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    1. 濕簾冷風機房間蒸發降溫系統的設計和制作

      2012-10-20

      濕簾-風機蒸發降溫系統是一種廣泛用于大型連棟溫室的降溫設備。本文講述的是一種根據該設備所設計的一種房間蒸發降溫設備以及它的制作過程,同時本文也對該設備的降溫效果進行了實驗。實驗表明,在20W的功率下,該設備的降溫效率為69.23%(以出濕簾溫度計算),人體感覺亦有較大的溫差。雖然該設備效果無法與機械制冷相比,但它卻能廣泛使用于各種因電力供應或規章制度限制而不能安裝空調等設備的地方。(下載此文章的PDF版本

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      1.簡介

      1.1 蒸發降溫

      蒸發降溫是溫室中常用的一種降溫方式,其原理為:水在空氣中蒸發,從空氣中吸收熱量,從而降低空氣溫度。蒸發降溫的方式有屋頂蒸發降溫,霧化降溫,濕簾-風機等幾種形式。其特點為:

      1. 與冷水降溫相比,耗水量較小

      2. 與機械制冷相比,設備簡單,能耗較低,但降溫效果不及機械制冷

      3. 降溫同時會增加空氣濕度,降溫效果受氣候條件影響,在濕度較大的天氣下不能獲得好的降溫效果。

      蒸發降溫的降溫下限為:空氣的濕球溫度

      蒸發降溫的降溫效率可以通過以下公式進行計算:

      wps_clip_image-1655

      式中 ta,tb —— 降溫前、后的空氣溫度 (干球溫度),(℃)tw —— 空氣的濕球溫度,(℃)。

      農業用濕簾-風機降溫系統的降溫效率為:70%-90%

      噴霧降溫降溫效率為:20%-60%

      1.2 濕簾-風機降溫系統

      濕簾-風機蒸發降溫系統是蒸發降溫的一種,它是一種廣泛應用于大型連棟溫室的降溫裝置。水附著在吸水材料表面,與流經材料表面的空氣接觸而蒸發吸熱,干熱的的空氣通過濕簾之后吸收水分,變成濕度較大的空氣。

      溫室中使用的濕簾-風機蒸發降溫系統由以下幾個部分組成:

      1. 軸流風機:安裝了濕簾-風機降溫系統的溫室中,風機一般設計成將溫室內的空氣源源不斷地排往室外,這種通風系統也稱為排氣式通風系統(負壓通風系統)。

      2. 濕簾:濕簾安裝在溫室的進風口,其材料一般為:白楊刨花、棕絲、多孔混凝土板、塑料、棉麻或化纖紡織物等多孔疏松的材料,波紋紙質濕墊最為多用。其尺寸視溫室的大小而定,波紋紙質濕墊厚80~200mm,一般高1~2m。圖1.1 是一個濕簾-風機降溫系統的示意圖。

      3. 水泵:水泵用于將水源源不斷地運輸到濕簾的上方,水依靠重力流下,保持濕簾的濕潤。wps_clip_image-29368

      圖1.1: 濕簾-風機降溫系統示意圖 (陳青云,2010)

      2.濕簾-風機房間降溫系統的設計

      本系統是基于溫室中的濕簾-風機降溫系統設計的,本裝置和溫室中的濕簾冷風機結構非常相似,即風扇直接安裝在濕簾前端(而不是安裝在房間出風口)。風機與濕簾之間要有一定的距離,一是降低過簾風速,二是防止水的飛濺。

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      圖2: 降溫系統的設計圖

      2.1 風機的選擇

      本裝置中所用的風機,是由Delta electronics Inc.生產的直徑為12cm的散熱風扇。其型號為:PFC1212DE,其工作電壓為12V,額定電流為4.80A,轉數為7500RPM,通風量為252.85CFM。

      風機的選擇考慮了以下幾個因素:

      1. 風機的類型:房間通風需要的通風量較大,壓強較低,故選用軸流風機。計算機散熱所使用的風扇由于功率過小,再加上濕簾的通風阻力,風量較小,故不宜采用。

      2. 用電安全:由于整個系統離水源較近,環境濕度較大,為避免短路或觸電等危險,所以風扇必須工作在12V的絕對安全電壓下。

      3. 風機的功率:所選擇風機的功率要適當,功率過大或過小都會對整個系統產生不利影響

      功率過大時可能出現的問題是:

      1. 降溫效率下降:空氣未充分吸水就離開濕簾。

      2. 噪音過大。

      3. 水直接從濕簾上飛出,從出風口噴出裝置,造成污染甚至短路等事故。

      功率過小時可能會出現的問題是:

      1. 空氣通過濕簾速度過慢,出風口無風

      2. 風機負載過大,造成發熱,壽命縮短,降溫效率極低甚至為負值。

      對于風機功率過大的問題,我們可以通過使用“風扇減速線”或者“風扇調速器”來解決,也可以通過調節電源的輸出功率來降低風扇的轉速。

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      圖2.1:裝置所用風機的正面圖(即出風口)

      2.2 濕簾的設計

      本裝置中所用的濕簾,是用醫用繃帶通過剪切,折疊之后用針線縫制成袋裝,單片寬度(即濕簾厚度)大約3厘米,用鐵絲將所有的濕簾一片一片串起來并懸掛,就制成了裝置中的濕簾。

      濕簾的形狀設計參考了溫室中所使用的濕簾,二者同為“千層糕”狀。主要遵循的設計原則為:

      1. 濕簾的吸水性要好

      日常生活中吸水性較好的材料一般為棉,布,紙等。紙由于容易破損,壽命較短,故不在考慮的范圍之內。所以棉質的有一定厚度的材料是比較好的選擇。

      2. 濕簾要有一定的厚度

      濕簾厚度不足時,由于和空氣接觸面積較小,水分無法充分蒸發,系統效率降低;濕簾厚度過大時,通風阻力較大,風機負載較重。

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      圖2.2:還未展開的濕簾

      2.3 水泵

      在溫室中,水泵用于將水提升到濕簾上端,從而使濕簾保持濕潤。本裝置中,濕簾高度很低(12cm),采用的又是紗布這種吸水性很強的材料,故水能自己通過毛細管作用上升至濕簾上部,所以沒有使用水泵。實驗證明,在采用12cm高的紗布濕簾的情況下,水能自動的被吸到10-11厘米的地方。

      當濕簾高度過高時,應該在設計中加入水泵。水泵應該選擇流量和量程均不大的型號,避免浪費或者溢出。例如電腦水冷中使用的循環泵或小型直流潛水泵都是比較好的選擇。有水泵的裝置特別應該注意調節風扇的輸出功率,防止水濺出。

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      圖2.3:安裝了水泵(12V潛水泵)的降溫設備效果圖

      2.4 外殼

      本裝置的外殼(包括儲水裝置),是用0.5mm厚的玻璃粘接而成的。所需的玻璃為(單位均為厘米):

      20*12: 1塊 15*12 :1塊 12*12:2塊 12*5:2塊 5*5:2塊

      外殼的選擇考慮了以下的因素:

      1. .穩定性:風扇工作時有震動,如果外殼質量不夠大可能會震動,發出噪音。各種材料中,以玻璃和金屬重量最大。

      2. 粘接的難易程度:亞克力板(塑料)最容易粘接接在一起(使用502強力膠)。

      3. 切割的難易程度:亞克力板可以用鋸子切割,也可以用以下的電熱切割法:取500W電爐絲一根,拉直,在大約20-30cm的一段上加上12V左右的電源,即可通過電爐絲的熱量來切割亞克力板。操作過程中要小心,防止燙傷。

      玻璃的切割最好由專業人士完成,可在購買玻璃時要求賣家幫助切割。無論使用何種材料,切割的尺寸要求誤差少于0.5CM,否則會造成粘接上的困難。

      4. 老化:塑料比玻璃更容易老化,且老化之后的外觀比玻璃更加難看。

      關于粘接劑的選擇:為防止漏水,玻璃應采用玻璃膠進行粘接,對于較小的縫隙,也可以使用502強力膠來填充。需要注意的是:玻璃膠氣味刺鼻,有毒,最好避免在室內操作。

      2.5 電源

      除了輸出功率要滿足需求之外,電源的選擇并無什么特別之處。輸出可調的電源可以起到控制風扇功率的作用。

      3.制作過程

      3.1 外殼的制作

      外殼的制作應采用從下到上的粘接方法,粘接過程中無需考慮玻璃膠影響美觀的問題(玻璃膠可以很容易地用刀片清除掉)。由于玻璃膠固化需要24小時,所以粘接過程中需要有一些必需的支撐(例如:使用香煙盒等)。

      粘接完成,玻璃膠完全固化后,應該檢驗裝置是否漏水,漏水的地方如果不大的話可以用502強力膠填充,如果漏水程度較為嚴重,應使用玻璃膠進行粘接。

      502強力膠和玻璃膠都具有揮發性,對人體有較大的傷害,所以粘接過程應該在室外通風良好的地方進行。操作完成后應盡快洗手。

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      圖3.1:粘接的開始階段

      3.2 濕簾的制作

      將醫用繃帶裁成大約15厘米的長度(方便濕簾從水池中充分吸水,同時,紗布等制作的濕簾在吸水后長度會減小),左右對折,制成3-4厘米的條狀。為了使濕簾更加牢固,可以用針線將每一條濕簾的周圍縫起來。最后,用鐵絲將濕簾穿起來,形成一個12*4*12(長*寬*高,單位:厘米)的長方體(墊狀)。然后將濕簾固定于進風口,濕簾的下端可任其自由落在水池中。

      濕簾的安裝位置距離水池的池壁(靠近風機的一端)應該留出一定的距離,防止水流出。

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      圖3.2: 濕簾的制作(自上而下分別是:醫用繃帶,裁剪和折疊的醫用繃帶,用針線縫制好的醫用繃帶)

      3.3 風機的安裝

      風機安裝在裝置的前端,為方便拆卸可以用膠帶固定。風機的安裝要求固定牢固,以防止震動。同時,應用膠帶堵住任何會漏氣的地方,以免外部熱空氣進入裝置內,使得進風口進風量減小,造成降溫效率的降低。

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      圖3: 所有設備總裝完成之后的降溫設備

      4.實驗和效果分析

      注意:由于實驗器材,試驗方法,變量控制等方面的因素,本實驗的精確度極其有限。

      實驗條件:風機的功率通過調節電源的輸出功率而控制在20W,水池中注入足量的水,使得池中水位大約為3CM。溫度計是3支0-50℃的酒精溫度計和一個干濕球溫度計。

      現象:啟動風機后,濕簾前部的水位迅速上升,濕簾后部水位下降,兩液面高度差大約為1-2CM。同時有水從濕簾上滴下。

      4.1 效果分析

      降溫效率通過本文1.1節所介紹的方法進行測試和計算。其中:

      干、濕球溫度:在降溫系統沒有運行的情況下直接由溫度計讀出


      出風口溫度:由溫度計在風扇出風口處測得

      出濕簾溫度:將溫度計從后部插入濕簾,使得液泡露出濕簾3CM

      以上兩個溫度的測量均在設備運行10分鐘后讀數。

      測得的數據如下:

      名稱

      干球溫度

      濕球溫度

      出風口溫度

      出濕簾溫度

      出風口空氣相對濕度

      溫度(℃)

      26

      19.5

      23.2

      21.5

      80%

      如果以出濕簾溫度為降溫后溫度計算,則降溫效率為:69.23%

      如果以出風口溫度為降溫后溫度計算,則降溫效率為:62.22%

      雖然效率比溫室用降溫系統略低,但人已經可以感受到極大的溫差。

      之所以出現兩種不同的效率,可能的原因為:

      1. 風機運行中會產生熱量

      2. 裝置密封不嚴,外部干熱空氣進入

      3. 冷空氣在裝置中通過裝置的外殼與外部環境產生熱交換。

      出簾空氣相對濕度未達到100%的原因可能是:過簾風速過大,空氣未能充分吸水。但是考慮到本裝置的實際應用,過簾風速不可再降低,否則會使得制冷總量和風量過少。

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      圖4.1:測試使用的溫度計和電源

      5.使用和維護

      使用前,應調整濕簾,使之盡可能地覆蓋整個進風口,同時調整每一片濕簾之間的距離使之均勻分布。如果要使用本裝置為整個房間降溫,可將本裝置放置于房間窗戶等處。為了人員的健康和延長該設備的使用壽命,濕簾應經常拆下清洗,在不用的時候,裝置中的水應該放干。發現漏水等情況應及時修復。

      6. 制作成本計算

      制作本濕簾冷風機共花費人民幣98元(不計網購運費),其中:

      主要部件成本:

      風機:50元 玻璃:30元 鐵絲:2元 醫用繃帶:3元 電源:自備,無需購買

      消耗品成本:

      玻璃膠:10元 502強力膠:2元

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