露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器中布水與存水的試驗(yàn)研究

賀紅霞，黃 翔，張 鴻，孫鐵柱，羅 絨

(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)

0 引 言

露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)相對(duì)普通的間接蒸發(fā)冷卻可以產(chǎn)出更低溫度的冷風(fēng)和冷水,且產(chǎn)出的空氣不被加濕,被廣泛應(yīng)用到制冷空調(diào)設(shè)備當(dāng)中[1-2]。提高露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的性能可從流道結(jié)構(gòu)、芯體材料和布水形式等3個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。流道結(jié)構(gòu)方面有叉流式[3]、復(fù)合式[4]、逆流式[5]等多種形式的露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用。芯體材料方面已有對(duì)不同種類材料的親水性[6]、吸濕放濕性[7]、芯吸高度[8]等對(duì)比研究。不過(guò)，露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器中不同布水形式的研究較少。布水形式?jīng)Q定了露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的布水均勻性。恰當(dāng)?shù)牟妓绞浇Y(jié)合材料的存水能力,不僅可以更好地潤(rùn)濕冷卻器的芯體材料,使水滴與材料充分接觸,提高冷卻器的熱濕交換效率,還能減少冷卻器的耗水量,降低布水系統(tǒng)的能耗。

黃翔[9]、樊麗娟[10]在間接蒸發(fā)冷卻器的噴淋布水器下加裝二次布水網(wǎng)格,提高布水均勻性,此時(shí)換熱效率提高5%～10%;在換熱器管外包覆吸水性滌綸針織材料或者包覆親水膜,換熱效率提高5%～8%。王灃浩等[11]對(duì)有高親水、儲(chǔ)水特性的多孔陶瓷間接蒸發(fā)冷卻器的噴淋間歇供水及布水能耗進(jìn)行試驗(yàn),150 L/h流速噴淋5 min停100 min 時(shí), 水泵優(yōu)化間歇運(yùn)行效果最好, 水泵能耗僅為優(yōu)化前的5%。Duan[12]對(duì)一種芯體材料為纖維板和鋁箔熱壓而成的露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的布水形式進(jìn)行優(yōu)化, 采用梳齒式深入布水器以達(dá)到充分潤(rùn)濕纖維材料的目的,提高換熱效率。 本文對(duì)不同噴嘴噴淋布水的均勻性及陶瓷管采用軟管布水的存水情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以期對(duì)之后布水的研究有所參考。

1 布水形式

制冷設(shè)備中應(yīng)用的布水形式多種多樣,有噴淋布水、滴淋布水、布水縫布水、旋轉(zhuǎn)布水、軟管布水、深入式布水等。噴淋布水應(yīng)用較為普遍,是將不同的排管布置方式與不同類型的噴嘴相組合,以適應(yīng)制冷設(shè)備的尺寸大小、形狀及功能。如圓形填料塔為使布液均勻,根據(jù)其形狀采用魚(yú)骨形排管布置結(jié)合強(qiáng)旋流噴嘴的噴淋布液方式;較小的制冷設(shè)備則采用單根布水管結(jié)合錐形或方形噴嘴等噴淋布液方式，以減少布水系統(tǒng)能耗。噴淋布水較為靈活,可適應(yīng)多種類型的制冷設(shè)備,但為保證布水均勻性,需要一定的噴淋高度[9],否則會(huì)使布水出現(xiàn)較大空白或重合。這就使得布水系統(tǒng)需要占據(jù)一些空間,不夠輕巧方便,不適用于小型冷卻器。目前，露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的布水形式都是噴淋布水,采用錐形噴嘴。不過(guò)，布水面往往會(huì)出現(xiàn)大量空白,因此還有優(yōu)化改進(jìn)的必要。

滴淋布水的實(shí)質(zhì)是利用分流,使布水均勻。如蒸發(fā)式冷氣機(jī)采用分流凹槽,將水流分為多股滴淋至填料上進(jìn)行降溫[13],減少了布水系統(tǒng)所占的空間體積,消除漏水現(xiàn)象,適合于小型且不需要較高布水壓力的設(shè)備。布水縫布水是在布水管上直接打孔或開(kāi)縫,方法簡(jiǎn)單,但孔縫大小需適中,對(duì)水的流速及流量亦不能較好地控制。旋轉(zhuǎn)布水是由轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)多根布水管或者帶動(dòng)噴嘴進(jìn)行旋轉(zhuǎn),布水均勻,但造價(jià)較高。軟管布水使水流直接接觸到換熱器芯體材料,節(jié)省布水系統(tǒng)空間體積,但布水效果與材料親水性有關(guān),適合采用親水性纖維材料的設(shè)備,如國(guó)外應(yīng)用的叉流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器[14]就采用了軟管芯吸布水方式。

2 噴淋布水試驗(yàn)

露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器中布水系統(tǒng)的主要作用是將水滴適量且均勻地噴灑在換熱芯體材料上,使?jié)櫇竦膿Q熱器芯體材料與被處理空氣充分接觸而進(jìn)行熱濕交換,對(duì)被處理空氣進(jìn)行降溫。因此,布水均勻性是評(píng)價(jià)布水形式的一個(gè)重要指標(biāo)。布水均勻性越好,冷卻器的效率就越高。董曉杰[15]研究了直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻耗水量,發(fā)現(xiàn)同等制冷量下,間接蒸發(fā)冷卻耗水量大于直接蒸發(fā)冷卻耗水量,效率越低耗水量越大,提高間接蒸發(fā)冷卻的布水均勻性有助于提高效率和減少耗水量。目前常用的噴淋布水由于采用的噴嘴形式不同,布水效果也不同。

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用噴淋布水的臥式小型露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器,其三維示意圖如圖1所示。

圖 1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 The diagram of test device

試驗(yàn)布置單根布水管,長(zhǎng)度1 m,內(nèi)徑30 mm。布水管上均勻布置3個(gè)同類型、同規(guī)格的噴嘴,共選取5種常用類型的噴嘴進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),噴嘴規(guī)格均為1/4外螺紋。布水管的安裝高度為350 mm。布水管下方平鋪17×9個(gè)集水格,每個(gè)集水格的上表面即為集水面,尺寸為60 mm×60 mm,深50 mm。所有網(wǎng)格的集水面積為1 020 mm×540 mm,與目前研發(fā)的小型露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的芯體上表面積基本相同。集水格中的布水量用量筒測(cè)量。為使噴淋出的水滴便于觀察,在后方鋪設(shè)黑色卡紙起顯色反襯作用。布水系統(tǒng)所用水泵為小型潛水泵,并安裝有流量計(jì)、壓力表。

2.2 噴嘴類型

試驗(yàn)用到的5種類型噴嘴實(shí)物圖如圖2所示。

圖 2 5種噴嘴實(shí)物圖Fig.2 Five kinds of nozzle physical pictures

圖2中由左往右依次為螺旋形、實(shí)心錐形、方形、扇形和靶式撞擊形噴嘴。螺旋形噴嘴的結(jié)構(gòu)緊湊,其內(nèi)部螺旋流道為流線型設(shè)計(jì),流道暢通,水在流道內(nèi)阻力小。實(shí)心錐形噴嘴的噴射面為錐形,內(nèi)部流道中固定有片狀物切割水流,水的阻力較大。方形噴嘴的噴射區(qū)域?yàn)檎叫?便于重疊,適用于對(duì)布水范圍重合要求較高的設(shè)備。扇形噴嘴的噴射面呈一條線,適合安裝在換熱器布水系統(tǒng)的角落或?qū)Σ妓瞻讌^(qū)域進(jìn)行彌補(bǔ)。靶式撞擊形噴嘴的水流由小孔噴出后撞擊到靶板上,水滴阻力較大,易破碎,霧化性能較好。撞擊后的水滴以非常大的角度(接近180°)射出,屬于廣角形噴嘴。

2.3 布水情況對(duì)比

在相同水流量、相同水壓情況下測(cè)試上述5種不同噴嘴的布水情況并進(jìn)行對(duì)比。在水流量為220 L/h,水壓0.05 MPa,噴水時(shí)間為8 s條件下,布水情況如圖3所示。

(a) 螺旋形噴嘴

b.實(shí)心錐形噴嘴

(c) 方形噴嘴

(d) 扇形噴嘴

(e) 靶式撞擊形噴嘴圖 3 5種噴嘴布水情況Fig.3 Water distribution of five nozzles

觀察圖3可知,相同實(shí)驗(yàn)條件下,螺旋形噴嘴布水量最大,布水范圍較廣。這是由于水在流道內(nèi)阻力小,故其噴淋出來(lái)的水只有一小部分是破碎的水滴,還有一大部分呈水柱狀噴出。 靶式撞擊形噴嘴布水量較小,水流撞擊成水滴狀噴灑,由于噴射角度很大,其布水范圍最廣,幾乎所有集水格中都有水。方形噴嘴的布水量及布水范圍適中。實(shí)心錐形噴嘴的布水面為圓形,扇形噴嘴的布水面為線形,兩者的布水量及布水范圍都較小。

2.4 布水均勻性

對(duì)上述5種噴嘴在集水格中的布水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如圖4所示。其中網(wǎng)格與集水格相對(duì)應(yīng),橫排集水格17個(gè),豎排集水格9個(gè)。網(wǎng)格中數(shù)字及顏色深淺表示布水量大小,空白格表示集水量為0 mL,顏色越深,布水量越大。從圖4可以看出,相同噴水時(shí)間下,螺旋形噴嘴的布水量較大,集水格中最大布水量為62 mL,且由顏色過(guò)渡深淺可知布水較為均勻;方形噴嘴的布水量次之,集水格中最大布水量為36 mL,布水較為均勻;靶式撞擊形噴嘴每個(gè)集水格中的布水量最小,最大僅為12 mL,但由圖中顏色可以看出其布水是最均勻的;實(shí)心錐形噴嘴和扇形噴嘴表現(xiàn)不佳,布水均勻性很差。

(a) 螺旋形噴嘴

(b) 實(shí)心錐形噴嘴

(c) 方形噴嘴

(d) 扇形噴嘴

(e) 靶式撞擊形噴嘴圖 4 5種噴嘴布水量分布Fig.4 Water distribution of five nozzles

為了更加明確地表示5種噴嘴的布水均勻性,引入噴淋均勻分布系數(shù)(ξ),如式(1)所示。

將每個(gè)集水格中的布水量代入式(1),即可得該種類型噴嘴的噴淋均勻分布系數(shù)。分析該式(1)可知,噴淋均勻分布系數(shù)越小,則布水均勻性越好。

在噴水時(shí)間8 s,流量220 L/h,水壓0.05 MPa,測(cè)試面積 0.5 m2的測(cè)試條件下，5種噴嘴的各項(xiàng)噴淋參數(shù)如表1所示。

表 1 5種噴嘴性能參數(shù)匯總

從表1可以看出,相同水流量、水壓及噴水時(shí)間情況下,靶式撞擊形噴嘴的噴淋均勻分布系數(shù)、噴淋面積占比及噴射角度都表現(xiàn)最好,其次是螺旋形噴嘴。從圖4的布水量分布來(lái)看,靶式撞擊形噴嘴的布水量較小,且實(shí)際觀察到噴射出的水滴較細(xì)小,受外界條件影響較大。若應(yīng)用到露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器中會(huì)被較高的風(fēng)速吹動(dòng),使換熱芯體靠風(fēng)機(jī)一側(cè)的水量較少,而遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)一側(cè)的水量較多,也是一種布水不均勻的現(xiàn)象。因此,對(duì)于目前的小型露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的噴淋布水形式,將實(shí)心錐形噴嘴更換為螺旋形噴嘴,布水效果會(huì)更好。

3 軟管布水試驗(yàn)

露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的換熱芯體材料多為吸濕性好的材料,如聚合物纖維、聚酯纖維等,將細(xì)長(zhǎng)的布水軟管直接接觸到吸濕性材料上進(jìn)行布水,利用材料內(nèi)部的毛細(xì)現(xiàn)象可使水分?jǐn)U散均勻。這樣不僅可以節(jié)約布水系統(tǒng)能耗,還能減少噴淋布水過(guò)程中由于噴嘴堵塞造成的更換維修費(fèi)用。

3.1 試驗(yàn)裝置

由于多孔陶瓷的吸水性較好,本試驗(yàn)在多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器上進(jìn)行,試驗(yàn)樣機(jī)如圖5所示。其工作原理為室外一次空氣由冷卻器左側(cè)的一次進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入換熱芯體管內(nèi),二次空氣由冷卻器底部的二次進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入換熱芯體管外,在管外與水直接接觸,發(fā)生直接蒸發(fā)冷卻,并間接帶走管內(nèi)一次空氣的熱量,被冷卻后的一次空氣產(chǎn)出至空調(diào)區(qū)域。

布水方式為將布水軟管蛇形鋪設(shè)在管式換熱芯體上方,布水軟管為PVC透明軟管。布水軟管與最上層陶瓷管接觸，固定成蛇形分布。布水軟管上等間距打孔,打孔方式為細(xì)小圓孔。水在水泵的壓力下由軟管的小孔流出,成股地滴落在換熱芯體表面。當(dāng)換熱芯體上方的陶瓷管吸飽水后,多余的水分在重力作用下落到下方的陶瓷管上,陶瓷管由上往下一級(jí)一級(jí)的潤(rùn)濕。

圖 5 多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器Fig.5 Indirect evaporative cooler of porous ceromic tube

3.2 布水情況

采用軟管布水的多孔陶瓷管式換熱芯體布水情況如圖6所示。隨著布水時(shí)間的推移,陶瓷管干燥的表面上逐漸有豎向的局部水流;之后上方的陶瓷管吸飽水,多余水分溢出,出現(xiàn)柱狀水流;再過(guò)一段時(shí)間后,由于多孔陶瓷內(nèi)部的毛細(xì)現(xiàn)象,水分開(kāi)始沿著管橫向擴(kuò)散,最終使換熱芯體表面完全布滿水。

由此可知,在管外布水越充分，水分覆蓋程度越大的情況下,二次空氣與管外表面水膜發(fā)生的直接蒸發(fā)冷卻過(guò)程越充分,間接地使管內(nèi)一次空氣的溫度更低。因此，多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器的效率與其布水情況息息相關(guān)。為提高冷卻器的效率,需要了解軟管布水的間歇性布水時(shí)間,即換熱芯體中陶瓷管外表面全部被潤(rùn)濕需要的時(shí)間，不補(bǔ)充水分的情況下陶瓷管所蓄水量完全蒸發(fā)需要的時(shí)間。

(a) 干燥表面 (b) 局部布水

(c) 局部柱狀水流 (d)水分蔓延圖 6 軟管布水在換熱芯體上的布水過(guò)程Fig.6 Water distribution process of hose water distribution on heat exchange core

3.3 間歇性布水時(shí)間

多孔陶瓷管式換熱芯體達(dá)到蓄水極限的時(shí)間即布水時(shí)間。在達(dá)到其蓄水極限時(shí),陶瓷管外表面都被潤(rùn)濕,多余的水分會(huì)從換熱芯體下表面滴落在水箱。由于換熱芯體內(nèi)的陶瓷管是交錯(cuò)布置,且實(shí)際過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)局部布水,因此在換熱芯體下方緊湊的鋪設(shè)一層集水網(wǎng)格,當(dāng)集水網(wǎng)格中都有水滴落時(shí),表明達(dá)到蓄水極限,結(jié)束計(jì)時(shí),這一時(shí)間即為布水時(shí)間。實(shí)際測(cè)試結(jié)果為5 min。

多孔陶瓷管是一個(gè)天然的蓄水器,在達(dá)到其蓄水極限后停止布水可以節(jié)約冷卻器的布水能耗,停止布水的時(shí)間即為間歇性時(shí)間。在冷卻器正常運(yùn)行的情況,觀察陶瓷管外表面的水分分布,當(dāng)管外逐漸干燥時(shí),就需要及時(shí)地補(bǔ)充水,實(shí)際測(cè)試結(jié)果間歇性時(shí)間為1 h。間歇性布水可使管外充分潤(rùn)濕，足夠的噴停時(shí)間使得水在管壁充分蒸發(fā)，在保證換熱效率的同時(shí)可節(jié)約水量。

4 結(jié) 論

(1) 布水與存水影響著露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的效率。不同的布水形式?jīng)Q定了露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的布水均勻性,不同材料的存水能力影響著冷卻器內(nèi)布水系統(tǒng)的能耗。針對(duì)露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器內(nèi)換熱芯體材料,選擇合適的布水形式,將布水與存水相結(jié)合，在很大程度上可以提高露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的效率。

(2) 噴淋布水應(yīng)用廣泛,較為方便,但需要占一定的布水空間。靶式撞擊形噴嘴和螺旋形噴嘴的噴射角度、噴淋面積及布水均勻性較好,而螺旋形噴嘴的布水量更大,更適用于露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器中。

(3) 多孔陶瓷管式間歇蒸發(fā)冷卻器采用軟管布水，將布水與存水結(jié)合可有效提高換熱效率，節(jié)約能源；采用間歇性布水時(shí)間為噴5 min停1 h,足夠的噴停時(shí)間使得水在管外充分蒸發(fā)，提高傳熱傳質(zhì)。