了响应国家节能减排的号召，将该数据机房室内热环境可以接受的温度上限调整为 30℃。 该空气处理机组由初效过滤段、管式间接蒸发冷却段、混合段、中效过滤段、低温表冷段、直接蒸发冷却段和送风段组成，机组结构组成如图 10 所示，机组实物照片如图 11 所示。

图 10 蒸发冷却优化后空气处理机组结构示意图

图 11 蒸发冷却优化后空气处理机组实物照片

b. 系统运行模式

如图 12 所示，该套空气处理机组在过渡季节关闭阀门 2，开启阀门 3 和阀门 1（见图 13），采用直流式系统运行。过渡季节中室外温度低于室内温度，利用室外的一部分自然冷源，通过间接 - 直接蒸发冷却机组处理，送入室内，以保证室内的温湿度要求 。该系统处理空气的过程如图 13 所示，室外空气由 Wg 经过管式间接段处理至 W’，然后通过直接蒸发冷却段处理为 O 点，满足要求送入室内至 N（ε 为热温比，下同）。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fyn3.html