立管式間接蒸發(fā)冷卻器的設(shè)計與適用性研究

常健佩，黃 翔，賈晨昱，杜冬陽，許晶晶

（1.西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院，西安 710048；2.中國啟源工程設(shè)計研究院有限公司，西安 710018）

0 引 言

蒸發(fā)冷卻利用干空氣能為驅(qū)動勢，通過水蒸發(fā)達到降溫的效果，是一項節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟、健康的技術(shù)。在干燥地區(qū)采用直接蒸發(fā)冷卻對新風(fēng)可以加濕和濕式過濾，提高新風(fēng)質(zhì)量［1-2］，在中、高濕度地區(qū)可以預(yù)冷新風(fēng)和能量回收［3-5］。

目前針對間接蒸發(fā)冷卻器的研究主要包括傳熱傳質(zhì)的建模與分析，材料與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，噴淋布水，濕通道工作空氣［6-9］，以及對板翅式間接蒸發(fā)冷卻器、直接蒸發(fā)冷卻器的開發(fā)設(shè)計中模型的簡化與性能測試［10-11］。當(dāng)前，針對間接蒸發(fā)冷卻器的研究熱點主要在露點式間接蒸發(fā)冷卻器的理論模型、數(shù)值模擬與性能實驗［12-18］，閉式冷卻塔中的蒸發(fā)冷卻盤管的設(shè)計與實驗可借鑒傳統(tǒng)臥管式間接蒸發(fā)冷卻器［19］。

目前，對于圓管、橢圓管或是板管形狀的間接蒸發(fā)冷卻器，不論設(shè)計成臥式或立式，計算模型既要適合于工程設(shè)計，并要縮小誤差。本研究對比臥管式與立管式間接蒸發(fā)冷卻器的設(shè)計計算，基于間接蒸發(fā)冷卻器熱質(zhì)交換的能量方程，優(yōu)化立管式間接蒸發(fā)冷卻器的計算模型，對于濕通道水膜與管壁間對流換熱系數(shù)，用數(shù)值計算方法代替經(jīng)驗取值方法，并考慮換熱器壁的導(dǎo)熱熱阻，而管內(nèi)受迫對流換熱系數(shù)受空氣流動狀態(tài)的影響，風(fēng)速的選取需要結(jié)合實際設(shè)備的尺寸要求，引入假定流速法對管內(nèi)的風(fēng)速取值和校核。

1 間接蒸發(fā)冷卻的工作原理與設(shè)計對比

1.1 間接蒸發(fā)冷卻器工作原理

直接蒸發(fā)的冷卻極限是進風(fēng)濕球溫度；間接蒸發(fā)的冷卻極限不會低于二次空氣的濕球溫度；而間接與直接復(fù)合使得送風(fēng)小于進風(fēng)的濕球溫度，達到亞濕球溫度；進風(fēng)經(jīng)過露點式間接蒸發(fā)冷卻器冷卻可以趨近露點溫度。傳統(tǒng)間接蒸發(fā)冷卻器也是一種間壁式換熱器，其工作原理與閉式冷卻塔中的蒸發(fā)冷卻盤管類似，熱流體被間壁式換熱器另一側(cè)的噴淋水與不飽和空氣冷卻，熱流體側(cè)沒有發(fā)生相變。

圖1 間接蒸發(fā)冷卻器工作原理示意

1.2 設(shè)計對比

對于臥管式、立管式間接蒸發(fā)冷卻器的設(shè)計計算流程如圖2所示，臥管式、立管式間接蒸發(fā)冷卻器的計算步驟基本類似，只是在采用假定流速法來確定換熱管內(nèi)的氣流狀態(tài)和換熱系數(shù)時，立管的管內(nèi)為濕通道的二次空氣，臥管的管內(nèi)為干通道的一次空氣。對于換熱管束叉排布置時，管束間距的比值S1/S2，計算管外側(cè)的對流換熱系數(shù)的Nu公式中涉及到S1/S2，，立管的管外側(cè)為干通道的一次空氣的換熱系數(shù)，臥管的管外側(cè)為濕通道的二次空氣的換熱系數(shù)。

圖2 臥管式、立管式間接蒸發(fā)冷卻器的設(shè)計流程

2 立管式間接蒸發(fā)冷卻器的設(shè)計

立管式間接蒸發(fā)冷卻器的設(shè)計，無論是圓管、橢圓管或板管，均可用當(dāng)量直徑法進行設(shè)計計算，換熱管束通常采用叉排布置。臥管的濕通道在管外，干通道在管內(nèi)，立管的濕通道在管內(nèi)，干通道在管外，本章節(jié)主要介紹了立管式間接蒸發(fā)冷卻器的計算模型。在進行設(shè)計計算時，需要先確定一次空氣、二次空氣的入口參數(shù)。

2.1 換熱器對數(shù)平均溫差Δtm

立管管內(nèi)的二次空氣與循環(huán)水發(fā)生蒸發(fā)冷卻，效率選為80%～95%，則：

假設(shè)常壁溫，管內(nèi)水膜溫度均勻，tf≈tg2'，一次空氣進風(fēng)干球溫度tg1，立管外側(cè)干通道一次空氣送風(fēng)干球溫度tg1'，二次空氣濕球溫度ts2，冷卻效率取60%～75%，則：

2.2 換熱量Φ

一次空氣體積流量為Q1，平均溫度=tf+Δtm；二次空氣體積流量為Q2，平均溫度為=（tg2+tg2'）/2，水膜溫度 tf，查詢干空氣、飽和水分別對應(yīng)的熱物理性質(zhì)。則經(jīng)過立管式間接蒸發(fā)冷卻段的總換熱量Φ為：

式中 ρ1——一次空氣密度，kg/m3；

Q1——一次空氣體積流量，m3/h；

Cp1——一次空氣定壓比熱，kJ/（kg·K）。

2.3 濕通道內(nèi)二次空氣換熱系數(shù)h2

二次空氣與水膜的熱平衡方程［2］：

式中 mev——蒸發(fā)到空氣的水蒸氣流量，kg/s；

r ——水溫對應(yīng)汽化潛熱，kJ/kg；

m2——二次空氣的質(zhì)量流量，kg/s；

Cp2——二次空氣定壓比熱，kJ/（kg·K）；

d ——當(dāng)量直徑，m；

L ——管長，m；

h2—— 濕通道二次空氣和液膜換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

v2——二次空氣運動黏性系數(shù)，m/s2。

濕通道內(nèi)的二次空氣在風(fēng)機的作用下發(fā)生受迫對流，參考以往的經(jīng)驗，假定二次風(fēng)速為u2，則可計算得到對應(yīng)的Re2。當(dāng)Re2＞104范圍內(nèi)時，Nu2數(shù)可以采用下式計算：

式中 Re2——二次空氣流動雷諾數(shù)；

Nu2——二次空氣努謝爾特數(shù)。

根據(jù)假定的二次風(fēng)速u2計算得到h2，根據(jù)換熱器的設(shè)計值校核二次風(fēng)速u2'，計算得到相應(yīng)的Re2'和h2'，查閱文獻［18］，檢驗h2是否符合加熱或冷卻空氣要求范圍 h=1～60 W/（m2·K）。

2.4 水膜對流換熱系數(shù)hf

式中 Tw——管壁溫度，℃；

TI——水膜與二次空氣交界面溫度，℃；

hf——水膜與壁面換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

G ——淋水密度，kg/（m·s）；

Nuf——水膜努謝爾特數(shù)；

μf——水膜動力黏度，N·s/m2。

對于液體，0.48＜Prf＜16 700，0.05＜ μf/μw＜20，Ref＜2 300。

式中 μw—— 管壁溫度對應(yīng)的動力黏度，N·s/m2；

Prf——水膜普朗特數(shù)；

Ref——水膜流動雷諾數(shù)。

參照5 000 m3/h風(fēng)量的臥管式間接蒸發(fā)冷卻器濕通道的淋水密度 640 kg/（m·h）得 Ref，查詢文獻［20］，檢驗hf是否符合加熱冷卻水的要求范圍 200～12 000 W/（m2·K）。

2.5 干通道內(nèi)一次空氣換熱系數(shù)h1

式中 h1—— 一次空氣與壁面換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

單個模塊q1的冷卻器的管束采用叉排，單管外徑為d（參考經(jīng)驗，管徑一般取25～30 mm）。根據(jù)實際情況，單模塊寬度不大于Y，長度不大于X。

立管管束的間距分別為 S1，S2，根據(jù)式（14）（15）計算得到換熱管根數(shù)N1，N2。

管外的空氣外掠圓管對流傳熱，管外徑為d，定性溫度是一次空氣平均溫度。

式中 u1——一次空氣的流速，m/s；

v1——一次空氣運動黏性系數(shù)，m/s2。

根據(jù)雷諾數(shù)Re1判斷管外側(cè)空氣為湍流，由文獻［20］可知：換熱器叉排布置，Re1在 103～2×105之間時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式的簡化方程如下：

式中 Nu1——一次空氣努謝爾特數(shù)；

Re1——一次空氣流動雷諾數(shù)；

εZ——排數(shù)修正系數(shù)。

2.6 管壁導(dǎo)熱熱阻 δ/λ

導(dǎo)熱熱阻為 δ/λ，部分材料的換熱管的導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示。

表1 部分材料20 ℃對應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)λ

2.7 換熱面積F

設(shè)有n根換熱管，根據(jù)公式可以計算得到需要的換熱面積F：

計算所需換熱面積F，則需要n根換熱板管，驗算流速和換熱系數(shù)是否滿足二次風(fēng)速u2假設(shè)，若滿足假設(shè)則可進行輸出。

3 性能試驗與適用小時數(shù)

3.1 性能試驗

對立管式間接蒸發(fā)冷卻器（見圖4）進行性能測試，測試所在地陜西榆林夏季室外大氣壓力為88 990 Pa，二次/一次風(fēng)量為1.2，設(shè)計氣水比為2，分別測試了高溫工況和中等溫度工況的冷卻性能，結(jié)果如圖5所示。

圖4 立管式間接蒸發(fā)冷卻器

圖5 立管式間接蒸發(fā)冷卻器性能測試

對于立管式間接蒸發(fā)冷卻器，干濕球溫差保持在7.7～8.8 ℃左右，測試了高溫工況，進風(fēng)干球溫度 30.7～31 ℃，進風(fēng)濕球溫度 22.2～23.2 ℃，此時立管式間接蒸發(fā)冷卻器的濕球效率為75%～83%；在干濕球溫差保持在7.4～8.2 ℃左右，測試了中等溫度工況，進風(fēng)干球溫度24.1～24.3 ℃，進風(fēng)濕球溫度16.0～16.7 ℃，立管式間接蒸發(fā)冷卻器的濕球效率為78%～88%。

3.2 適用小時數(shù)

通過性能測試可知立管式間接蒸發(fā)冷卻器的濕球效率基本大于70%。針對數(shù)據(jù)中心設(shè)計了蒸發(fā)冷卻復(fù)合機械制冷的空調(diào)機組，如圖6所示。

圖6 蒸發(fā)冷卻復(fù)合機械制冷的空調(diào)機組示意

取數(shù)據(jù)中心機房回風(fēng)溫度37 ℃，送風(fēng)溫度24 ℃，主要有3種模式：無噴淋水的干模式、間接蒸發(fā)冷卻的濕模式、間接蒸發(fā)冷卻復(fù)合機械制冷的混合模式。干模式換熱效率取60%，濕模式換熱效率取70%，根據(jù)式（23）（24）計算得到全年運行模式的工作空氣切換條件［21］，工作空氣干球溫度小于15.4 ℃時運行干模式；工作空氣干球溫度大于15.4 ℃，且濕球溫度小于18.4 ℃運行濕模式；工作空氣干球溫度大于15.4 ℃，且濕球溫度大于18.4 ℃運行混合模式。

依據(jù)氣象數(shù)據(jù)［22］，對蒸發(fā)冷卻復(fù)合機械制冷的空調(diào)機組在一帶一路沿線文化名城敦煌、西安進行了逐月氣象統(tǒng)計，結(jié)果如圖7所示。典型城市數(shù)據(jù)中心適用小時數(shù)見表3。

圖7 典型城市數(shù)據(jù)中心運行模式逐月統(tǒng)計

表3 典型城市數(shù)據(jù)中心適用小時數(shù)

4 結(jié)論

（1）對比了臥管與立管式間接蒸發(fā)冷卻器的設(shè)計計算，基于間接蒸發(fā)冷卻器熱質(zhì)交換的能量方程，優(yōu)化了立管式間接蒸發(fā)冷卻器的計算模型，對于濕通道水膜與管壁間對流換熱系數(shù)，用數(shù)值計算方法代替經(jīng)驗取值方法，并引入假定流速法對管內(nèi)的風(fēng)速取值和校核。

（2）測試了立管式間接蒸發(fā)冷卻器的冷卻性能，測試高溫工況，進風(fēng)干球溫度30.7～31 ℃，進風(fēng)濕球溫度22.2～23.2 ℃，干濕球溫差保持在7.7～8.8 ℃左右，濕球效率為75%～83%；測試中等溫度工況，進風(fēng)干球溫度24.1～24.3 ℃，進風(fēng)濕球溫度 16.0～16.7 ℃，干濕球溫差保持在 7.4～8.2 ℃左右，濕球效率為78%～88%。

（3）預(yù)測了蒸發(fā)冷卻復(fù)合機械制冷的空調(diào)機組在典型城市數(shù)據(jù)中心全年適用小時數(shù)，在敦煌干模式運行5 404 h（占全年運行小時數(shù)的61.7%），濕模式運行3 182 h（占全年運行小時數(shù)的36.3%），混合模式運行174 h（占全年運行小時數(shù)的2%）；在西安干模式運行4 469 h（占全年運行小時數(shù)的51%），濕模式運行2 140 h（占全年運行小時數(shù)的24.4%），混合模式運行2 151 h（占全年運行小時數(shù)的24.6%）。