立管式間接蒸發(fā)冷卻器實驗初探

宋祥龍 黃翔 李鑫 張璐瑤 邱佳

西安工程大學環(huán)境與化學工程學院

立管式間接蒸發(fā)冷卻器實驗初探

宋祥龍 黃翔 李鑫 張璐瑤 邱佳

西安工程大學環(huán)境與化學工程學院

利用現(xiàn)有的臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器搭建了模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器實驗臺，并進行相關測試，在標準實驗工況下，該模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器最大溫降9.2℃，最高換熱效率62.4%，最佳一次空氣流量為2000～2500m3/h，最佳二次/一次風量比為0.7，最佳淋水密度1197kg/(m·h)。與臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器性能進行對比，該模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器換熱效率略低，二次空氣側阻力較大?？偨Y出實際的立管式間接蒸發(fā)冷卻器應設計為大管徑、圓形換熱管，布水方式采用管內直接布水。

立管式間接蒸發(fā)冷卻器 臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器 換熱效率 二次/一次風量比 淋水密度 阻力

近年來，管式間接蒸發(fā)冷卻技術日益成熟，其產品憑借著換熱效率穩(wěn)定，空氣流動阻力小，成本低及加工工藝簡單等優(yōu)勢，在實際工程中得到廣泛應用[1]。但在風沙嚴重的地區(qū)以及含塵濃度較高的部分工藝車間，空氣品質較差，在使用管式間接蒸發(fā)冷卻器一段時間后，易發(fā)生換熱管內壁結垢甚至堵塞現(xiàn)象，降低冷卻器換熱效率，縮短使用壽命。而立管式間接蒸發(fā)冷卻器，一次空氣流經換熱管外側，二次空氣與循環(huán)水流經換熱管內，由于管外較寬的空氣流道以及管內循環(huán)水的自沖刷作用，換熱器的堵塞問題大大緩解，同時采用立管式可縮小間接蒸發(fā)冷卻器在水平方向尺寸，減小機組占地面積，因此對立管式間接蒸發(fā)冷卻器的實驗研究具有重要的理論與現(xiàn)實意義。為初步探索立管式間接蒸發(fā)冷卻器的降溫效果，并為今后的設計提供參考依據(jù)，筆者利用現(xiàn)有的臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器搭建了模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器實驗臺，并進行了相關的實驗測試。

1 模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器實驗臺

該模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器實驗臺采用的換熱器為現(xiàn)有的額定風量為3000m3/h的臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器，實物如圖1，外形尺寸長×寬×高為：350mm×690mm×1000mm，換熱管為橢圓管，長軸25mm、短軸20mm，共226根，管長1m，管材為金屬鋁箔[2]。為使換熱管內壁形成均勻的貼附水膜[3]，實驗中將換熱管內原有的螺旋擾流線抽出。

圖1 模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器

實驗臺采用單風機壓入式，其結構示意如圖2，室外空氣經壓入式送風機進入進風管，并分為兩部分，一部分作為一次空氣流經換熱管外側，另一部分作為二次空氣進入換熱管內側。實驗臺實物如圖3。

圖2 模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器實驗臺結構示意圖

圖3 模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器實驗臺實物圖

本次實驗的地點為陜西咸陽，測試時間為9月。實驗采用全新風，共布置六個測點：①風機后；②循環(huán)水箱；③模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器二次空氣進口；④模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器二次空氣出口；⑤一次空氣送風管；⑥二次空氣送風管。通過測量空氣的溫度、相對濕度、循環(huán)水水溫以及風壓，得出模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器換熱效率、空氣阻力。實驗測試儀器如表1所示。

表1 實驗測試儀器及測量內容

與板翅式、管式間接蒸發(fā)冷卻器的性能評價相同，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器的換熱效率[4]為：

式中：tg1為空氣進口干球溫度，℃；tg2為空氣出口干球溫度，℃；ts1為空氣進口濕球溫度，℃。

調節(jié)一、二次空氣調節(jié)閥的開度以及風機頻率，測量在不同風量下立管式間接蒸發(fā)冷卻器的換熱效率，得出實驗工況下最佳系能參數(shù)。

2 實驗結果及分析

2.1 最佳一次空氣流量測試

測試過程中，空氣進口干球溫度變化范圍32.0～ 35.0℃、濕球溫度變化范圍21～22.2℃，屬干燥地區(qū)工況。當二次/一次風量比β分別為0.5，0.7，1，1.2，1.5時，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器換熱效率隨一次空氣流量的變化關系如圖4所示。

圖4 換熱效率隨一次空氣流量的變化關系

從圖4可以看出，在不同的二次/一次風量比下，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器的換熱效率隨著一次空氣流量的增加均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。當一次空氣流量較小時，風速較低，貼近換熱管的部分一次空氣包覆在換熱管外壁形成穩(wěn)定的層流區(qū)甚至滯留區(qū)，影響外側空氣與換熱管的熱量交換；當一次空氣流量較大時，風速較高，空氣與換熱管接觸時間較短，換熱不充分。因此模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器存在最佳一次空氣流量，由圖4可得，在實驗工況下，最佳一次空氣流量集中在2000～2500m3/h之間，略低于臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器的的額定風量3000m3/h。當二次/一次風量比為1.5、一次空氣流量為2000 m3/h時，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器換熱效率達到最高的62.4%，此時溫降7.1℃。由于進風參數(shù)的波動性，當二次/一次風量比為1.0、一次空氣流量為2500m3/h時，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器溫降最大，達9.2℃，此時換熱效率為61.2%。

2.2 最佳二次/一次風量比測試

根據(jù)得出的最佳一次空氣流量范圍，實驗測試一次空氣流量為2000m3/h、2500m3/h、3000m3/h時，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器的換熱效率隨二次/一次風量比β的變化關系，如圖5所示。

圖5 換熱效率隨二次/一次風量比β的變化關系

由圖5可以看出，在不同的一次空氣流量下，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器換熱效率隨二次/一次風量比β的增大而升高，并最終趨于平緩。當β值較小時，二次空氣流量較小，與管內壁貼附的循環(huán)水膜熱濕交換不充分，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器換熱效率較低，隨著二次空氣流量的增大，換熱效率不斷升高，當二次空氣流量過大時，由于風速過高，造成嚴重的排風帶水現(xiàn)象，管內壁無法形成均勻的貼附水膜，影響實驗的進行[5]。因此，基于本次實驗的測試范圍內，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器換熱效率隨二次/一次風量比β的增大而升高，當β值大于0.7時，效率增加緩慢，并最終趨于平緩，因此考慮經濟因素，該模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器最佳二次/一次風量比為0.7，與臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器的測試結果相同[6]。

2.3 最佳淋水密度測試

模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器，循環(huán)水貼附在換熱管內壁與二次空氣進行熱濕交換降溫，淋水密度的不同直接影響間接蒸發(fā)冷卻器的換熱效率。因此本實驗對該模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器的最佳淋水密度進行測試，測試過程中將一次空氣調節(jié)閥關閉，使二次空氣與循環(huán)水在換熱管內接觸進行直接蒸發(fā)冷卻，通過計算出的直接蒸發(fā)效率來間接尋求模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器的最佳淋水密度。

圖6 換熱管內直接蒸發(fā)冷卻效率隨淋水密度的變化關系

根據(jù)得出最佳一次空氣流量及最佳二次/一次風量比，實驗選取兩組二次空氣流量2000m3/h、2500m3/h及五組淋水密度706kg/(m·h)、1009kg/(m·h)、1197kg/ (m·h)、1609kg/(m·h)、2057kg/(m·h)、2637kg/(m·h)，共十種工況，換熱管內直接蒸發(fā)冷卻效率隨淋水密度的變化關系如圖6。

從圖6可以看出，隨著淋水密度的增大，直接蒸發(fā)冷卻效率先升高而后趨于平緩。當淋水密度較小時，水量不足，換熱管內壁存在“干斑”，效率較低。隨著淋水密度增大，直接蒸發(fā)冷卻效率逐漸升高，當管內壁形成均勻的貼附水膜時，繼續(xù)增大淋水密度，直接蒸發(fā)冷卻效率并無明顯改善[7]。因此本著節(jié)水、減小空氣阻力的原則，當換熱管內壁形成均勻貼附水膜時對應的淋水密度即為該模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器的最佳淋水密度，由圖6可得，在實驗工況下，該模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器最佳淋水密度為1197kg/(m·h)。

2.4 阻力測試

當風量為2000m3/h、2500m3/h、3000m3/h時，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器管外一次空氣流道及管內二次空氣流道的阻力如表2所示，其中二次空氣流道阻力測試過程中淋水密度為1714kg/(m·h)。

表2 不同風量下立管式間接蒸發(fā)冷卻器空氣流道阻力

一次空氣流經管外，流道較寬且空氣流程較短，僅350mm，因此模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器一次空氣流道阻力較小，在測試風量范圍內不超過25Pa。二次空氣流經管內，由于管徑較小，管型為橢圓管且管內噴淋循環(huán)水，因此二次空氣流道阻力較大，在實驗測試工況下，二次空氣流量為3000m3/h時空氣阻力達565Pa，遠超過同等風量下臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器管內空氣阻力154Pa[8]。

2.5 與臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器性能對比

實驗中采用的模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器，在近似相同的進風參數(shù)下，其降溫性能與作為臥式使用的降溫性能對比如表3所示[9]。

由表3可以看出，在相同進風參數(shù)、相同二次/一次風量比下，該模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器空氣處理溫降、換熱效率均略低于其作為臥式使用的效果，因此實際的立管式間接蒸發(fā)冷卻器應根據(jù)其換熱機理進行相應的結構尺寸設計。

表3 立式使用與臥式使用降溫效果對比

3 結論

1）為探索立管式間接蒸發(fā)冷卻器降溫潛力，利用現(xiàn)有臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器搭建了模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器實驗臺。經測試，在干燥地區(qū)氣象參數(shù)下，該模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器具有良好的降溫性能，最大溫降9.2℃，最高換熱效率62.4%；最佳一次空氣流量在2000～2500m3/h之間；最佳二次/一次風量比為0.7，最佳淋水密度1197kg/(m·h)。

2）相同的間接蒸發(fā)冷卻器，通過其作為立式使用與臥式使用時的降溫性能對比可得，兩者最佳二次/一次風量比相同，但其作為立管式間接蒸發(fā)冷卻器使用時，降溫換熱系能略低，最佳一次空氣流量較小，管內空氣阻力較大。

3）鑒于實驗使用的模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器為臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器，換熱管管徑較小，管型為異型管（橢圓管），因此空氣阻力較大，管內壁無法形成均勻的貼附水膜，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器的換熱性能略低。今后在實際的立管式間接蒸發(fā)冷卻器設計中建議為大管徑，圓形換熱管，并采用管內直接布水方式?？傊?，在本實驗所測換熱效果的基礎上，可以預測，實際的立管式間接蒸發(fā)冷卻器將具有更好的降溫效果和更小的水平尺寸，彌補間接蒸發(fā)冷卻器在使用中存在的易堵、占地面積大等不足，這將在后續(xù)的研究中進一步通過實驗來加以驗證。

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The Pre lim ina ry Expe rim e nta l Study on Ve rtic a l Tube-Type Indire c t Eva pora tive Coole r

SONG Xiang-long,HUANG Xiang,LI Xin,ZHANG Lu-yao,QIU Jia
College of Environmental and Chemical Engineering,Xi’an Polytechnic University

Using the horizontal tubular indirect evaporative cooler to set up vertical tube-type indirect evaporative cooler test bench,it is concluded that the vertical tube-type cooler can reduce the temperature about 9.2℃with 62.4% efficiency.The best product air flow is 2000～2500m3/h,and the best working/product air ratio is 0.7,and the best water pouring density is 1197kg/(m·h).By comparing with horizontal tubular cooler,the vertical tubular cooler has a lower efficiency and a higher air resistance,and the real vertical tubular indirect evaporative cooler should have a rounded, heavy caliber heat exchanger tube,spray water in the tube directly.

vertical tube-type indirect evaporative cooler,heat exchange efficiency,working/product air flow ratio, optimal spraying consistency

1003-0344（2015）03-052-4

2013-12-17

宋祥龍（1989～），男，碩士研究生；陜西省西安市金花南路19號西安工程大學（710048）；E-mail:lelexianglong@163.com

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目（2011KTCQ01-10）