(1 西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 西安 710048； 2 澳藍(lán)(福建)實(shí)業(yè)有限公司 福州 350001)

2003年V. Maisotenko等[1]提出一種新型間接蒸發(fā)冷卻熱力循環(huán)形式，它可以使任何一種氣體或液體冷卻至濕球溫度以下，直至接近露點(diǎn)溫度。國際上把這種熱力循環(huán)稱為M循環(huán)，國內(nèi)通常稱為露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)。露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)具有溫降更大、應(yīng)用范圍廣泛的優(yōu)點(diǎn)，成為間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)研究的熱點(diǎn)，得到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

D. Pandelidis等[2]對(duì)叉流露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了性能實(shí)驗(yàn)分析，以空氣含濕量25 g/(kg干空氣)為例，冷卻器濕球效率為90%～110%，露點(diǎn)效率為63%～68%。Zhan Changhong等[3-4]在相同的幾何尺寸和運(yùn)行條件下對(duì)叉流換熱器和逆流換熱器進(jìn)行對(duì)比分析，叉流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的濕球效率為116%，逆流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的露點(diǎn)效率為80%～90%。Duan Zhiyin 等[5-6]設(shè)計(jì)開發(fā)了一種逆流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器，在不同的運(yùn)行條件下測試了該逆流式露點(diǎn)冷卻器進(jìn)、出口和排氣口的溫度，濕度和風(fēng)量，結(jié)果表明：該露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的濕球效率為0.55～1.06，能效比(EER)為2.8～15.5。Cui Xin 等[7]討論了空氣進(jìn)口參數(shù)、室內(nèi)空氣作為回風(fēng)、幾何尺寸、加肋片對(duì)冷卻器性能的影響，得出冷卻器濕球效率為122%～132%，露點(diǎn)效率為81%～93%。Xu Peng等[8-10]開發(fā)了一種超高能效的逆流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器，在干燥測試標(biāo)準(zhǔn)工況條件下，即干球溫度為37.8 ℃，濕球溫度為21.1 ℃時(shí)，該冷卻器的濕球溫度效率達(dá)到114%，露點(diǎn)冷卻效率達(dá)到75%，在工作空氣/全部空氣風(fēng)量比處于最佳比例時(shí)(即工作空氣/全部空氣風(fēng)量比=0.364)時(shí)，該露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器COP最高可達(dá)52.5。劉佳莉等[11]對(duì)一種復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的風(fēng)壓、效率、二次/一次風(fēng)量比、淋水量、耗水量等性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測試，測試結(jié)果顯示在室外高濕工況條件下，該機(jī)組的濕球效率最高可達(dá)103%。

但露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中不成熟，還存在諸多問題亟待解決，如露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化，在各種環(huán)境工況下的效率，風(fēng)量配比與制冷量關(guān)系等問題。傳統(tǒng)叉流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器已被廣泛研究，并得到了實(shí)際應(yīng)用。本文研發(fā)了一種新型逆流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器，在多種工況條件下，測試分析了該冷卻器的濕球效率、露點(diǎn)效率、制冷量等參數(shù)。

1 逆流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理

1.1 原理

露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器按照干濕通道結(jié)構(gòu)的不同，一般分為叉流式與逆流式[12]。在叉流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器中，一部分一次空氣在被冷卻的過程中不斷的被引入濕通道內(nèi)，作為二次空氣使用[13]。而在逆流式露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器中，一次空氣在完全被冷卻以后，部分一次空氣再被引入濕通道內(nèi)作為二次空氣使用(圖1)。

1進(jìn)口空氣；2產(chǎn)出空氣；3工作空氣。圖1 逆流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of countercurrent dew-point indirect evaporative cooler

逆流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器內(nèi)空氣路徑如圖2所示。在該冷卻器中，空氣首先進(jìn)入干通道內(nèi)，向鄰近的濕通道內(nèi)散熱，一次空氣在干通道內(nèi)被充分冷卻。在干通道末端，一部分空氣(產(chǎn)出空氣)被送至所需要的空間，余下的空氣(工作空氣)通過小孔進(jìn)入相鄰的濕通道內(nèi)，濕通道內(nèi)氣流流向與干通道內(nèi)氣流流向相反。該冷卻器主要有兩個(gè)特點(diǎn)：1)工作空氣被完全冷卻后被引入濕通道內(nèi)，提高了干濕通道內(nèi)的傳熱溫差。2)干濕通道內(nèi)空氣形成逆流形式，增強(qiáng)了干濕通道內(nèi)的熱量傳遞。

1干通道；2濕通道；3干通道；4產(chǎn)出空氣；5工作空氣。圖2 逆流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器內(nèi)空氣路徑Fig.2 Countercurrent dew-point indirect evaporative cooler air path map

1.2 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

冷卻效率是蒸發(fā)冷卻器性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一。冷卻效率包括濕球效率ηwb和露點(diǎn)效率ηdp[14]:

(1)

(2)

式中：tdb1為一次空氣入口空氣的干球溫度，℃；tdb2為出口空氣的干球溫度，℃；twb1為一次空氣出口空氣的濕球溫度，℃；tdp1為一次空氣出口空氣的露點(diǎn)溫度，℃。

制冷量也是評(píng)價(jià)蒸發(fā)冷卻器性能的重要指標(biāo)參數(shù)。

(3)

式中：Q為制冷量，kW；V為出口空氣風(fēng)量，m3/s；ρa(bǔ)為出口空氣的密度，kg/m3。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)確定

本實(shí)驗(yàn)在澳藍(lán)(福建)實(shí)業(yè)有限公司國家級(jí)焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。根據(jù)參考文獻(xiàn)[15]蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)氣候區(qū)域四區(qū)的劃分如表1所示，選擇烏魯木齊、酒泉、西安等3個(gè)西北地區(qū)具有代表性的城市，根據(jù)GB 50736—2012[16]中規(guī)定的夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干濕球溫度的取值，GB/T 25860—2010[17]中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)干燥和標(biāo)準(zhǔn)高濕環(huán)境工況作為本實(shí)驗(yàn)需要模擬的實(shí)驗(yàn)工況。實(shí)驗(yàn)?zāi)M環(huán)境工況如表2所示。焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬的干濕球溫度誤差為±1 ℃。

表1 蒸發(fā)冷卻氣候區(qū)域劃分Tab.1 The climate division of evaporative cooling

表2 焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的模擬工況Tab.2 Enthalpy difference simulated in the laboratory conditions

表3 變頻風(fēng)機(jī)工況設(shè)置Tab.3 Frequency fan operating conditions

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1)運(yùn)轉(zhuǎn)空氣預(yù)處理系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣溫濕度參數(shù)調(diào)節(jié)至設(shè)定地區(qū)室外空氣溫濕度參數(shù)的設(shè)計(jì)工況。

2)運(yùn)轉(zhuǎn)逆流式露點(diǎn)式間接蒸發(fā)冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)30 min，使其二次流道內(nèi)的濕表面得到充分潤濕，一、二次流道內(nèi)的空氣參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3)依次調(diào)整5個(gè)不同的二次/一次風(fēng)量比，測量并記錄逆流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各測點(diǎn)處空氣狀態(tài)參數(shù)。

4)分別在該冷卻器的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口、二次排風(fēng)口處設(shè)置測點(diǎn)，測量并記錄實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各斷面處空氣狀態(tài)參數(shù)。

5)設(shè)定下一個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境工況，并重復(fù)步驟(2)～(4)。

6)實(shí)驗(yàn)測試工作結(jié)束，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

2.3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖3所示為實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由壓入式風(fēng)機(jī)、送風(fēng)管道、逆流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻芯體、二次排風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥等組成。逆流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻芯體內(nèi)部沒有設(shè)置循環(huán)水箱，多余的水會(huì)直接接入排水管道。

圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.3 Experimental bench strcuture

該實(shí)驗(yàn)的風(fēng)量控制使用變頻控制調(diào)節(jié)二次/一次空氣風(fēng)量比。對(duì)于二次/一次空氣風(fēng)量比選擇了0.7、1.1、1.4、1.7、2.0等5組不同的取值，測試逆流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的性能(見表3)。測試儀器如表4所示。冷卻器內(nèi)部噴淋設(shè)備設(shè)定為每噴淋8 s后暫停60 s，保證冷卻器濕通道內(nèi)部可以充分潤濕，水在濕通道內(nèi)充分蒸發(fā)，同時(shí)減少水分的浪費(fèi)。

表4 測試儀器Tab.4 Test instruments

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 濕球效率

圖4所示為在5種工況條件下，逆流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的濕球效率隨二次/一次空氣風(fēng)量比的變化。在二次/一次空氣風(fēng)量比為0.7時(shí)，由于二次風(fēng)機(jī)的關(guān)閉，冷卻器效率均較低。而隨著二次排風(fēng)機(jī)的開啟，二次空氣風(fēng)量增大，冷卻器的濕球效率明顯提升，冷卻器的濕球效率均保持在90%～125%；在二次/一次空氣風(fēng)量比為1.1時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)干燥環(huán)境工況下，冷卻器濕球效率最高為105.6%；在二次/一次空氣風(fēng)量比為2時(shí)，冷卻器的濕球效率均在125%左右。

圖4 濕球效率隨二次/一次空氣風(fēng)量比的變化Fig.4 Wet-bulb efficiency changes with air-flow ratio of secondary air/primary air

3.2 露點(diǎn)效率

圖5所示為在5種工況條件下，逆流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的露點(diǎn)效率隨二次/一次空氣風(fēng)量比的變化。在二次/一次空氣風(fēng)量比為0.7時(shí)，由于二次風(fēng)機(jī)的關(guān)閉，冷卻器露點(diǎn)冷卻效率均較低。而隨著二次排風(fēng)機(jī)的開啟，二次空氣風(fēng)量增大，冷卻器的露點(diǎn)效率明顯提升，冷卻器的濕球效率均保持在60%～90%。在二次/一次空氣風(fēng)量比為1.1時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)高濕環(huán)境工況下，該露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器露點(diǎn)效率最高為78.1%；在二次/一次空氣風(fēng)量比為2時(shí)，冷卻器的露點(diǎn)效率均在70%～90%。而在標(biāo)準(zhǔn)高濕的環(huán)境工況下，冷卻器的露點(diǎn)效率最高。

圖5 露點(diǎn)效率隨二次/一次空氣風(fēng)量比的變化Fig.5 Dew-point efficiency changes with air-flow ratio of secondary air/primary air

3.3 制冷量

圖6 制冷量隨二次/一次空氣風(fēng)量比的變化Fig.6 Refrigerating capacity changes with air-flow ratio of secondary air/primary air

圖6所示為在5種工況條件下，逆流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的制冷量隨二次/一次空氣風(fēng)量比的變化。在二次/一次空氣風(fēng)量比為1.1時(shí)，冷卻器的制冷量最高，由于此時(shí)冷卻器的一次空氣最大，產(chǎn)出空氣的溫度較低。而在標(biāo)準(zhǔn)干燥和烏魯木齊工況下，空氣干濕球溫差最大，冷卻器的制冷量均保持在較高水平。

3.4 進(jìn)出風(fēng)干球溫降

圖7所示為在5種工況條件下，逆流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的溫度隨二次/一次空氣風(fēng)量比的變化。由圖7可知，隨著二次風(fēng)的比值增大，機(jī)組溫降增大。在各個(gè)工況下，機(jī)組溫降均保持在8～18 ℃。標(biāo)準(zhǔn)干燥工況和烏魯木齊工況下，冷卻器的溫降均保持較高的水平。在標(biāo)準(zhǔn)干燥工況下，二次/一次空氣風(fēng)量比為1.1時(shí)，干球溫度溫降為15.2 ℃。極端情況下，溫降可達(dá)18 ℃以上。如果二次排風(fēng)機(jī)關(guān)閉，只靠一次壓入式風(fēng)機(jī)則測試效果明顯下降。

圖7 進(jìn)出風(fēng)干球溫度隨二次/一次空氣風(fēng)量比的變化Fig.7 In/out wind dry-ball temperature changes with air-flow ratio of secondary air/primary air

3.5 進(jìn)風(fēng)溫度與冷卻效率

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在二次/一次空氣風(fēng)量比約為1.1時(shí)，冷卻器的制冷量最大，出風(fēng)空氣風(fēng)量和排風(fēng)空氣風(fēng)量在一個(gè)經(jīng)濟(jì)性的范圍內(nèi)。如果二次排風(fēng)所占比例過高，雖然出風(fēng)溫度較低冷卻效率較高，但此時(shí)進(jìn)口空氣的絕大部分將會(huì)成為二次空氣完全排出，該冷卻器將失去實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。因此選取二次空氣/一次空氣風(fēng)量比=1.1條件下，分析該冷卻器的的性能尤為關(guān)鍵。

二次空氣/一次空氣風(fēng)量比=1.1條件下的測試數(shù)據(jù)如圖8所示。隨著進(jìn)風(fēng)干球溫度的提高，冷卻器的濕球效率保持在95%～100%的較高水平，冷卻器的露點(diǎn)效率保持在60%～80%。由于冷卻器的濕球效率約為1，因此出風(fēng)的干球溫度與進(jìn)風(fēng)的濕球溫度的變化基本保持一致。因此提高進(jìn)風(fēng)的干濕球溫差對(duì)冷卻器的影響較大。

3.6 熱成像儀測試結(jié)果

露點(diǎn)冷卻器熱成像圖片是在標(biāo)準(zhǔn)干燥環(huán)境工況下拍攝的。紅外熱成像儀測試結(jié)果如圖9所示。由圖9(a)可知，在露點(diǎn)冷卻器芯體的外表面，溫度隨著冷卻器入口到出口逐漸降低。隨著空氣冷卻過程的進(jìn)行，溫度降低了約5 ℃。而在冷卻器上半部主要是噴淋水部分，溫度變化不明顯。

圖8 二次空氣/一次空氣風(fēng)量比=1.1條件下的測試數(shù)據(jù)Fig.8 Test data under the condition of air-flow ratio of secondary air /primary air=1.1

由圖9(b)可知，送風(fēng)通道與冷卻器內(nèi)存在約10.9 ℃的傳熱溫差。從送風(fēng)管道到該露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器芯體內(nèi)部，有明顯的溫降效果，溫度大幅降低。在二次排風(fēng)通道側(cè)，溫度也相對(duì)較低。

圖9 紅外熱成像儀測試結(jié)果Fig.9 Infrared thermal imager test results

4 結(jié)論

本文在焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬標(biāo)準(zhǔn)干燥、標(biāo)準(zhǔn)高濕、烏魯木齊、酒泉、西安等5種不同的環(huán)境工況，對(duì)逆流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試分析，得到如下結(jié)論：

1)在標(biāo)準(zhǔn)干燥工況(干球溫度38 ℃，濕球溫度23 ℃)，二次空氣/一次空氣風(fēng)量比=1.1條件下，該冷卻器濕球效率可達(dá)105.6%，露點(diǎn)效率可達(dá)76%，制冷量為2.83 kW，干球溫度溫降可達(dá)15.2 ℃。此工況條件下的紅外熱成像測試結(jié)果表明，送風(fēng)通道與露點(diǎn)冷卻器存在約10.9 ℃的溫降。該露點(diǎn)冷卻器的冷卻性能相比于傳統(tǒng)間接蒸發(fā)冷卻器60%～80%的濕球效率有大幅度的提升。

2)隨著二次空氣風(fēng)量的增加，冷卻器的濕球效率可以輕松突破100%，產(chǎn)出空氣的干球溫度達(dá)到進(jìn)口空氣的濕球溫度與露點(diǎn)溫度之間，即達(dá)到亞濕球溫度。而一次空氣在冷卻器干通道內(nèi)只會(huì)被等濕冷卻而不會(huì)被加濕，因此大大拓展了蒸發(fā)冷卻器應(yīng)用領(lǐng)域。

3)二次排風(fēng)機(jī)的關(guān)閉與開啟對(duì)冷卻器的性能影響極大，只有在二次排風(fēng)機(jī)充分工作時(shí)，冷卻器的冷卻性能才能達(dá)到最佳效果。

4)在標(biāo)準(zhǔn)干燥工況和烏魯木齊工況，該冷卻器的性能達(dá)到了一個(gè)最高水準(zhǔn)，驗(yàn)證了露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在我國西北干燥地區(qū)具有極大的優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景。

本文受西安工程大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(CX201701)項(xiàng)目資助。 (The project was supported by Xi′an Polytechnic University Graduate Innovation Fund Project (No.CX201701).)