淡水與海水對蒸發(fā)冷卻性能影響的試驗研究

龍國慶，閆明暄，何鎖盈，徐夢菲，孫奉仲

（1.中國能源建設(shè)集團(tuán) 廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣州 510660；2.山東大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，濟(jì)南 250061）

0 引言

蒸發(fā)冷卻技術(shù)利用水蒸發(fā)吸熱制冷的原理，在不需要提供其它熱源的條件下，水與空氣進(jìn)行熱量交換，將空氣中的顯熱傳遞給水，從而實現(xiàn)空氣溫度的下降。對于直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)而言，由于水的蒸發(fā)，會致使空氣的含濕量增加，而且進(jìn)入空氣的水蒸氣又帶回汽化潛熱，理論上蒸發(fā)冷卻過程為近似等焓過程，過程中空氣的濕球溫度近似不變（如圖1所示）［1］。只要空氣不飽和，利用循環(huán)水直接噴淋空氣（或通過填料層）就可獲得降溫的效果，蒸發(fā)冷卻技術(shù)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)有廣泛的應(yīng)用。蒸發(fā)冷卻技術(shù)在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用主要集中在電力工程（如冷卻塔）、人居環(huán)境（如蒸發(fā)冷卻空調(diào)、數(shù)據(jù)中心機(jī)房冷卻）、紡織行業(yè)（如紡織廠內(nèi)加濕、降溫）、地鐵建設(shè)及農(nóng)牧業(yè)（如養(yǎng)殖場、溫室大棚內(nèi)的降溫加濕）等［2-7］。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對能源的清潔、可持續(xù)利用提出了新的要求。蒸發(fā)冷卻技術(shù)作為人類最古老的冷卻方法之一，由于其節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的特點，被研究人員日益重視［8-10］。

圖1 直接蒸發(fā)冷卻過程Fig.1 Direct evaporative cooling process

蒸發(fā)冷卻技術(shù)是利用水蒸發(fā)吸熱的原理實現(xiàn)冷卻，在冷卻過程中將會有水的蒸發(fā)耗損。對于淡水資源匱乏的地區(qū)，探究利用海水替代淡水進(jìn)行蒸發(fā)冷卻，以緩解淡水資源緊缺的壓力，將是一個非常重要的探索。

本研究旨在探究利用海水替代淡水進(jìn)行蒸發(fā)冷卻的可行性。論文對厚度為100 mm的CELdek7060填料進(jìn)行了蒸發(fā)冷卻試驗，分別研究了淡水以及不同海水濃度（0.5倍、1倍和1.5倍海水濃度）下的蒸發(fā)冷卻性能，該研究將為海水替代淡水的可行性提供初步的探索，為蒸發(fā)冷卻技術(shù)的進(jìn)一步推廣奠定基礎(chǔ)。

1 海水物性

海水的成分較為復(fù)雜，已經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)的元素就高達(dá)80多種，這些元素的存在狀態(tài)也非常多樣，大多以離子、離子對、分子、懸浮顆粒、膠體等形式存在［11］。組成海水主要元素的溶解成分包括 Na+、Mg2+、Ca2+、K+、Sr2+等 5 種陽離子，以及 Cl-、SO42-、HCO3-、Br-、F-等 5 種陰離子，還有H3BO3分子，這些成分占海水溶質(zhì)含量的99.9%以上［12］。

在相同的溫度以及壓力下，海水與淡水主要物理性質(zhì)的差異包括：

（1）海水密度較大；

（2）海水飽和蒸氣壓小于淡水飽和蒸氣壓；

（3）海水比熱容小于淡水比熱容。此外，我國海域的海水含鹽量一般為3.5%左右，但是隨著地域、季節(jié)和岸邊相距長短等因素的變化，含鹽量也會略有改變［13］。

本文選用與文獻(xiàn)［14］同一型號的海水素進(jìn)行海水的配制，該海水素配制的樣本水能較好地接近實際海水。配制方法是將海水素用一定比例的自來水進(jìn)行稀釋，并用鹽度計進(jìn)行校準(zhǔn)，試驗分別配制了0.5倍、1倍以及1.5倍海水濃度。每次試驗之前都對海水進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保試驗所用海水濃度與設(shè)計濃度一致。淡水則直接采用自來水。

2 試驗方法

2.1 填料選取

填料是蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的核心，填料主要分為點滴式、薄膜式和點滴薄膜式［1］。在蒸發(fā)預(yù)冷過程中，填料有2個作用：（1）提供了較大的接觸面積，使得水和空氣有足夠的空間去進(jìn)行換熱；（2）延長了空氣和水的接觸時間，以便空氣和水有足夠的時間去進(jìn)行換熱，HE 等［1，15］對填料進(jìn)行了詳細(xì)的對比研究，根據(jù)HE的研究，本文選取CELdek7060型薄膜式填料進(jìn)行淡水、海水性能的試驗研究，CELdek填料及配水板如圖2所示。

圖2 CELdek填料及配水板示意Fig.2 Schematic diagram of CELdek fill and distribution pad

CELdek填料是由纖維素制作而成，具有高冷卻效率、低壓降、防腐蝕和堵塞以及壽命長等優(yōu)點。本試驗選用的填料尺寸為100 mm×600 mm×600 mm，填料的橫截面積與風(fēng)洞試驗段的橫截面積一致，以便在風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行試驗。CELdek配水板可均勻地將水布置在填料頂部，其尺寸為100 mm×600 mm×50 mm。

2.2 試驗裝置

本文在小型開式風(fēng)洞中進(jìn)行蒸發(fā)冷卻試驗，試驗裝置如圖3所示。風(fēng)洞置于室內(nèi)，風(fēng)洞全長為4 750 mm，其中試驗段長為1 500 mm，試驗段截面積為600 mm×600 mm，與填料的迎風(fēng)面積一致。配水系統(tǒng)的淋水密度可調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為30～70 L/（min·m2），風(fēng)洞內(nèi)空氣的風(fēng)速可調(diào)范圍為 0.5～20 m/s。

圖3 試驗裝置示意Fig.3 Schematic diagram of the test system

試驗裝置主要由風(fēng)洞、空氣系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)以及測量系統(tǒng)組成。風(fēng)洞由穩(wěn)流段、收縮段、試驗段和擴(kuò)張段組成?？諝庀到y(tǒng)內(nèi)，空氣的流動主要由功率為4 kW的軸流風(fēng)機(jī)驅(qū)動，可調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速大小的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速范圍為0～1 450 r/min。水循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，配水裝置由一根直徑為32 mm的PVC布水管組成，布水管開有直徑為6 mm的小圓孔以均勻布水（小圓孔的間距為40 mm）。水從水箱內(nèi)經(jīng)一臺550 W水泵輸送至配水裝置，配水裝置的布水管將水噴淋至50 mm厚的CELdek配水板，經(jīng)配水板均勻地將水布置在填料頂部，在重力和毛細(xì)作用下，水均勻潤濕填料，空氣流經(jīng)填料時，水與空氣進(jìn)行熱質(zhì)交換后，未蒸發(fā)的水在填料底部收集，并返回水箱進(jìn)行循環(huán)。

測量系統(tǒng)主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、熱線風(fēng)速儀、壓差傳感器、皮托管、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，測量的主要參數(shù)包括填料迎風(fēng)側(cè)溫度、濕度、風(fēng)速，經(jīng)填料蒸發(fā)冷卻后空氣的溫度和濕度，填料引起的空氣側(cè)壓降等。溫度傳感器采用PT100，測量范圍為 -50～300 ℃，精度為 ±0.2 ℃；HSTL-106WS濕度傳感器的測量范圍為0～100%RH，精度為±3.5%；AR866A手持式熱線風(fēng)速儀的測量范圍為0.3～30 m/s，精度為1%滿量程；壓差由兩根皮托管結(jié)合一個壓差傳感器進(jìn)行測量，壓差傳感器的測量范圍為0～200 Pa，精度為±1%滿量程；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集儀采集數(shù)據(jù)，并傳輸至電腦記錄。

2.3 試驗過程

每組試驗前，水箱都加滿淡水或者配制好的海水，避免試驗進(jìn)行過程中加水影響水箱內(nèi)的水溫。試驗時固定水流量為62 L/（min·m2），此流量為制造商建議的水流量［16］。試驗開始時，固定水流量并在空氣風(fēng)速0.5 m/s下，持續(xù)運行30 min以保證填料完全濕潤。之后，依次增大空氣風(fēng)速至 1，1.5，2，2.5，3 m/s，每增大一次風(fēng)速，至少等待5 min以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后再測量和記錄數(shù)據(jù)。

3 試驗結(jié)果

3.1 填料壓降分析

在填料蒸發(fā)冷卻過程中，填料會引起空氣側(cè)壓損，對于機(jī)械通風(fēng)的設(shè)備來說，此部分壓損對系統(tǒng)性能的影響不大，如蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)采用風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的頻率來增大通風(fēng)能力；對于自然通風(fēng)系統(tǒng)，如填料蒸發(fā)預(yù)冷自然通風(fēng)空冷塔的進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)，填料引入的壓損會在一定程度上減小空冷塔內(nèi)的通風(fēng)量，進(jìn)而影響空冷塔的冷卻效果［1］。因此，填料引起的空氣側(cè)壓損對蒸發(fā)冷卻應(yīng)用于部分系統(tǒng)至關(guān)重要。

圖4示出了淡水以及0.5倍，1倍和1.5倍海水濃度在水流量為62 L/（min·m2）時空氣側(cè)壓降隨速度的變化趨勢。由圖4可知，隨著風(fēng)速的增大，淡水和各個濃度的海水工況下，空氣側(cè)壓降均呈現(xiàn)增大的趨勢。一定風(fēng)速下，淡水以及海水濃度對空氣側(cè)壓降的影響不明顯，這是由于影響空氣側(cè)壓降的主要因素是風(fēng)速、填料種類和厚度、水流量［1，17］。在圖4中的風(fēng)速范圍內(nèi)，淡水時的空氣側(cè)壓降為0.4～27.8 Pa，0.5倍濃度海水的空氣側(cè)壓降為0.6～29.9 Pa，1.0倍濃度海水的空氣側(cè)壓降為0.55～30.1 Pa，1.5倍濃度海水的空氣側(cè)壓降為0.5～29.1 Pa。

圖4 淡水及不同濃度海水對空氣側(cè)壓降的影響Fig.4 Effects of freshwater and seawater of different concentrations on air side pressure drop

3.2 冷卻效率分析

冷卻效率是填料蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的重要衡量指標(biāo)，其代表進(jìn)口空氣經(jīng)蒸發(fā)冷卻后達(dá)到飽和的程度，冷卻效率越高，說明蒸發(fā)冷卻效果越好。冷卻效率的定義式為［18-21］：

式中 η ——冷卻效率，%；

Ta1——進(jìn)口空氣干球溫度，K；

Ta2——出口空氣干球溫度，K；

Twb——進(jìn)口空氣濕球溫度，K。

進(jìn)口空氣濕球溫度可通過測量干球溫度和相對濕度獲得。

圖5示出了淡水以及0.5倍，1倍和1.5倍海水濃度在水流量為62 L/min/m2時冷卻效率隨速度的變化趨勢。由圖5可知，隨著風(fēng)速的增大，冷卻效率呈現(xiàn)出下降的趨勢；以淡水為例，在風(fēng)速為0.49 m/s，冷卻效率最高為73.0%，在2.81 m/s時，冷卻效率最低為56.5%。這是由于，風(fēng)速增大時，空氣與水的換熱時間縮短，傳熱傳質(zhì)效果變差。從圖5還可看出，在一定風(fēng)速下，淡水的冷卻效率高于海水的冷卻效率，且隨著海水濃度的升高冷卻效率降低，即淡水的冷卻效率最高，0.5倍海水濃度的冷卻效率緊次之，1.0倍海水濃度的次之，1.5倍海水濃度的最小。對圖5中，不同風(fēng)速下的冷卻效率進(jìn)行擬合，可以得到冷卻效率與風(fēng)速之間的關(guān)系式：

式中 a，b，c ——常數(shù)；

u ——風(fēng)速，%；

圖5 淡水及不同濃度海水對冷卻效率的影響Fig.5 Effects of freshwater and seawater of different concentrations on cooling efficiency

擬合數(shù)值見表1。

表1 冷卻效率擬合公式（2）中的待定常數(shù)Tab.1 Constants to be determined in Equation (2) for cooling efficiency fitting

蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的常見風(fēng)速范圍為0.5～3.0 m/s，對于典型風(fēng)速1 m/s時，淡水的冷卻效率比0.5倍、1倍和1.5倍海水濃度的冷卻效率分別高了1.9%，5.0%，7.4%；對于典型風(fēng)速2 m/s時，淡水的冷卻效率比0.5倍、1倍和1.5倍海水濃度的冷卻效率分別高了1.4%，3.6%，5.7%。

雖然海水蒸發(fā)冷卻在實際應(yīng)用時會存在一定的問題，例如填料堵塞、腐蝕以及海水過濾處理等費用，但是用海水代替淡水進(jìn)行蒸發(fā)冷卻仍然具有一定的現(xiàn)實意義。（1）海水蒸發(fā)冷卻經(jīng)過長時間運行，會出現(xiàn)鹽分沉積在填料表面，使填料發(fā)生堵塞現(xiàn)象，從而影響換熱效率；建議定期利用高壓、大流量水沖刷填料，避免鹽分沉積造成填料堵塞；（2）當(dāng)前來看，海水替代淡水進(jìn)行蒸發(fā)冷卻主要可以應(yīng)用于工業(yè)冷卻，例如電力工業(yè)冷卻塔，其應(yīng)用時可以做防腐處理；此外，電力工業(yè)常用的自然通風(fēng)冷卻塔內(nèi)的常見風(fēng)速范圍為0.5～3.0 m/s，風(fēng)速較小，從填料中吹出的海水較少；（3）工業(yè)應(yīng)用時，蒸發(fā)冷卻過程耗水量非常巨大，如果能夠用海水替代淡水進(jìn)行蒸發(fā)冷卻，在很大程度上能夠節(jié)約淡水資源，雖然其應(yīng)用過程中會增加一些額外的費用，如海水過濾處理等費用，但是隨著技術(shù)發(fā)展和成本的降低，海水蒸發(fā)冷卻是沿海地區(qū)節(jié)約淡水資源以及減低海洋熱污染（與海水直流冷卻相比）的有效途徑。

4 結(jié)論

（1）在水流量一定的情況下，淡水與不同濃度的海水用于蒸發(fā)冷卻時，填料引起的空氣壓降幾乎相同；

（2）淡水的冷卻效率高于海水的冷卻效率，且隨著海水濃度的升高冷卻效率降低；在典型風(fēng)速1，2 m/s時，淡水的冷卻效率分別比實際海水（即試驗配制的1倍濃度海水）的高5.0%和3.6%。

（3）綜合而言，用海水替代淡水進(jìn)行蒸發(fā)冷卻時，其引起的空氣側(cè)壓降幾乎無變化，冷卻效率降低較少，可以用海水替代淡水進(jìn)行蒸發(fā)冷卻，實現(xiàn)節(jié)省淡水資源的目標(biāo)。