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摘要：本篇论文分析了Maisotsenko-cycle基本原理，并对Coolerado叉流式露点间接蒸发式空气冷却器的热性能进行了数值分析，为解决传热传质耦合控制方程和产出与工作空气的质量转换问题而建立的数值模型，使用了有限元方法。该有限元模型使用EES（工程方程解算器）环境开发工具进行仿真模拟，并且实施了实验数据的验证。
关键词：M循环 叉流式换热器 EES 仿真分析
【分类号】：TU831；TU201.5
1.前言
2003年，在第四届暖通空调国际研讨会上，俄罗斯的 Valeriy Maisotsenko 博士发表了他的论文 《The Maisotsenko cycle for air desiccant cooling》， 这篇论文具有很高的科研价值和指导意义。 MAISOTSENKO 循环是一个新型的热力学循环，它的能量来源于水，而不是电能，同时可以在不使用压缩机和制冷剂的情况下，把任何气体和液体冷却到接近露点温度。
2.新型的热质交换冷却器
如图2a所示，coolerado叉流式热质交换器的结构示意图。其中间部分打有许多小孔，且中间通道的末端被挡板堵死，工作空气最初和产出空气一样，先进入纵向干通道被横向湿通道的水或空气所预冷，由于末端被堵住，只能通过干通道上的小孔钻到相邻的湿通道。工作空气沿着板两翼的横向湿通道，通过湿通道的水分蒸发吸热带走干通道的热量，最后从横向通道板的两侧排出。产出空气沿着纵向干通道被冷却，温度逼近室外空气的露点温度，但含湿量不变。
3.M-cycle原理介绍
如图3a所示，为M循环的工作原理图。当气流被风机吹入纵向干通时， 首先被其湿侧进行初步冷却，状态从1变化到2。 由于干通道板的中间有小气孔，所以一部分一次空气穿过这些气孔流入横向湿通道板中，与湿通道中的原有空气一起作为二次空气，则流入湿侧的一次气流与水进行热湿交换，达到状态2的湿球温度2’。同时，由于湿通道水分蒸发，吸收干通道内热量，状态从2’到2”，一次空气等湿冷却，故从状态2到3。随着流入湿侧的气体流量不断增大，一次空气进一步得到冷却，状态从3变化至 4，而二次空气继续经加湿、饱和、升温，状态从3’变化到3”。如此下去，直至一次空气被等湿冷却到初始状态1的湿球温度以下且接近其露点温度状态n，并保持湿度不变。二次空气从横向湿通道板的两侧排出。
4.仿真模型的建立
为了改进这种叉流式热质交换器的性能，对这种结构叉流式换热器建立有限元模型，并在EES中进行仿真模拟。
为了简化建模过程和数学分析，进行了如下的假设：
1、热和质的迁移处于稳定状态。IEC附件作为系统边界。
2、纤维片材的湿表面完全饱和。水蒸气均匀地分布在湿通道内。
3、截面温度的梯度设置为零。分离板上的传热只在垂直方向上发生。在工作流体内，对流换热是传热的主要机制。
4、每个元素都有一个均匀的壁面温度。板壁的热传导率影响不大，墙干湿面温差可忽略。
5、空气被视为不可压缩气体。
运用质量守恒和能量守恒原理，在IEC的传热和传质过程可以建立一组微分方程在EES中描述。
性能影响因素
5.1进风温度和相对湿度
如图5a，保持其他参数不变，随着进口空气温度的升高，送风温度、制冷量、湿球效率及冷却器的 COP 呈上升的趋势。这是由于进口空气温度较高时，造成进风与循环水之间温度差增大。如图5b所示，保持其他参数不变，随着进风相对湿度越来越高，冷却器的降温幅度越来越低，制冷量和 COP 下降的同时，湿球效率增大。冷却器在潮湿的天气，降温效果并不明显。提高进风温度或相对湿度都造成湿球效率的上升，实际上露点间接蒸发冷却器的性能各有不同，因此湿球效率不能被视作描述露点间接蒸发冷却器性能的独立参数。系统的性能很大程度取决于它应用地方的气候条件。
5.2气流速度/风量
如图5c所示，当冷却器的总进风量增加时，工作空气和送风空气的流速按比例增加，干通道或湿通道的空气流速也按比例增加，制冷量随着空气流量增加而增加。然而在过大的流速下，制冷量 反而随流速的增大而降低。因此存在最佳气流速度，使得制冷量达到最大值。
5.3产出空气/工作空气比
按照理论计算，Gproduct （h1-h2）=Gworking（h4-h1），产出空气和工作空气的最佳流量之比为 1：1。但是针对不同地区应用案例，可调节产出空气与工作空气的比例，来达到最佳制冷量。例如干燥地区的产出/工作空气比高于潮湿地区的产出/工作空气比。Coolerado叉流式热质换热器机组的产出/工作空气比为 1.15-1.23，即产出空气流量略高于工作空气流量时达到最佳制冷效果。
5.4通道长度/高度
如图5e所示，随着通道的高度的增加，湿球效率和制冷量都随之下降，COP 随之上升。权衡 COP 和制冷量，选择合适的通道高度。如图5f所示，干通道的长度越长，干通道与湿通道的空气接触时间更长，换热更充分，送风温度就会越來越趋近于露点温度，制冷量和湿球效率增加，但降低了系统的 COP。因此，通道长度与通道高度的比值建议在 100-300 之间。
6.结论
通过间接蒸发冷却技术获得低于湿球温度的空气，关键在于通过分离一部分产出空气作为预冷的工作空气。这个过程的极限温度是室外空气的露点温度。露点间接蒸发冷却器的性能主要局限于周围气象条件，当入口空气干球温度越高、相对湿度越低，换热器的制冷量越大。其他参数如空气流量、通道高度和长度、工作/产出空气比 以及板的材质对换热器的性能也很重要。
这项研究建立了能够模拟M循环的叉流式换热器的热流性质的仿真模型，通过使用这个模型，就可以很容易地对冷却（湿球）效果、系统的COP和若干气流/交换器参数进行分析。论文还给出了很多最佳的操作条件，包括空气流速、入口空气温度和湿度、运转与产出空气比率、最佳交换器配置和通道长高比例等等。这个模型也被发表过的足够准确的实验数据证实了，它也因此适用于间接蒸发冷却系统的设计和系统操作性能的预测。这个工具能够增加系统的能量利用率，探索建筑内空气调节部分的市场份额并且实现世界节约能源和低碳环保的目标。此外，它可以用于模拟装有其他形态换热器的间接蒸发制冷系统。 （1）基于M循环的热质交换器能够实现比传统间接蒸发冷却器的错流热质交换器效率高出16.7%以上；（2）新交换器的通道里更高的空气流速能够产生相当低的湿球空气效果和COP系统，但是更小的系统对潜在客户来说更有经济价值，干、湿通道的平均空气流速分别不能超过1.77 m/s 和0.7 m/s；（3）在指定条件下，最佳的排出和供给空气的比率应为1：1；（4）提高空气通道的高度能够增加制冷能力和湿球效力，但是会降低系统的COP，权衡这些性能的话，建议通道的高度不应超过4mm；（5）增加空气（包括干空气和湿空气）通道的高度能够提高制冷效率但是减少系统的COP，因此通道的长与高的比例不能超过100-300的范围，对于通道高度为4mm的系统来说，湿通道和干通道的長度都不应超过0.4-1.2m的范围；（6）系统的性能受安装处气候条件影响较大，给出入口的空气条件，系统可以实现4.22kw每kg/s的制冷能力，这只是系统能够实现的最大效率的50%。
参考文献
[1] Idalex Technologies， I. （2003）. "The Maisotsenko cycle - conceptual." A technical concept view of the Maisotsenko cycle， from
[2] Coolerado，CooleradoHMX （Heat and Mass Exchanger） Brochure，Coolerado Corporation， Arvada，Colorado，USA，2006
[3] V 麦索特森科. 用于露点蒸发冷却器的方法和板设备：中国，01819555.5. 2001.9.27
[4] 尹进福. 一种重复利用湿能的单多级间接蒸发冷却方法：中国，200510018082.3. 2005.10.10
[5] Zhan C，Duan Z，Zhao X，et al. Comparative study of the performance of the M-cycle counter-flow and cross-flow heat exchangers for indirect evaporative cooling-Paving the path toward sustainable cooling of buildings[J]. Energy，2011，36：6790-6805.
[6] Zhan C，Zhao X，Smith S，et al. Numerical study of a M-cycle cross-flow heat exchanger for indirect evaporative cooling[J]. Building and Environment，2011，46：657-668
[7] 黄翔. 蒸发冷却空调技术手册[M].北京：机械工业出版社
关键词：M循环 叉流式换热器 EES 仿真分析
【分类号】：TU831；TU201.5
1.前言
2003年，在第四届暖通空调国际研讨会上，俄罗斯的 Valeriy Maisotsenko 博士发表了他的论文 《The Maisotsenko cycle for air desiccant cooling》， 这篇论文具有很高的科研价值和指导意义。 MAISOTSENKO 循环是一个新型的热力学循环，它的能量来源于水，而不是电能，同时可以在不使用压缩机和制冷剂的情况下，把任何气体和液体冷却到接近露点温度。
2.新型的热质交换冷却器
如图2a所示，coolerado叉流式热质交换器的结构示意图。其中间部分打有许多小孔，且中间通道的末端被挡板堵死，工作空气最初和产出空气一样，先进入纵向干通道被横向湿通道的水或空气所预冷，由于末端被堵住，只能通过干通道上的小孔钻到相邻的湿通道。工作空气沿着板两翼的横向湿通道，通过湿通道的水分蒸发吸热带走干通道的热量，最后从横向通道板的两侧排出。产出空气沿着纵向干通道被冷却，温度逼近室外空气的露点温度，但含湿量不变。
3.M-cycle原理介绍
如图3a所示，为M循环的工作原理图。当气流被风机吹入纵向干通时， 首先被其湿侧进行初步冷却，状态从1变化到2。 由于干通道板的中间有小气孔，所以一部分一次空气穿过这些气孔流入横向湿通道板中，与湿通道中的原有空气一起作为二次空气，则流入湿侧的一次气流与水进行热湿交换，达到状态2的湿球温度2’。同时，由于湿通道水分蒸发，吸收干通道内热量，状态从2’到2”，一次空气等湿冷却，故从状态2到3。随着流入湿侧的气体流量不断增大，一次空气进一步得到冷却，状态从3变化至 4，而二次空气继续经加湿、饱和、升温，状态从3’变化到3”。如此下去，直至一次空气被等湿冷却到初始状态1的湿球温度以下且接近其露点温度状态n，并保持湿度不变。二次空气从横向湿通道板的两侧排出。
4.仿真模型的建立
为了改进这种叉流式热质交换器的性能，对这种结构叉流式换热器建立有限元模型，并在EES中进行仿真模拟。
为了简化建模过程和数学分析，进行了如下的假设：
1、热和质的迁移处于稳定状态。IEC附件作为系统边界。
2、纤维片材的湿表面完全饱和。水蒸气均匀地分布在湿通道内。
3、截面温度的梯度设置为零。分离板上的传热只在垂直方向上发生。在工作流体内，对流换热是传热的主要机制。
4、每个元素都有一个均匀的壁面温度。板壁的热传导率影响不大，墙干湿面温差可忽略。
5、空气被视为不可压缩气体。
运用质量守恒和能量守恒原理，在IEC的传热和传质过程可以建立一组微分方程在EES中描述。
性能影响因素
5.1进风温度和相对湿度
如图5a，保持其他参数不变，随着进口空气温度的升高，送风温度、制冷量、湿球效率及冷却器的 COP 呈上升的趋势。这是由于进口空气温度较高时，造成进风与循环水之间温度差增大。如图5b所示，保持其他参数不变，随着进风相对湿度越来越高，冷却器的降温幅度越来越低，制冷量和 COP 下降的同时，湿球效率增大。冷却器在潮湿的天气，降温效果并不明显。提高进风温度或相对湿度都造成湿球效率的上升，实际上露点间接蒸发冷却器的性能各有不同，因此湿球效率不能被视作描述露点间接蒸发冷却器性能的独立参数。系统的性能很大程度取决于它应用地方的气候条件。
5.2气流速度/风量
如图5c所示，当冷却器的总进风量增加时，工作空气和送风空气的流速按比例增加，干通道或湿通道的空气流速也按比例增加，制冷量随着空气流量增加而增加。然而在过大的流速下，制冷量 反而随流速的增大而降低。因此存在最佳气流速度，使得制冷量达到最大值。
5.3产出空气/工作空气比
按照理论计算，Gproduct （h1-h2）=Gworking（h4-h1），产出空气和工作空气的最佳流量之比为 1：1。但是针对不同地区应用案例，可调节产出空气与工作空气的比例，来达到最佳制冷量。例如干燥地区的产出/工作空气比高于潮湿地区的产出/工作空气比。Coolerado叉流式热质换热器机组的产出/工作空气比为 1.15-1.23，即产出空气流量略高于工作空气流量时达到最佳制冷效果。
5.4通道长度/高度
如图5e所示，随着通道的高度的增加，湿球效率和制冷量都随之下降，COP 随之上升。权衡 COP 和制冷量，选择合适的通道高度。如图5f所示，干通道的长度越长，干通道与湿通道的空气接触时间更长，换热更充分，送风温度就会越來越趋近于露点温度，制冷量和湿球效率增加，但降低了系统的 COP。因此，通道长度与通道高度的比值建议在 100-300 之间。
6.结论
通过间接蒸发冷却技术获得低于湿球温度的空气，关键在于通过分离一部分产出空气作为预冷的工作空气。这个过程的极限温度是室外空气的露点温度。露点间接蒸发冷却器的性能主要局限于周围气象条件，当入口空气干球温度越高、相对湿度越低，换热器的制冷量越大。其他参数如空气流量、通道高度和长度、工作/产出空气比 以及板的材质对换热器的性能也很重要。
这项研究建立了能够模拟M循环的叉流式换热器的热流性质的仿真模型，通过使用这个模型，就可以很容易地对冷却（湿球）效果、系统的COP和若干气流/交换器参数进行分析。论文还给出了很多最佳的操作条件，包括空气流速、入口空气温度和湿度、运转与产出空气比率、最佳交换器配置和通道长高比例等等。这个模型也被发表过的足够准确的实验数据证实了，它也因此适用于间接蒸发冷却系统的设计和系统操作性能的预测。这个工具能够增加系统的能量利用率，探索建筑内空气调节部分的市场份额并且实现世界节约能源和低碳环保的目标。此外，它可以用于模拟装有其他形态换热器的间接蒸发制冷系统。 （1）基于M循环的热质交换器能够实现比传统间接蒸发冷却器的错流热质交换器效率高出16.7%以上；（2）新交换器的通道里更高的空气流速能够产生相当低的湿球空气效果和COP系统，但是更小的系统对潜在客户来说更有经济价值，干、湿通道的平均空气流速分别不能超过1.77 m/s 和0.7 m/s；（3）在指定条件下，最佳的排出和供给空气的比率应为1：1；（4）提高空气通道的高度能够增加制冷能力和湿球效力，但是会降低系统的COP，权衡这些性能的话，建议通道的高度不应超过4mm；（5）增加空气（包括干空气和湿空气）通道的高度能够提高制冷效率但是减少系统的COP，因此通道的长与高的比例不能超过100-300的范围，对于通道高度为4mm的系统来说，湿通道和干通道的長度都不应超过0.4-1.2m的范围；（6）系统的性能受安装处气候条件影响较大，给出入口的空气条件，系统可以实现4.22kw每kg/s的制冷能力，这只是系统能够实现的最大效率的50%。
参考文献
[1] Idalex Technologies， I. （2003）. "The Maisotsenko cycle - conceptual." A technical concept view of the Maisotsenko cycle， from
[2] Coolerado，CooleradoHMX （Heat and Mass Exchanger） Brochure，Coolerado Corporation， Arvada，Colorado，USA，2006
[3] V 麦索特森科. 用于露点蒸发冷却器的方法和板设备：中国，01819555.5. 2001.9.27
[4] 尹进福. 一种重复利用湿能的单多级间接蒸发冷却方法：中国，200510018082.3. 2005.10.10
[5] Zhan C，Duan Z，Zhao X，et al. Comparative study of the performance of the M-cycle counter-flow and cross-flow heat exchangers for indirect evaporative cooling-Paving the path toward sustainable cooling of buildings[J]. Energy，2011，36：6790-6805.
[6] Zhan C，Zhao X，Smith S，et al. Numerical study of a M-cycle cross-flow heat exchanger for indirect evaporative cooling[J]. Building and Environment，2011，46：657-668
[7] 黄翔. 蒸发冷却空调技术手册[M].北京：机械工业出版社