基于兩種不同材料的間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體的試驗(yàn)研究

屈名勛 黃 翔 金洋帆 陳 夢 武茁苗

（西安工程大學(xué) 西安 710048）

0 引言

隨著國家為應(yīng)對全球氣候挑戰(zhàn)而出臺的“2030年達(dá)到碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)的提出[1]，使得“節(jié)能減碳”將成為國家各行各業(yè)未來發(fā)展中需要著重關(guān)心的核心問題之一。節(jié)能環(huán)保的“蒸發(fā)冷卻技術(shù)”也將扮演著更加重要的角色，在各行各業(yè)將得到更為廣泛的應(yīng)用。特別是在未來高效適用的間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)將成為數(shù)據(jù)中心、大型公共建筑、工業(yè)廠房等領(lǐng)域節(jié)能降耗的優(yōu)質(zhì)技術(shù)選擇[2,3]。而對于間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)備性能的提升而言，其核心所在是提高間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體的性能，而換熱芯體性能提升的關(guān)鍵因素之一就在于芯體制作材料的合理選取。通過對不同材料間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體的試驗(yàn)研究，結(jié)合不同材料特性對芯體效率影響的理論分析，為芯體的科學(xué)選材提出合理意見是尤為關(guān)鍵的。

1 試驗(yàn)研究

1.1 兩種不同材料間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體試驗(yàn)臺

圖1 為涂有親水涂層的金屬鋁箔芯體的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)試驗(yàn)平臺。該試驗(yàn)平臺間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體為傾斜45°擺放，二次空氣由左下部進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入濕通道，流經(jīng)濕通道后由機(jī)組右上部二次排風(fēng)口排出，一次空氣由右下方進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入干通道，流經(jīng)干通道后由機(jī)組左上部一次送風(fēng)口送出。該試驗(yàn)臺四個進(jìn)、出風(fēng)口尺寸均為250mm×250mm。一次風(fēng)機(jī)為EC 變頻風(fēng)機(jī)，二次風(fēng)機(jī)為變頻離心風(fēng)機(jī)，一次風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍為500m3/h～1800m3/h，二次風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍為500m3/h～2200m3/h。親水鋁箔芯體為獨(dú)立一次空氣進(jìn)風(fēng)，二次空氣為室外新風(fēng)，間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體具有上下兩套布水裝置，一二次進(jìn)風(fēng)均具有預(yù)熱裝置。

圖1 涂有親水涂層的金屬鋁箔芯體間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)試驗(yàn)平臺Fig.1 Indirect evaporative cooling air conditioning test platform with a metal aluminum foil core coated with a hydrophilic coating

圖2 為改性高分子聚合物芯體的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)試驗(yàn)平臺。該試驗(yàn)平臺間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體為傾斜90°擺放，二次空氣由左下方進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入濕通道，流經(jīng)濕通道后由機(jī)組頂部二次排風(fēng)口排出，一次空氣由左上方進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入干通道，流經(jīng)干通道后由機(jī)組右側(cè)送風(fēng)口送出。該試驗(yàn)臺其一次風(fēng)進(jìn)口尺寸為800mm×550mm、出口尺寸為250mm×250mm，二次風(fēng)進(jìn)口尺寸為800mm×350mm。該間接蒸發(fā)冷卻試驗(yàn)平臺一次風(fēng)機(jī)為變頻離心風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)為EC 變頻風(fēng)機(jī)，一次風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍為500m3/h～1800m3/h， 二次風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍為500m3/h～3000m3/h，此芯體一次空氣進(jìn)風(fēng)與二次進(jìn)風(fēng)同為室外新風(fēng)間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體，布水為上部噴淋布水裝置，一、二次進(jìn)風(fēng)也都具有預(yù)熱裝置。

圖2 改性高分子聚合物換熱芯體間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)試驗(yàn)平臺Fig.2 Modified polymer heat exchange core indirect evaporative cooling air conditioning test platform

1.2 間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的原理與性能分析

間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組其核心在于內(nèi)部的間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體，目前間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體的主要形式有：板翅式、臥管式、立管式、板管式等多種形式[4]。近些年來在實(shí)際應(yīng)用中，由于板翅式間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體的結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率較高而被廣泛應(yīng)用，板翅式間接蒸發(fā)冷卻結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 板翅式間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體示意圖Fig.3 Schematic diagram of plate-fin indirect evaporative cooling heat exchange core

間接蒸發(fā)冷換熱芯體使被冷卻空氣（一次空氣）不與水接觸，利用隔有間壁的二次空氣與水接觸，使得二次通道發(fā)生直接蒸發(fā)冷卻過程，二次空氣溫度下降從而通過間壁傳熱降低一次空氣溫度，間接蒸發(fā)冷卻的主要特點(diǎn)是降低一次空氣溫度的同時保持一次空氣的含濕量不變，其理論最低溫度可降至二次空氣的濕球溫度。間接蒸發(fā)冷換熱芯體濕工況下空氣處理過程如圖4所示，此時二次通道淋水。一次空氣被從N 進(jìn)口狀態(tài)等濕冷卻到O 狀態(tài)點(diǎn)、二次通道中二次空氣則由W 進(jìn)口狀態(tài)近似等焓加濕降溫到W1狀態(tài)點(diǎn)。

圖4 間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體濕工況空氣處理過程Fig.4 The air treatment process of the indirect evaporative cooling heat exchange core under wet conditions

間接蒸發(fā)冷卻器的蒸發(fā)效率計算公式為：

式中，η濕為間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體濕模式下蒸發(fā)冷卻濕球效率，%；tg1,in為一次空氣進(jìn)風(fēng)干球溫度，℃；tg1,out為一次空氣出風(fēng)干球溫度，℃；tS2,in二次空氣進(jìn)風(fēng)干球溫度，℃。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)過程及參數(shù)測量

對于以上兩個試驗(yàn)平臺進(jìn)行測試，采用如表1所示的Testo 174H 溫濕度自計儀測試機(jī)及多路數(shù)據(jù)記錄儀、Testo 405V1 熱敏式風(fēng)速儀等儀器分別對每個實(shí)驗(yàn)平臺四個一、二次空氣進(jìn)出風(fēng)的干、濕球溫度以及相對濕度、風(fēng)速進(jìn)行測量。測點(diǎn)均勻的布置在對應(yīng)的風(fēng)口處，試驗(yàn)中各個進(jìn)、出風(fēng)截面的測點(diǎn)布置如圖5所示，各個進(jìn)出風(fēng)截面均勻布置2個測點(diǎn)，最后取其平均值[5-7]。

表1 主要測試儀表Table 1 Main test instruments

圖5 機(jī)組進(jìn)、出風(fēng)截面測點(diǎn)布置圖Fig.5 Layout of measuring points for the air inlet and outlet cross-sections of the unit

間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組風(fēng)量的計算公式為：

式中：qv為風(fēng)量，m3/s；vp為斷面平均風(fēng)速，m/s；F為測定斷面的面積，m2。

2.2 不同環(huán)境溫度下不同材料芯體的性能分析

（1）過渡季節(jié)工況下不同芯體的溫降及效率

如圖6所示，為試驗(yàn)在選取過渡季節(jié)典型日即二次空氣即室外新風(fēng)干球溫度在18℃～24℃之間，濕球溫度在8℃～16℃，其中親水鋁箔芯體的一次空氣進(jìn)風(fēng)干球溫度在25.5℃～28.5℃之間，對兩種材料芯體進(jìn)行相同布水壓力下即0.4MPa 壓力下，在風(fēng)量為1500m3/h、二/一風(fēng)量比1:1 的工況下進(jìn)行試驗(yàn)。親水鋁箔芯體的一次空氣平均出風(fēng)溫度18.36℃，改性高分子芯體一次空氣出風(fēng)平均溫度16.42℃。圖7為該工況下其中親水鋁箔芯體平均濕球效率63.1%、改性高分子芯體平均濕球效率64.4%。

圖6 過渡季節(jié)工況下不同材料芯體溫降Fig.6 The temperature drop of different material cores in the transitional season

圖7 過渡季節(jié)工況下不同材料芯體濕球效率Fig.7 Wet bulb efficiency of different material cores in transitional seasons

（2）高溫工況下的不同芯體的溫降及效率

如圖8所示，為試驗(yàn)在選取夏季典型日即二次空氣即室外新風(fēng)干球溫度在29.5℃～35℃之間，其中親水鋁箔芯體的一次空氣進(jìn)風(fēng)干球溫度在37℃～40.5℃之間，二次空氣濕球溫度在17℃～23℃時，對兩種材料芯體進(jìn)行相同布水壓力下即0.4MPa 壓力下，在風(fēng)量為1500m3/h、二/一風(fēng)量比1:1 的工況下進(jìn)行試驗(yàn)。親水鋁箔芯體的一次空氣平均出風(fēng)溫度27.34℃，改性高分子芯體一次空氣出風(fēng)平均溫度25.02℃。圖9 為該工況下，親水鋁箔芯體平均濕球效率64.13%、改性高分子芯體平均濕球效率67%。

圖8 高溫況下不同材料芯體溫降Fig.8 The temperature drop of different material cores under high temperature conditions

圖9 高溫工況下不同材料芯體濕球效率Fig.9 Wet bulb efficiency of different material cores under high temperature conditions

2.3 不同二/一次風(fēng)量比下不同材料芯體的性能分析

（1）不同風(fēng)量比下不同芯體的溫降

在室外氣象參數(shù)為空氣干球溫度在29℃～35℃，空氣相對濕度在27%～40%之間，其中進(jìn)入親水鋁箔芯體一次空氣進(jìn)風(fēng)溫度在32℃～38℃之間，改性高分子芯體二、一次側(cè)空氣都為室外新風(fēng)，以一次側(cè)風(fēng)量為1500m3/h 為基礎(chǔ)下分別在二/一次風(fēng)量比分別為1:1、1.2:1、1.5:1 的三種風(fēng)量比下進(jìn)行試驗(yàn)。如圖10所示，改性高分子芯體在風(fēng)量比為1:1 時，一次空氣溫平均降幅度最大達(dá)到9.76℃；親水鋁箔芯體在風(fēng)量比為1.2:1 時，一次空氣平均溫降幅度最大達(dá)到13.11℃。同時由圖10 可知，在進(jìn)入親水鋁箔芯體一次空氣平均干球溫度比進(jìn)入改性高分子芯體的一次空氣平均干球溫度高3℃，兩個芯體的二次空氣都為同樣的室外空氣時，親水鋁箔芯體的平均溫降比改性高分子芯體高3.5℃，同時也可得到在間接蒸發(fā)冷卻中一次空氣溫度越高，在同樣二次空氣條件下一次空氣的溫降幅度越大。

圖10 不同二/一次風(fēng)量比下不同材料芯體一次空氣溫降Fig.10 Primary air temperature drop of different material cores under different ratios of secondary/primary air volume

（2）不同風(fēng)量比下不同芯體的效率

如圖11所示，改性高分子芯體在風(fēng)量比為1:1時其平均濕球效率達(dá)到最大值68.8%，親水鋁箔芯體在風(fēng)量比為1.2:1 時，其平均濕球效率達(dá)到最大值64.3%。并且由圖11 可知，最佳風(fēng)量比下親水鋁箔芯體最佳效率值為69%，最佳風(fēng)量比下改性高分子芯體最佳效率值為74%。并且在兩個芯體的二次空氣都為同樣的室外空氣時，而進(jìn)入親水鋁箔芯體一次空氣平均干球溫度比進(jìn)入改性高分子芯體的一次空氣平均干球溫度高3℃的工況下，高分子芯體的平均濕球效率比親水鋁箔芯體高4.6%。由此可見改性高分子芯體整體的換熱效率是優(yōu)于親水鋁箔芯體的。

圖11 不同二/一次風(fēng)量比下不同材料芯體濕球效率Fig.11 Wet bulb efficiency of different material cores under different ratios of secondary/primary air volume

3 不同材料特性對間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體性能影響分析

3.1 現(xiàn)階段間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體材料的分類

現(xiàn)階段在間接蒸發(fā)冷卻芯體制作中，芯體材料的選擇分別有金屬鋁箔、涂有親水涂層的金屬鋁箔、高分子聚合物、親水改性高分子聚合物以及多孔陶瓷材料等6 大種材料。這6 種間接蒸發(fā)冷卻芯體材料的材料特性在一般夏季工況（即：芯體進(jìn)風(fēng)干球溫度在28℃～35℃，相對濕度在35%～45%）時，對間接蒸發(fā)冷卻芯體的間接蒸發(fā)冷卻濕球效率以及傳熱速率的影響如表2所示[8-13]。

表2 不同材料的間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體主要性能參數(shù)Table 2 Main performance parameters of indirect evaporative cooling heat exchange cores of different materials

3.2 材料對間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體換熱效果的影響

對于間接蒸發(fā)冷卻芯體而言其熱傳遞主要在二、一側(cè)間壁兩側(cè)進(jìn)行，其間壁換熱原理示意圖如圖12所示，上部為干通道，下部為材料壁面附有水膜的濕通道，在濕通道側(cè)應(yīng)該有更加好的親水性、散濕性。因?yàn)闈裢ǖ赖挠H水性與材料表面的散濕性決定著濕通道水膜附著的均勻程度、水膜的厚度、水膜擴(kuò)散蒸發(fā)的快慢，水膜的附著情況的優(yōu)劣決定著濕通道氣水進(jìn)行熱濕交換（即就是水膜發(fā)生相變通過吸收一/二次間壁、二次空氣以及水膜自身的熱將顯熱轉(zhuǎn)化為二次空氣的潛熱過程）的蒸發(fā)過程進(jìn)行的優(yōu)劣，而材料的導(dǎo)熱系數(shù)決定了一次空氣通過一/二次間壁的導(dǎo)熱將熱量傳遞到二次通道的導(dǎo)熱速度的快慢。因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)芯體材料壁厚都做不到可忽略導(dǎo)熱系數(shù)影響的0.28mm 以下[14]，所以材料本身的導(dǎo)熱性也影響著間壁傳熱的主要因素之一。

圖12 間接蒸發(fā)冷卻芯體間壁換熱原理示意圖Fig.12 Schematic diagram of heat transfer principle of indirect evaporative cooling core wall

由表2 可知，在相同條件下芯體的間接蒸發(fā)冷卻濕球效率與材料特性中濕通道材料表面的親水性呈負(fù)相關(guān)，即芯體材料的親水性（接觸角）越大而其濕球效率降越低。其結(jié)果與上部分試驗(yàn)結(jié)果反應(yīng)一致，其中濕球效率由高到低依次為：親水改性高分子聚合物＞涂有親水涂層的金屬鋁箔＞金屬鋁箔＞高分子聚合物＞多孔陶瓷；材料的導(dǎo)熱系數(shù)與芯體二、一側(cè)次導(dǎo)熱速率呈正相關(guān)，其導(dǎo)熱速率的快慢順序依次為：金屬鋁箔＞涂有親水涂層的金屬鋁箔＞改性高分子聚合物＞聚合物纖維＞高分子聚合物＞多孔陶瓷。所以在選材中應(yīng)結(jié)合干濕通道的差異性綜合考量來選取。

4 結(jié)論

（1）在典型過渡季節(jié)工況下，其中親水鋁箔芯體平均濕球效率63.1%、改性高分子芯體平均濕球效率64.4%。在典型夏季工況時，親水鋁箔芯體平均濕球效率64.13%、改性高分子芯體平均濕球效率67%。同時由分析可知改性高分子芯體的親水性優(yōu)于親水鋁箔芯體，且高分子材料表面的散濕性也較好。雖然親水鋁箔芯體材料的導(dǎo)熱性比改性高分子芯體高約30～200 倍左右，但實(shí)驗(yàn)表明改性高分子芯體整體濕球效率優(yōu)于親水鋁箔芯體，所以對于間接蒸發(fā)冷卻而言，濕通道材料表面的親水性以及散濕性對于間接蒸發(fā)冷卻效率的影響更為關(guān)鍵。

（2）通過實(shí)驗(yàn)表明，改性高分子芯體在風(fēng)量比為1:1 時其平均濕球效率達(dá)到最大值68.8%，親水鋁箔芯體在風(fēng)量比為1.2:1 時其平均濕球效率達(dá)到最大值64.3%。則說明對于親水鋁箔芯體材料而言其導(dǎo)熱性較好，可實(shí)現(xiàn)一、二側(cè)熱量的快速傳遞，所以其最佳二/一次風(fēng)量比為1.2:1。而改性高分子芯體因?yàn)椴牧蠈?dǎo)熱系數(shù)較小，所以其一、二側(cè)熱量的快速傳遞較慢，所以其需要較小的風(fēng)量比以實(shí)現(xiàn)換熱時間上的補(bǔ)償以取得更最優(yōu)的換熱效果。

（3）對于間接蒸發(fā)冷卻芯體的材料而言間接蒸發(fā)冷卻濕球效率與材料特性中濕通道材料表面的親水性表征參數(shù)接觸角呈負(fù)相關(guān)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)與芯體一、二次側(cè)導(dǎo)熱速率呈正相關(guān)。在間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體材料選取之中應(yīng)綜合考慮材料特性差異對間接蒸發(fā)冷卻芯體濕通道水膜附著情況對芯體蒸發(fā)效果、材料自身導(dǎo)熱系數(shù)對一、二次側(cè)的間壁導(dǎo)熱速率的影響，綜合考量來選取。