露點間接蒸發(fā)冷卻器換熱效能理論與性能實驗對比

褚俊杰， 黃 翔， 孫鐵柱

(西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)建筑、公共建筑與居住建筑中，在紡織空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用案例也越來越多，越來越受到人們的關(guān)注。其中間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)是研究蒸發(fā)冷卻技術(shù)的關(guān)鍵，2003年Valeriy等[1]提出一種新的間接蒸發(fā)冷卻熱力循環(huán)形式(M-循環(huán),國內(nèi)學(xué)者大都稱之為露點間接蒸發(fā)冷卻技術(shù))。露點間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)可得到逼近入口空氣露點溫度的產(chǎn)出空氣或冷水。由于露點間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的優(yōu)勢明顯，近年來國內(nèi)外學(xué)者針對露點間接蒸發(fā)冷卻器數(shù)學(xué)模型、數(shù)值模擬、實驗分析、親水性材料等進行了大量的研究。

從理論與數(shù)值方面，主要是利用數(shù)學(xué)的方法模擬發(fā)生在露點間接蒸發(fā)冷卻器中的傳熱傳質(zhì)過程、水膜的狀態(tài)變化，再通過模擬的結(jié)果優(yōu)化冷卻器的幾何形狀與尺寸。Anisimov 等[2]和Pandelidis等[3-4]針對露點冷卻器開發(fā)了二維熱質(zhì)傳遞模型，使用基于修改的效能-傳熱單元數(shù)法(ε-NTU)對露點間接蒸發(fā)冷卻的傳熱過程進行計算。Zhan 等[5-6]對叉流式露點冷卻器的熱性能進行了數(shù)值分析，使用有限元方法建立產(chǎn)出空氣和工作空氣之間熱質(zhì)傳遞的耦合控制方程。Duan[7]對一種三角形通道的逆流式露點冷卻器進行了數(shù)值模擬研究。隨著研究的深入，相關(guān)數(shù)學(xué)模型的建立也是越來越完善，其數(shù)值模擬計算結(jié)果也已與實驗結(jié)果得到較好的吻合。

在實驗分析方面，主要針對露點冷卻器的冷卻效率、產(chǎn)生冷量、溫降潛力等進行了研究。Zhan等[5-6]在相同的幾何尺寸和運行條件下對叉流換熱器和逆流換熱器進行了實驗，其中叉流式露點冷卻器的濕球效率為116%，逆流式露點冷卻器的露點效率為80%～90%。Duan[7]設(shè)計開發(fā)了一種逆流式露點冷卻器，在不同的運行條件下測試了該逆流式露點冷卻器進、出口和排氣口的溫度，濕度和流量，實驗結(jié)果表明，該露點冷卻器的濕球效率在0.55～1.06之間，能效比在2.8～15.5之間。Xu 等[10-11]開發(fā)了一種超高能效的逆流式露點冷卻器，在標(biāo)準(zhǔn)干燥測試條件下，即干球溫度為37.8 ℃，濕球溫度為21.1 ℃時，該冷卻器的濕球效率達到114%，露點效率達到75%，在工作空氣與全部空氣的體積比處于最佳比例(0.364)時，該露點冷卻器的能效比最高可達52.5。王玉剛[12]設(shè)計開了一種新型的叉流式露點冷卻器，并且在8種不同城市氣候條件下通過實驗?zāi)M的方法進行了研究。其中在一次風(fēng)量為150 m3/h的條件下，濕球效率在80%～99%之間，露點效率在50%～75%之間，制冷量在0.27～0.71 kW之間；在一次風(fēng)量為1 500 m3/h的條件下，濕球效率在39%～47%之間，露點效率在25%～32%之間，制冷量在1.2～3.3 kW之間；數(shù)據(jù)表明，露點間接蒸發(fā)冷卻器的冷卻效率對比傳統(tǒng)的間接蒸發(fā)冷卻器冷卻效率、溫降幅度等都有著較大的提升。

露點間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在國外已經(jīng)有較多的應(yīng)用案例；但是在國內(nèi)針對露點間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的研究應(yīng)用尚處于起步階段，而且不同的環(huán)境實驗條件對露點冷卻器的制冷性能影響較大，因此，本文針對露點間接蒸發(fā)冷卻器的換熱微元體進行數(shù)學(xué)建模，對其傳熱傳質(zhì)的特點進行對比分析。在相同或相似的實驗條件下，對3種露點冷卻器的性能進行實驗分析與對比，以期拓展蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 傳熱傳質(zhì)分析

根據(jù)流道換熱形式的不同，露點間接蒸發(fā)冷卻器往往分為叉流式與逆流式。

1.1 叉流式

圖1為叉流式露點間接蒸發(fā)冷卻換熱微元體示意圖。在叉流式露點間接蒸發(fā)冷卻器中，所有的空氣先進入干通道內(nèi)，部分冷卻以后，部分空氣進入相鄰的濕通道作為二次空氣使用，從濕表面帶走蒸發(fā)的水以及換熱壁板傳遞的顯熱。而其余的空氣在干通道內(nèi)持續(xù)前進，逐步等濕冷卻使其接近露點溫度。在叉流式露點間接蒸發(fā)冷卻傳熱傳質(zhì)微元體中，假設(shè)水膜溫度是恒定的。微元體由干濕通道、換熱壁板等組成，干通道側(cè)產(chǎn)出空氣能量平衡關(guān)系式為

dQg=hg(tg-tw)dA

式中：Qg為干通道內(nèi)換熱量，kW；A為換熱壁板面積，m2；tg為干通道側(cè)空氣溫度，℃；tw為水膜溫度，℃；hg為干通道側(cè)對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

1—干通道；2—微元體；3—濕通道1；4—濕通道2；5—濕通道3；6—濕通道4；7—濕通道n；8—水膜；9—壁板；10—干通道；11—濕通道。圖1 叉流式露點間接蒸發(fā)冷卻換熱微元體示意圖Fig.1 Schematic diagram of cross-flow dew point indirect evaporative cooling heat-exchange micro-body.(a) Schematic; (b) Micro-body

濕通道側(cè)工作空氣與水膜能量平衡關(guān)系式為

式中：Qs為濕通道內(nèi)換熱量，kW；mw為水膜傳質(zhì)速率，kg/s；dx為微元體x方向長度，mm；hs為濕通道側(cè)對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；ts為濕通道側(cè)空氣溫度，℃；rw為水蒸氣汽化潛熱，J/kg；hm為對流傳質(zhì)系數(shù)，m/s；ρw為水膜密度，kg/m3；ρs為濕空氣密度，kg/m3；ls為濕通道長度，mm；is為濕空氣焓值,J/kg。

濕通道側(cè)質(zhì)量平衡關(guān)系式為

式中：lw水膜長度，mm；Aw為水膜面積m2；ms為傳質(zhì)速率，kg/s；ws為工作空氣含濕量，kg/kg。叉流式換熱過程是干通道內(nèi)的產(chǎn)出空氣分別于1～n個溫度不同(逐漸減小)的濕通道內(nèi)的工作空氣進行傳熱傳質(zhì)的過程，以達到對產(chǎn)出空氣逐步等濕冷卻的目的。

1.2 逆流式

圖2為逆流式露點間接蒸發(fā)冷卻換熱微元體示意圖。在逆流式露點冷卻器中，所用空氣同時進入干通道，向相鄰的濕通道散熱。在冷卻器的末端，一部分空氣作為產(chǎn)出空氣，其余空氣進入濕通道內(nèi)，沿途折返作為工作空氣使用。在逆流式露點間接蒸發(fā)冷卻傳熱傳質(zhì)微元體中，則需要考慮水膜溫度的變化。微元體由干濕通道、換熱壁板等組成，干通道側(cè)產(chǎn)出空氣能量平衡關(guān)系式為

dQg=hg(tg-tw)dA

1—干通道；2—濕通道；3—微元體；4—水膜；5—壁板；6—干通道；7—濕通道。圖2 逆流式露點間接蒸發(fā)冷卻換熱微元體示意圖Fig.2 Schematic diagram of countercurrent dew point indirect evaporative cooling heat exchanger micro-body. (a)Schematic；(b)Micro-body

濕通道側(cè)工作空氣與水膜能量平衡關(guān)系式為

濕通道側(cè)工作空氣與水膜質(zhì)量平衡關(guān)系式為

dmw=-msdws

逆流換熱過程是流向相反的工作空氣和產(chǎn)出空氣分別在濕通道和干通道進行充分的傳熱傳質(zhì)過程。

2 露點冷卻器結(jié)構(gòu)形式

3種露點冷卻器中，復(fù)合式與交叉式露點冷卻器的流道形式都屬于叉流式。

2.1 復(fù)合式露點冷卻器結(jié)構(gòu)形式

圖3為復(fù)合式露點間接蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)圖?？諝馐紫冗M入芯體的干通道，同時一部分被冷卻后的氣流通過孔口進入另一側(cè)的濕通道。濕通道中空氣和噴淋水在水蒸氣分壓力差的驅(qū)動下，進行熱濕交換。不同的孔口進入不同狀態(tài)的空氣，能量得到了梯級利用，使得干通道側(cè)的空氣濕球溫度不斷降低。余下的沒有通過孔口的空氣溫度被降低，作為產(chǎn)出氣流，繼續(xù)沿著芯體流道向前運動，由于芯體末端密封，這部分空氣最終全部通過孔口進入濕通道，再與噴淋水進行熱濕交換，溫度進一步降低。產(chǎn)出空氣經(jīng)過多級間接蒸發(fā)冷卻過程被等濕冷卻以后，最終產(chǎn)出空氣全部通過孔口，又經(jīng)過等焓加濕過程，被送入需要的空間內(nèi)。

1—干通道；2—濕通道；3—干通道；4—擋板；5—產(chǎn)出空氣；6—工作空氣。圖3 復(fù)合式露點間接蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of composite dew point indirect evaporative cooler

復(fù)合式露點冷卻器對空氣的處理實際上是一個間接蒸發(fā)冷卻加上直接蒸發(fā)冷卻的過程，產(chǎn)出的空氣是被加濕冷卻后的空氣。

2.2 交叉式露點冷卻器結(jié)構(gòu)形式

圖4示出交叉式露點冷卻器的結(jié)構(gòu)形式。空氣進入冷卻器后被分為2部分：首先下部分的空氣全部被帶到干通道，穿過小孔，作為工作空氣被逐漸轉(zhuǎn)移到濕通道內(nèi)，由于這部分空氣是逐漸被冷卻以后再進入濕通道的，因此濕通道內(nèi)的工作空氣溫度是逐步降低的；而上部分的空氣進入干通道內(nèi)作為產(chǎn)出空氣，與低溫高濕的新風(fēng)進行間接熱交換，產(chǎn)出空氣沿著流動路徑被逐漸等濕冷卻，經(jīng)過多級間接蒸發(fā)冷卻過程直至接近露點溫度，最終被送入所需要的空間內(nèi)。

1—干通道；2—濕通道；3—干通道；4—擋板；5—產(chǎn)出空氣；6—工作空氣。圖4 交叉式露點間接蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of cross dew point indirect evaporative cooler

2.3 逆流式露點冷卻器結(jié)構(gòu)形式

逆流式露點間接蒸發(fā)冷卻器的結(jié)構(gòu)如圖5所示，空氣首先進入干通道內(nèi)，向鄰近的濕通道內(nèi)散熱，空氣被充分的冷卻。在干通道的末端，一部分空氣(產(chǎn)出空氣)被送至所需要的空間，充分冷卻后的余下的空氣(工作空氣)通過小孔進入相鄰的濕通道內(nèi)，濕通道內(nèi)氣流流向與干通道內(nèi)氣流流向相反。逆流式露點冷卻器具有2個顯著優(yōu)點：被完全冷卻后的工作空氣被引入濕通道內(nèi)，提高了干濕通道內(nèi)的換熱溫差；同時逆流換熱形式增強了干濕通道內(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5 逆流式露點間接蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of countercurrent dew point indirect evaporative cooler

2.4 結(jié)構(gòu)特點與參數(shù)

表1、2分別示出3種露點間接蒸發(fā)冷卻器的結(jié)構(gòu)特點和參數(shù)。

表1 3種露點間接蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)特點Tab.1 Structural features of three dew point indirect evaporative coolers

露點間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體 “流量/體積”值ξ是設(shè)計露點換熱芯體的重要參數(shù)指標(biāo)，計算公式為

式中：LZ為換熱芯體處理空氣總流量，m3/h；V為露點換熱芯體的體積，m3。

表2 3種露點間接蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of three dew point indirect evaporative cooler

經(jīng)計算得出復(fù)合式、交叉式、逆流式這3種露點換熱芯體的ξ值分別為2.025、2.143、2.058。由此可見，這3種露點換熱芯體雖然形狀、體積大不相同，但是它們的ξ值幾乎是一致的。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 評價指標(biāo)

冷卻效率是在蒸發(fā)冷卻器性能評價的重要標(biāo)準(zhǔn)，而露點間接蒸發(fā)冷卻器往往能將空氣等濕冷卻到入口空氣濕球溫度以下，其中冷卻效率包括濕球效率(ηwb)和露點效率(ηdp)，其公式為：

式中：tdb1為入口空氣的干球溫度，℃；tdb2為出口空氣的干球溫度，℃；twb1為出口空氣的濕球溫度，℃；tdp1為出口空氣的露點溫度，℃。

除了冷卻效率以外，冷卻器制冷量(Q)和冷卻器能效比Ree也是評價蒸發(fā)冷卻器性能的重要指標(biāo)參數(shù)，計算公式為：

式中：cp,a為空氣定壓比熱容，kJ/(kg·K)；V為出口空氣的體積流量，m3/h；ρa為出口空氣的密度，kg/m3；P為冷卻器電功率，kW。

3.2 復(fù)合式露點冷卻器

對于復(fù)合式露點冷卻器單個模塊測試無法進行，本文示出了復(fù)合式露點間接蒸發(fā)冷卻器在干燥地區(qū)(甘肅敦煌)實際使用中的測試結(jié)果。機組額定送風(fēng)風(fēng)量為1 000 m3/h，實際送風(fēng)量為10 245 m3/h,排風(fēng)量為4 428 m3/h，間接蒸發(fā)冷卻段中包括4個復(fù)合式間接蒸發(fā)冷卻芯體，平均每個復(fù)合式模塊處理風(fēng)量為3 668 m3/h。在機組進風(fēng)干球溫度為25 ℃左右，進風(fēng)濕球溫度為15 ℃左右的條件下，該機組出風(fēng)干球溫度在14 ℃左右，機組濕球效率在100%～115%之間。機組出風(fēng)的干球溫度均在環(huán)境的濕球溫度以下，即突破濕球溫度，達到亞濕球溫度[13]。機組制冷量為40.57 kW，在輸入功率為7.5 kW的條件下，冷卻器能效比為5.41，結(jié)果如圖6所示。

圖6 復(fù)合式露點間接蒸發(fā)冷卻器測試數(shù)據(jù)Fig.6 Test data of combined dew point indirect evaporative cooler. (a) Cooling efficiency; (b) Wet and dry bulb temperature drop

從溫降幅度方面分析，復(fù)合式露點冷卻器進出風(fēng)干球溫降幅度在10～12.5 ℃之間，而冷卻器進出風(fēng)濕球溫降僅為2～2.5 ℃。對濕球溫度的降低能力往往更能反映出間接蒸發(fā)冷卻性能的優(yōu)劣。復(fù)合式露點芯體內(nèi)完成的是間接和直接蒸發(fā)冷卻2個空氣處理過程。濕球溫度降幅較小說明，芯體內(nèi)部間接蒸發(fā)冷卻過程并沒有充分地完成，出風(fēng)即被噴淋加濕，進入直接蒸發(fā)冷卻過程。

3.3 交叉式露點冷卻器

針對交叉式露點冷卻器，在焓差實驗室內(nèi)模擬了3種環(huán)境工況進行測試，交叉式露點冷卻器出風(fēng)為1 526.7 m3/h，每次噴淋8 s停止1 min，在濕通道側(cè)完全潤濕以后記錄測試數(shù)據(jù)，如表3所示。

圖7示出交叉式露點間接蒸發(fā)冷卻器測試數(shù)據(jù)。

表3 焓差實驗室內(nèi)模擬工況(第1組實驗)Tab.3 Simulation conditions of enthalpy difference laboratory (experiment I) ℃

可以看出，交叉式露點冷卻器進風(fēng)干球溫度在28～38 ℃之間，出風(fēng)干球溫度在20～23 ℃之間，冷卻器濕球效率在88%～108%之間，露點效率在58%～75%之間。隨著環(huán)境干濕球溫差的增大，冷卻器的濕球效率逐步提高，在模擬標(biāo)準(zhǔn)干燥工況(干球溫度為38 ℃，濕球溫度為23 ℃)條件下，冷卻器出風(fēng)溫度為23.2 ℃，進出風(fēng)干球溫降為15 ℃，此時濕球效率最高為107%。此時交叉式冷卻器制冷量為7.74 kW，消耗電功率為0.9 kW，能效比在8.6左右。

圖7 交叉式露點間接蒸發(fā)冷卻器測試數(shù)據(jù)Fig.7 Test data of cross dew point indirect evaporative cooler. (a) Cooling efficiency; (b) Wet and dry bulb temperature drop

圖8 逆流式露點間接蒸發(fā)冷卻器測試數(shù)據(jù)Fig.8 Test data of countercurrent dew point indirect evaporative cooler. (a) Cooling efficiency; (b) Wet and dry bulb temperature drop

在溫降幅度方面，如圖7(b)所示，交叉式露點冷卻器進出風(fēng)干球溫降幅度在8～15 ℃之間，而冷卻器進出風(fēng)濕球溫降在3～5.5 ℃之間。隨著進風(fēng)越來越干燥，冷卻器的降溫能力越來越強。在標(biāo)準(zhǔn)干燥工況條件下，冷卻器進出風(fēng)濕球溫降最高可達5.5 ℃。

3.4 逆流式露點冷卻器

針對逆流式露點冷卻器，在焓差實驗室內(nèi)模擬了5種環(huán)境工況條件進行測試，結(jié)果如表4所示。在空氣流量比為1.1時，逆流式露點冷卻器工作空氣風(fēng)量600 m3/h,產(chǎn)出空氣風(fēng)量550 m3/h，測試結(jié)果如圖8(a)所示。

表4 焓差實驗室內(nèi)模擬工況(第2組實驗)Tab.4 Simulation conditions of enthalpy difference laboratory (experiment II) ℃

隨著進風(fēng)干球溫度的升高，冷卻器的濕球效率始終保持在95%～100%，露點效率保持在55%～85%的較高水平，由于冷卻器的濕球效率在100%左右，因此出風(fēng)的干球溫度與進風(fēng)的濕球溫度的變化基本保持一致。在模擬標(biāo)準(zhǔn)干燥工況(干球溫度為38 ℃，濕球溫度為23 ℃)時，該冷卻器進風(fēng)干球溫度為38.9 ℃，濕球溫度為24.5 ℃，冷卻器出風(fēng)溫度為23.7 ℃，進出風(fēng)干球溫降為15.2 ℃，濕球效率最高為105.6%。此時逆流式冷卻器制冷量為2.83 kW，消耗電功率為0.24 kW，能效比在11.78左右。在溫降幅度方面，如圖8(b)所示，逆流式露點冷卻器進出風(fēng)干球溫降幅度在9～15.2 ℃之間，而冷卻器進出風(fēng)濕球溫降在4～5.5 ℃之間。在模擬標(biāo)準(zhǔn)干燥工況條件和烏魯木齊工況條件下，冷卻器進出風(fēng)濕球溫降最高可達到5 ℃左右。此時該逆流式冷卻器的溫降能力得到充分的體現(xiàn)。

3.5 露點冷卻器性能對比分析

圖9示出3種露點冷卻器性能數(shù)據(jù)對比分析。可知，復(fù)合式露點冷卻器在送風(fēng)氣流量為10 000 m3/h，干燥氣候條件下的濕球效率達到110%，露點效率達到75%左右。對于交叉式露點冷卻器，在標(biāo)準(zhǔn)干燥工況條件(干球溫度為38 ℃，濕球溫度為23 ℃)下，濕球效率達到100%左右，露點效率達到70%左右。而逆流式露點冷卻器在同樣標(biāo)準(zhǔn)干燥工況條件下濕球效率為105.6%，露點效率為76%左右。在冷卻效率方面，由于復(fù)合式芯體為間接蒸發(fā)冷卻和直接蒸發(fā)冷卻的處理過程，其冷卻效率比交叉式芯體和逆流式芯體都有大幅提升，但是在冷卻器能效比和溫降幅度方面，交叉式芯體和逆流式芯體測試效果更好。

圖9 3種露點冷卻器性能數(shù)據(jù)對比Fig.9 Comparison of performance data of three dew point coolers. (a)Comparison of cooling efficiency; (b)Comparison of energy effciency ratio and temperature drop rate

4 結(jié) 論

本文針對復(fù)合式、交叉式、逆流式3種不同的露點冷卻器的技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)形式、傳熱傳質(zhì)特點進行對比分析；同時針對這3種不同的露點冷卻器，在實驗室模擬工況或者實際應(yīng)用的條件下對其濕球效率、露點效率、溫降幅度、制冷量等進行實驗，得到如下結(jié)論。

1)復(fù)合式露點冷卻器濕球效率在100%～115%之間，整體上要高于交叉式露點冷卻器和逆流式露點冷卻器。這主要是由于復(fù)合式露點冷卻器的出風(fēng)被噴淋加濕造成的。

2)交叉式露點冷卻器進出風(fēng)濕球溫降在3～5.5 ℃之間，標(biāo)準(zhǔn)干燥條件下，進出風(fēng)平均干球溫降在15 ℃左右。逆流式露點冷卻器的進出風(fēng)濕球溫降在4～5.5 ℃之間，同樣在標(biāo)準(zhǔn)干燥條件下，進出風(fēng)平均干球溫降在15.2 ℃左右，均明顯高于復(fù)合式露點冷卻器。

3)3種露點冷卻器的濕球效率均可突破100%。產(chǎn)出空氣的干球溫度達到進口空氣的濕球溫度與露點溫度之間，即達到亞濕球溫度。其中，產(chǎn)出空氣在交叉式露點冷卻器和逆流式露點冷卻器的干通道內(nèi)只會被等濕冷卻而不會被加濕，因此極大拓展了蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

4)在干燥工況條件下，交叉式露點冷卻器和逆流式露點冷卻器的性能達到了一個最高的水準(zhǔn)，更加驗證了露點間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在我國西北干燥地區(qū)應(yīng)用的巨大優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景。

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