陶瓷泡沫填料逆流直接蒸發(fā)冷卻熱質(zhì)傳遞特性的實(shí)驗(yàn)研究

王 庚 張小松 陳 瑤 徐國(guó)英

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京210096)

在直接蒸發(fā)冷卻過(guò)程中，水中的水分蒸發(fā)進(jìn)入空氣，空氣含濕量增大;空氣因提供水分蒸發(fā)所需潛熱，其干球溫度將降低.蒸發(fā)冷卻利用天然工質(zhì)——水的蒸發(fā)來(lái)產(chǎn)生冷量.因此，蒸發(fā)冷卻裝置除了具有良好的熱質(zhì)交換特性，被用來(lái)強(qiáng)化換熱［1］和能量回收［2］外，還作為一種行之有效且節(jié)能環(huán)保的制冷方式而獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［3-5］.

空氣和水在填料的表面發(fā)生熱質(zhì)交換，填料的選擇對(duì)蒸發(fā)冷卻裝置的整體性能起著重要的作用.業(yè)內(nèi)人士嘗試采用多種材料作為填料［6-10］進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，已取得了一系列有價(jià)值的成果.

金屬陶瓷泡沫具有良好的耐腐蝕性、熱物性和機(jī)械特性，是醫(yī)學(xué)［11］、化學(xué)工業(yè)［12-13］、太陽(yáng)能利用［14］等領(lǐng)域的一種常用材料.而且其網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)帶來(lái)的高孔隙率以及較大的比表面積［15］，能夠?yàn)榭諝夂退峁└蟮臒豳|(zhì)交換界面，以及更長(zhǎng)的接觸時(shí)間，從而能夠發(fā)生更加充分的熱質(zhì)交換.因此，采用金屬陶瓷泡沫作為蒸發(fā)冷卻裝置填料可以為強(qiáng)化蒸發(fā)冷卻效果創(chuàng)造有利的條件［2，6，16］，具有較大的應(yīng)用潛力.目前，針對(duì)金屬陶瓷泡沫在蒸發(fā)冷卻領(lǐng)域的應(yīng)用研究還較少.

本文提出采用金屬陶瓷泡沫作為蒸發(fā)冷卻裝置的新型填料，實(shí)驗(yàn)研究了逆流條件下采用不同厚度填料及在不同進(jìn)口空氣狀況下的熱質(zhì)交換特性，以及水與空氣的質(zhì)量流量比對(duì)該裝置熱質(zhì)交換性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)陶瓷泡沫填料

以每英寸長(zhǎng)度內(nèi)的小孔數(shù)(pores per inch，PPI)分類(lèi)，常用的陶瓷泡沫的PPI數(shù)在10～45之間［17］.本文選用30 PPI的氧化鋁(Al2O3)陶瓷泡沫塊作為蒸發(fā)冷卻器的填料，實(shí)驗(yàn)所用陶瓷泡沫填料實(shí)物及其微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示.每塊填料的底面尺寸為 0.3 m ×0.3 m，頂面尺寸為 0.275 m ×0.275 m，高度為0.05 m，孔隙率為85%.

圖1 實(shí)驗(yàn)陶瓷泡沫填料

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及系統(tǒng)工作流程

本研究搭建的陶瓷泡沫填料蒸發(fā)冷卻實(shí)驗(yàn)臺(tái)以及系統(tǒng)圖如圖2所示.實(shí)驗(yàn)裝置主要包括:1個(gè)蒸發(fā)冷卻器(長(zhǎng)×寬×高尺寸為0.5 m×0.5 m×1.6 m，里面放置泡沫陶瓷填料)，1個(gè)循環(huán)水泵，2個(gè)儲(chǔ)水桶，1個(gè)水加熱器，1個(gè)水流量計(jì)，以及相關(guān)聯(lián)的水管、閥門(mén)、過(guò)濾器等.蒸發(fā)冷卻器頂部設(shè)有一個(gè)布水槽，槽底按0.02 m×0.02 m的間隔打孔，以利于循環(huán)水的均勻下落.蒸發(fā)冷卻器四周及下部集水槽的外部貼有保溫材料，以最大限度減少其與外界之間的熱交換.蒸發(fā)冷卻器的一個(gè)側(cè)面是可拆卸的，可以在實(shí)驗(yàn)中改變陶瓷泡沫填料的層數(shù).

圖2 陶瓷泡沫填料蒸發(fā)冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作流程如下:實(shí)驗(yàn)時(shí)，開(kāi)啟閥門(mén)V5，V10～ V7，V2，關(guān)閉閥門(mén) V1，V3，V4，V6.循環(huán)泵將水從儲(chǔ)水桶1的底部抽出送至蒸發(fā)冷卻器上部，經(jīng)布水槽后均勻下落，流經(jīng)陶瓷泡沫填料時(shí)與空氣接觸，在蒸發(fā)冷卻器下部的集水槽底部匯流至儲(chǔ)水桶2;空氣從蒸發(fā)冷卻器下部側(cè)面進(jìn)口進(jìn)入，向上流過(guò)陶瓷泡沫的孔隙時(shí)與水膜發(fā)生熱質(zhì)交換，然后從上部側(cè)面出口離開(kāi)，此時(shí)水和空氣形成逆流的關(guān)系.

2 直接蒸發(fā)冷卻熱質(zhì)傳遞模型

為了得到冷卻效率和加濕量的解析解，根據(jù)空氣與水表面發(fā)生熱質(zhì)交換的基本理論［18］，針對(duì)微元填料建立數(shù)學(xué)模型.假設(shè)空氣在填料中通過(guò)距離dx時(shí)，溫度變化為dt，含濕量變化為dw，則空氣和水之間的顯熱交換量dQx為

式中，ma為空氣流量;cp，a為空氣定壓比熱;ts為空氣的濕球溫度;t為空氣的干球溫度;h為空氣和水膜的對(duì)流換熱系數(shù);α為填料的比表面積;a和b為空氣流向上填料的長(zhǎng)和寬.

潛熱交換量dQq為

式中，r為水的汽化潛熱;kw為質(zhì)傳遞系數(shù);ds為空氣在ts溫度下的飽和含濕量.

根據(jù)直接蒸發(fā)冷卻為等焓過(guò)程的特性，可得

則

基于逆流的邊界條件，對(duì)于進(jìn)口空氣而言，x=0時(shí)，t=t1;x=L時(shí)，t=t2.對(duì)方程組進(jìn)行求解，可以分別得到直接蒸發(fā)冷卻效率η和加濕量Δw的計(jì)算式為

式中，L為填料厚度;ρ為空氣密度;u為空氣流速.

3 實(shí)驗(yàn)方法及性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

為了保證蒸發(fā)冷卻器進(jìn)口空氣參數(shù)的穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)在人工環(huán)境艙中進(jìn)行.可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要調(diào)整并維持環(huán)境艙內(nèi)(即蒸發(fā)冷卻器進(jìn)口)空氣的干球溫度T1及濕球溫度T1s，其工作原理見(jiàn)圖3.蒸發(fā)冷卻器進(jìn)口配置的空氣取樣裝置1負(fù)責(zé)采集蒸發(fā)冷卻器進(jìn)口空氣干球溫度T1及濕球溫度T1s.蒸發(fā)冷卻器的出口通過(guò)保溫的風(fēng)管道與環(huán)境艙本體的進(jìn)口相連，通過(guò)引風(fēng)機(jī)帶動(dòng)環(huán)境艙內(nèi)空氣流經(jīng)蒸發(fā)冷卻器后，進(jìn)入環(huán)境艙本體進(jìn)口.此時(shí)，本體內(nèi)的空氣取樣裝置2采集的是蒸發(fā)冷卻器出口空氣參數(shù)(T2，T2s).通過(guò)改變引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率可以改變流經(jīng)蒸發(fā)冷卻器的風(fēng)量ma，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣質(zhì)量流量的調(diào)節(jié).

圖3 人工環(huán)境艙

空氣取樣裝置1內(nèi)配有2個(gè)Pt-100鉑電阻，其中一個(gè)被蒸餾水浸潤(rùn)的濕球紗布包裹，充當(dāng)濕球溫度計(jì);另一個(gè)充當(dāng)干球溫度計(jì).空氣取樣裝置2的配置和空氣取樣裝置1的完全相同.Pt-100鉑電阻的測(cè)量范圍為0～100℃，精度為0.1℃.

流過(guò)蒸發(fā)冷卻器的風(fēng)量ma可利用測(cè)得的環(huán)境艙本體內(nèi)噴嘴前后壓差和噴嘴前的壓力計(jì)算得出.測(cè)量噴嘴前后壓差的壓差變送器精度為±0.3%，測(cè)量噴嘴前壓力的壓力變送器精度為 ±0.5%.

以上所有測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀每30 s采集1次得到，最終采用的計(jì)算數(shù)據(jù)是在15 min內(nèi)穩(wěn)定工況的平均值.

通過(guò)調(diào)整水管路閥門(mén)來(lái)控制水量mw，并由流量計(jì)來(lái)測(cè)量(精度為±10 L/h);水溫Tw由溫控器和加熱器來(lái)控制.

3.2 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

1)冷卻效率η

由于蒸發(fā)冷卻器進(jìn)口空氣干球溫度T1到達(dá)出口時(shí)降為T(mén)2，且極限情況下，T2等于進(jìn)口空氣的濕球溫度T1s，所以一般采用空氣實(shí)際溫降ΔT1與最大可能溫降ΔT2的比值即冷卻效率η來(lái)衡量實(shí)驗(yàn)工況下的熱傳遞效果，其計(jì)算式為

2)加濕量Δw

空氣的含濕量w表示對(duì)應(yīng)于1 kg干空氣的濕空氣中的水分含量.本文將采用蒸發(fā)冷卻器出口空氣的含濕量w2和進(jìn)口空氣含濕量w1的差值即加濕量Δw來(lái)衡量實(shí)驗(yàn)工況下的加濕情況，其質(zhì)傳遞效果為

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 進(jìn)口空氣干球溫度T1的影響

對(duì)采用1層填料和2層填料的蒸發(fā)冷卻器的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，調(diào)整加濕量，使空氣進(jìn)入蒸發(fā)冷卻器時(shí)的濕球溫度 T1s穩(wěn)定在22.6℃，空氣流量 ma恒定為280 m3/h，水量 mw為120 L/h以保證填料表面得到充分的濕潤(rùn).選用不同進(jìn)口空氣干球溫度T1時(shí)，冷卻效率η的變化情況如圖4(a)所示.

圖4 不同進(jìn)口空氣干球溫度時(shí)的熱質(zhì)傳遞特性

在以上的實(shí)驗(yàn)條件下，采用1層陶瓷泡沫填料時(shí)冷卻效率η和加濕量Δw最高分別為58%和1.64 g/kg，2層陶瓷泡沫填料的對(duì)應(yīng)值分別為73%和2.89 g/kg.如圖4(a)所示，采用1層和2層泡沫陶瓷填料的蒸發(fā)冷卻器的冷卻效率η在進(jìn)口干球溫度T1升高時(shí)，都呈下降趨勢(shì).溫度T1從29℃上升至37℃，采用1層時(shí)η由58%降至47%，采用2層時(shí)η由73%減少為67%.這是因?yàn)殡S著T1的升高，進(jìn)口空氣干球溫度T1和濕球溫度T1s差值ΔT2變大.雖然ΔT1也變大，但沒(méi)有ΔT2變化幅度大，所以得到的冷卻效率η呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢(shì)(見(jiàn)圖4(b)).

加濕量Δw的變化如圖4(c)所示.在采用1層或者2層填料時(shí)，蒸發(fā)冷卻器的加濕量Δw都隨著進(jìn)口空氣干球溫度T1的增加而呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì).這是因?yàn)樵跐袂驕囟认嗤瑫r(shí)，干球溫度升高后，空氣中水蒸氣分壓力變小，傳質(zhì)動(dòng)力增大，有利于水面的水分蒸發(fā)進(jìn)入空氣.可以看到，當(dāng)溫度由29℃升至37℃時(shí)，采用1層和2層填料的蒸發(fā)冷卻器的加濕量Δw分別由0.36和0.89 g/kg增加到1.64 和 2.89 g/kg.

采用2層陶瓷泡沫填料總是可以獲得比1層陶瓷泡沫填料更好的蒸發(fā)冷卻效果，前者冷卻效率η平均高于后者17%左右，加濕量Δw平均多于后者約1 g/kg.顯然這是因?yàn)榍罢吆穸却笥诤笳?，可以為空氣和水提供更大的接觸面積和更長(zhǎng)的接觸時(shí)間，使水中有更多的水分蒸發(fā)至空氣流中，熱質(zhì)交換更充分.但是，采用2層填料時(shí)的冷卻效率η和加濕量Δw并沒(méi)有達(dá)到采用1層填料時(shí)的2倍，這是因?yàn)殡S著蒸發(fā)冷卻的進(jìn)行，空氣中含濕量增大，水蒸氣分壓力升高，在第2層填料中的蒸發(fā)冷卻過(guò)程中水分遷移的驅(qū)動(dòng)力低于在第1層中蒸發(fā)冷卻剛開(kāi)始發(fā)生時(shí)的驅(qū)動(dòng)力.

4.2 進(jìn)口空氣濕球溫度T1s的影響

分別對(duì)1層填料和2層填料的蒸發(fā)冷卻器的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)口空氣的干球溫度T1保持35℃不變，空氣流量 ma恒定為280 m3/h，水量mw保持為120 L/h.蒸發(fā)冷卻的冷卻效率η和加濕量Δw的變化如圖5所示.

2層陶瓷泡沫填料的進(jìn)口空氣濕球溫度為21.6℃時(shí)，冷卻效率達(dá)到了88%，空氣從蒸發(fā)冷卻器流出時(shí)，含濕量比在蒸發(fā)冷卻器進(jìn)口時(shí)增加了3.15 g/kg，獲得了非常理想的蒸發(fā)冷卻效果.與其他填料相比［7-8］，泡沫陶瓷是一種理想的蒸發(fā)冷卻填料.在進(jìn)口空氣濕球溫度為21.2℃時(shí)，1層陶瓷泡沫填料的冷卻效率η和加濕量Δw最高分別可以達(dá)到 62.7%和 2.31 g/kg.

圖5 不同空氣進(jìn)口濕球溫度T1s時(shí)的熱質(zhì)傳遞特性

對(duì)于1層或者2層填料而言，在進(jìn)口空氣濕球溫度T1s增加時(shí)，冷卻效率η和加濕量Δw都呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì).這是因?yàn)椋诟汕驕囟却_定的情況下，濕球溫度的增加必然引起空氣中水蒸氣分壓力的增加，填料上水膜表面飽和空氣的水蒸氣分壓力和過(guò)流空氣中水蒸氣分壓力之差變小，水中水分蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)力減小，導(dǎo)致熱質(zhì)傳遞效果變差.

同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)口濕球溫度從21℃左右增加到29℃左右時(shí)，采用2層陶瓷泡沫填料時(shí)的蒸發(fā)冷卻效率η和加濕量Δw仍然是高于1層的，這說(shuō)明增加填料的厚度加強(qiáng)了蒸發(fā)冷卻效果.

4.3 水和空氣質(zhì)量流量比R(mw/ma)的影響

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，蒸發(fā)冷卻器空氣進(jìn)口處的空氣干球溫度T1為35℃，濕球溫度Ts1為22.6℃，水量mw為120 L/h時(shí)，通過(guò)改變空氣流量ma來(lái)改變水和空氣的質(zhì)量流量比R.實(shí)驗(yàn)仍然分別采用1層填料和2層填料的蒸發(fā)冷卻器作為研究對(duì)象.不同R工況下，冷卻效率η和加濕量Δw的變化如圖6所示.

圖6 不同R時(shí)的熱質(zhì)傳遞特性

當(dāng)R較小，即空氣流量ma相對(duì)較大時(shí)，蒸發(fā)冷卻的冷卻效果較差，冷卻效率η和加濕量Δw都較小.在R=0.17時(shí)，1層泡沫陶瓷填料對(duì)應(yīng)的冷卻效率η和加濕量Δw分別為62%和1.78 g/kg，2層泡沫陶瓷填料對(duì)應(yīng)的冷卻效率η和加濕量Δw分別為73%和2.62 g/kg.這是因?yàn)榭諝饬髁孔兇髸r(shí)，空氣流速變大，空氣來(lái)不及和水充分地進(jìn)行熱質(zhì)交換就離開(kāi)了陶瓷泡沫填料，導(dǎo)致了η和Δw的下降.說(shuō)明在進(jìn)行蒸發(fā)冷卻實(shí)驗(yàn)時(shí)，風(fēng)量不宜選擇過(guò)大.水和空氣質(zhì)量流量比較大即空氣流量ma較小的情況下，熱質(zhì)交換條件有所改善，冷卻效率η和加濕量Δw取得了較大的值.可以看到，2層填料的熱質(zhì)傳遞效果仍然都優(yōu)于1層的.

4.4 實(shí)驗(yàn)可靠性分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的蒸發(fā)冷卻器進(jìn)、出口空氣的干、濕球溫度，計(jì)算其各自的焓值.在理想狀況下，空氣和水接觸后發(fā)生的直接蒸發(fā)冷卻過(guò)程是一個(gè)等焓的過(guò)程，蒸發(fā)冷卻器進(jìn)口和出口的空氣焓值應(yīng)該相等.為了考察本文所做實(shí)驗(yàn)的精確性，將實(shí)驗(yàn)中各種工況下，相對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)冷卻器進(jìn)、出口空氣焓值表示在圖7中加以比較.可以看出，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)的進(jìn)、出口空氣的焓值差都在10%之內(nèi)，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)裝置是可靠的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可以接受的.

5 結(jié)論

1)氧化鋁陶瓷泡沫填料的冷卻效率可以達(dá)到0.8以上，是一種性能良好的蒸發(fā)冷卻備選填料.

2)在相同實(shí)驗(yàn)條件下，2層陶瓷泡沫的熱質(zhì)傳遞效果優(yōu)于1層，前者的冷卻效率、加濕量都高于后者.

3)進(jìn)口干球溫度升高時(shí)，陶瓷泡沫冷卻效率逐漸減小，加濕量逐漸增加.濕球溫度或者空氣流量的增加，對(duì)熱質(zhì)交換的進(jìn)行起著反作用.

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