直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)填料的性能實(shí)驗(yàn)與適用性分析

王 穎 黃 翔 杜 妍 武茁苗 代 聰

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

面對(duì)國家“30·60”雙碳目標(biāo)，傳統(tǒng)機(jī)械制冷的低能效比和高碳排放量對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了不利影響。蒸發(fā)冷卻利用干空氣能為驅(qū)動(dòng)勢(shì)，以水為制冷劑，通過水蒸發(fā)達(dá)到降溫的效果，是一項(xiàng)節(jié)能、低碳、經(jīng)濟(jì)、健康的制冷技術(shù)。在干燥地區(qū)采用直接蒸發(fā)冷卻可以提高新風(fēng)質(zhì)量[1-2]，對(duì)新風(fēng)進(jìn)行加濕冷卻和濕式過濾；在中、高濕度地區(qū)可以對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷和能量回收[3-5]。

填料作為直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)備的核心部件，對(duì)于提升冷卻裝置的性能具有決定性的作用，目前國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)填料的研究主要包含填料的材質(zhì)[6-9]、傳熱傳質(zhì)機(jī)理[10-13]以及填料中的熱質(zhì)交換研究方法[14-16]，并取得了一系列研究成果。

泡沫陶瓷材料具有密度小、比表面積大、強(qiáng)度高、濕挺度高、滯液量低的特點(diǎn)，由于其穩(wěn)定的熱物性和耐腐蝕性，被廣泛應(yīng)用于冶金制造、醫(yī)學(xué)、化工、節(jié)能等領(lǐng)域[17]。本文利用拋光廢渣制備成的泡沫陶瓷材料作為直接蒸發(fā)冷卻的新型填料[18]，實(shí)驗(yàn)研究了相同實(shí)驗(yàn)條件下采用不同材質(zhì)的填料及在不同進(jìn)口空氣狀況下的熱質(zhì)交換特性，測(cè)試分析了不同進(jìn)口空氣質(zhì)量流量對(duì)該裝置熱質(zhì)交換性能的影響，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算并預(yù)測(cè)了直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在西安市通信機(jī)房全年適用小時(shí)數(shù)。

1 直接蒸發(fā)冷卻傳熱傳質(zhì)模型

根據(jù)熱質(zhì)交換基本理論[19]，建立淋水填料層內(nèi)空氣與水的熱濕交換模型進(jìn)行理論分析，假設(shè)空氣在填料內(nèi)移動(dòng)距離為dx時(shí)，其溫度變化為dt，含濕量變化為df。

空氣流量Ga(kg/h)：

Ga=ρuab

(1)

空氣與水之間的顯熱交換量Qx(kJ)：

dQx=Gacpdt=h(t-ts)δabdx

(2)

空氣與水之間的潛熱交換量Qq(kJ)：

dQq=rGadf=rkd(fb-f)δabdx

(3)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；u為空氣流速，m/s；a、b分別為填料迎風(fēng)面的寬度和高度，m；cp為濕空氣比熱，J/kg；h為空氣與水膜傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；t為主體空氣溫度，℃；ts為邊界層空氣濕球溫度，℃；r為溫度為tb時(shí)的水的汽化潛熱，J/kg；kd為質(zhì)傳遞系數(shù)，kg/(m2·s)；f為主體空氣含濕量，g/(kg干空氣)；fb為邊界層空氣含濕量，g/(kg干空氣)；δ為填料的比表面積,m2/m3。

理論上，在絕熱飽和條件下忽略空氣中所攜帶微量的水蒸氣，直接蒸發(fā)冷卻過程為等焓過程。

dQ=dQx+dQq=0

(4)

邊界條件：x=0，t=t1；x=L，t=t2；f=f2。

代入邊界條件對(duì)方程組進(jìn)行求解，可以得到填料厚度為L(zhǎng)時(shí)出口處空氣的狀態(tài)參數(shù)。

(5)

(6)

圖1 直接蒸發(fā)冷卻空氣處理焓濕圖Fig. 1 Enthalpy and humidity diagram of direct evaporative cooling air treatment

實(shí)際的蒸發(fā)冷卻并非絕熱飽和過程，空氣與水膜存在顯熱溫差，在空氣冷卻時(shí)，會(huì)導(dǎo)致焓值增加，直接蒸發(fā)冷卻空氣處理焓濕圖如圖1所示，存在以下兩種情況：1)當(dāng)進(jìn)水溫度高于環(huán)境空氣干球溫度時(shí)，A1狀態(tài)的空氣與水膜接觸進(jìn)行熱濕交換，由于空氣溫度低于水溫，空氣從水中吸收顯熱，被加熱至B狀態(tài)點(diǎn)，在熱濕交換過程中，空氣處理的終狀態(tài)理論上并不處于C點(diǎn)，大多數(shù)空氣會(huì)被處理至D狀態(tài)點(diǎn)，與少部分未與水膜接觸的空氣混合為E狀態(tài)，經(jīng)過風(fēng)機(jī)管道溫升，由F狀態(tài)點(diǎn)送入室內(nèi)。2)進(jìn)水溫度介于空氣進(jìn)口干、濕球溫度之間時(shí)，A2狀態(tài)的空氣被水膜冷卻至B狀態(tài)點(diǎn)，后續(xù)熱濕處理過程與情況1)類似。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

直接蒸發(fā)冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要包括1臺(tái)壓入式風(fēng)機(jī)，1個(gè)電加熱器，2個(gè)循環(huán)水泵，1個(gè)蓄水箱，1套噴霧式布水器，1套噴淋式布水器，2個(gè)蒸發(fā)冷卻填料艙，2個(gè)水流量計(jì)，以及相關(guān)聯(lián)的水管、閥門、過濾器等。實(shí)驗(yàn)臺(tái)一側(cè)是可拆卸的，可以在實(shí)驗(yàn)中更換不同材質(zhì)的填料。

圖2 直接蒸發(fā)冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 2 Direct evaporative cooling experimental system

風(fēng)機(jī)配有變頻器，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置7個(gè)檔位，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制填料艙內(nèi)風(fēng)速(0.8～2.0 m/s)的變化，進(jìn)風(fēng)口有效截面積為0.28 m2，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)各檔位風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算對(duì)應(yīng)風(fēng)量，變頻風(fēng)機(jī)各檔位與風(fēng)量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 變頻器檔位與風(fēng)量對(duì)應(yīng)表Tab. 1 Inverter gears and their corresponding air volume

2.2 實(shí)驗(yàn)材料物性參數(shù)

實(shí)驗(yàn)分別選取外形尺寸為200 mm×500 mm× 600 mm(長(zhǎng)×寬×高)的植物纖維填料、金屬填料、PVC填料和泡沫陶瓷填料進(jìn)行測(cè)試分析，接觸角與導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試儀器如圖3所示，4種填料的接觸角如圖4所示，填料實(shí)物如圖5所示。實(shí)驗(yàn)開始前對(duì)4種填料的接觸角、導(dǎo)熱系數(shù)、比表面積[20]、吸水量等物性參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，具體參數(shù)如表2所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器Fig. 3 Experimental test equipments

圖4 直接蒸發(fā)冷卻填料接觸角Fig. 4 Contact angles of direct evaporative cooling fillers

圖5 直接蒸發(fā)冷卻填料Fig. 5 Direct evaporative cooling fillers

表2 直接蒸發(fā)冷卻填料的主要性能參數(shù)Tab. 2 The main performance parameters of direct evaporative cooling filler

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1)將實(shí)驗(yàn)艙打開，開啟風(fēng)機(jī)使室外空氣進(jìn)入艙體內(nèi)。關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室門窗，待室內(nèi)空氣穩(wěn)定后進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

2)在蒸發(fā)冷卻發(fā)生器內(nèi)裝填實(shí)驗(yàn)填料，關(guān)閉艙門，打開噴淋布水系統(tǒng)。

3)依次調(diào)節(jié)7種變頻器轉(zhuǎn)速，測(cè)量并記錄蒸發(fā)冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)處空氣狀態(tài)參數(shù)。

4)分別在冷卻器的進(jìn)、出風(fēng)口設(shè)置測(cè)點(diǎn)，測(cè)量并記錄實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各斷面處空氣狀態(tài)參數(shù)，數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，開啟實(shí)驗(yàn)室門窗使新風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)。

5)更換不同實(shí)驗(yàn)材質(zhì)的填料，重復(fù)步驟2)～4)。

6)實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作結(jié)束，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

2.4 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

直接蒸發(fā)冷卻裝置對(duì)環(huán)境溫度的冷卻能力用直接蒸發(fā)冷卻效率來衡量，計(jì)算式為：

(7)

式中：tg1為進(jìn)風(fēng)干球溫度，℃；tg2為出風(fēng)干球溫度，℃；ts1為進(jìn)風(fēng)濕球溫度，℃。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 直接蒸發(fā)冷卻效率

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，控制進(jìn)風(fēng)平均干球溫度34.94 ℃、濕球溫度24.66 ℃的空氣風(fēng)量保持在800 m3/h，淋水密度保持在15 kg/(m·h)以保證填料表面得到充分的濕潤(rùn)，通過調(diào)節(jié)變頻器以每次200 m3/h的風(fēng)量遞增至2 000 m3/h，完成對(duì)進(jìn)口風(fēng)速0.8～2.0 m/s范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。不同填料下直接蒸發(fā)冷卻效率η的變化如圖6所示。

圖6 直接蒸發(fā)冷卻效率隨進(jìn)口風(fēng)速的變化Fig. 6 Variation of direct evaporative cooling efficiency with inlet wind speed

由圖6可知，4種填料的直接蒸發(fā)冷卻效率隨進(jìn)口風(fēng)速的增加呈先升后降的趨勢(shì)，植物纖維填料在進(jìn)口風(fēng)速為1.6 m/s時(shí)，直接蒸發(fā)冷卻效率最高可達(dá)82.93%；泡沫陶瓷填料在進(jìn)口風(fēng)速1.2 m/s時(shí)，效率穩(wěn)定在71.29%；PVC填料和金屬填料效率變化趨勢(shì)類似，在進(jìn)口風(fēng)速1.0 m/s時(shí)，直接蒸發(fā)冷卻效率分別為54.85%和55.34%。

3.2 進(jìn)出口空氣溫降

圖7所示為在4種填料下蒸發(fā)冷卻器中空氣進(jìn)出口溫降隨進(jìn)口風(fēng)速的變化。由圖7可知，進(jìn)出口溫降隨著進(jìn)口風(fēng)速的增加先升高后降低，最佳進(jìn)口風(fēng)速下，植物纖維填料、泡沫陶瓷填料、PVC填料和金屬填料的溫降峰值分別為8.5、7.2、5.6、5.7 ℃。

圖7 進(jìn)出口溫降隨進(jìn)口風(fēng)速的變化Fig. 7 Variation of inlet and outlet temperature drop with inlet wind speed

由圖6～圖7可知，由于植物纖維填料和泡沫陶瓷填料具有優(yōu)良的吸水性，水膜附著在填料表面不易脫落，隨著進(jìn)口空氣流量的增加，氣水界面的普朗克數(shù)(Pr)增加，氣流進(jìn)一步擾動(dòng)水膜表面的邊界層，有效增強(qiáng)了空氣與填料表面水膜的熱質(zhì)交換系數(shù)(hd)，提高了傳熱效果，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，植物纖維填料和泡沫陶瓷填料適用于進(jìn)口風(fēng)速較高的工況。而PVC填料和金屬填料本身水膜附著性較差，高風(fēng)速時(shí)水膜更加難以穩(wěn)定的附著在填料表面，填料表面容易存在干點(diǎn)，同時(shí)隨著風(fēng)速的持續(xù)增加，空氣與水膜的接觸時(shí)間降低，進(jìn)一步減弱熱濕交換的效果，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，PVC填料和金屬填料適用于進(jìn)口風(fēng)速較低的工況。

3.3 進(jìn)出口空氣壓降

填料的壓降反映了氣液介質(zhì)通過填料層時(shí)氣相所克服的阻力，是填料重要的特性之一。圖8所示為4種填料的壓降隨進(jìn)口風(fēng)速的變化。由圖8可知，4種填料壓降隨進(jìn)口風(fēng)速的增大而增大；在進(jìn)口風(fēng)速相同時(shí)，植物纖維填料和泡沫陶瓷填料的壓降要顯著高于其余2種填料，這是因?yàn)橹参锢w維填料和泡沫陶瓷填料內(nèi)部的有效通道面積大部分被液體所占據(jù)，液膜與流道內(nèi)氣體的摩擦力急劇增大，從而使壓降增大。

圖8 不同填料的壓降分布Fig. 8 Pressure drop distribution of different fillers

由圖6～圖8可知，實(shí)驗(yàn)中植物纖維填料的傳熱效果最好，泡沫陶瓷填料次之，PVC填料與金屬填料較差。結(jié)合不同填料的溫降幅度和壓降分布情況，填料在工程實(shí)際應(yīng)用中，最適合的進(jìn)風(fēng)量不一定是填料傳熱效率最高的狀態(tài)點(diǎn)，需要考慮由于填料的壓降帶來的風(fēng)機(jī)能耗問題。

綜合實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，在進(jìn)口風(fēng)速低于1.2 m/s時(shí)，植物纖維填料與泡沫陶瓷填料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)較為相似，在風(fēng)速大于1.2 m/s時(shí)，兩者呈現(xiàn)顯著差異性，植物纖維填料的最佳進(jìn)口風(fēng)速為1.6 m/s，泡沫陶瓷填料最佳進(jìn)口風(fēng)速為1.2 m/s?？紤]到泡沫陶瓷填料本身采用陶瓷拋光廢渣制備而成，廢物利用，成本較低、耐高溫、耐腐蝕、材料的剛性較好，在實(shí)際應(yīng)用過程中不會(huì)因使用年限的增加而降低堅(jiān)挺程度，從而影響蒸發(fā)冷卻的傳熱效果；隨著使用年限的增加，若泡沫陶瓷填料自身的多孔結(jié)構(gòu)被水垢堵塞時(shí)，可以重新打碎研磨燒制，循環(huán)經(jīng)濟(jì)且可二次利用。相比于成本較高、耐久性、耐腐蝕性和耐火性較差的植物纖維填料具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)。泡沫陶瓷填料綜合解決了目前蒸發(fā)冷卻行業(yè)使用填料吸水性、堅(jiān)挺程度、防火性差的問題。

4 通信機(jī)房的適用性分析

4.1 通信機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范

根據(jù)中華人民共和國通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 1821—2018《通信局(站)機(jī)房環(huán)境條件要求與檢測(cè)方法》[21]，通信機(jī)房?jī)?nèi)空氣的溫濕度要求如表3所示。

表3 通信機(jī)房?jī)?nèi)空氣的溫濕度要求Tab. 3 Temperature and humidity requirements of the air in the communication equipment room

通信機(jī)房?jī)?nèi)顯熱量高、濕負(fù)荷小、顯熱比高，直接蒸發(fā)冷卻大風(fēng)量送風(fēng)方式可以很好的緩解室內(nèi)空氣相對(duì)濕度較低的問題，有效消除局部熱點(diǎn)和灰塵堆積的問題，此外填料也可以起到濕式過濾的作用，有效保證室內(nèi)送風(fēng)品質(zhì)，滿足機(jī)房?jī)艋蟆?/p>

4.2 適用小時(shí)數(shù)

以普適的二類通信機(jī)房為標(biāo)準(zhǔn)，取通信機(jī)房送風(fēng)溫度為28 ℃，相對(duì)濕度為80%，此時(shí)室內(nèi)送風(fēng)濕球溫度ts為25.17 ℃；當(dāng)室外干球溫度小于16 ℃時(shí)，采取新風(fēng)自然冷卻模式，通過對(duì)4種填料的性能測(cè)試，取植物纖維填料η為75%，泡沫陶瓷填料η為65%，PVC填料和金屬填料η為55%，根據(jù)直接蒸發(fā)冷卻過程等焓降溫的特性(ts為tg1和tg2對(duì)應(yīng)的濕球溫度)，當(dāng)室外濕球溫度ts不高于25.17 ℃時(shí)，由式(7)計(jì)算得到4種填料運(yùn)行蒸發(fā)冷卻模式時(shí)，室外干球溫度的切換點(diǎn)分別為36.49、33.25、31.46 ℃。

(8)

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)[22]和西安市室外氣象參數(shù)的實(shí)測(cè)值[23]，對(duì)應(yīng)用于中等濕度地區(qū)西安市的通信機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)進(jìn)行了逐時(shí)的氣象統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖9所示。

圖9 西安市通信機(jī)房空調(diào)冷卻系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)間Fig. 9 Communications room air conditioning cooling system running time throughout the year in Xi′an

由圖9可知，以直接蒸發(fā)冷卻為冷源的通信機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)，采用植物纖維填料時(shí)全年運(yùn)行4 126 h，全年占比47.10%；采用泡沫陶瓷填料時(shí)運(yùn)行全年3 115 h，全年占比35.56%；采用PVC和金屬填料時(shí)全年運(yùn)行全年2 582 h，全年占比29.47%。機(jī)房?jī)?nèi)全年只需在極端天氣條件下開啟機(jī)械制冷，由此可知，對(duì)于通信機(jī)房等對(duì)送風(fēng)相對(duì)濕度要求較為寬泛的應(yīng)用場(chǎng)所，采用直接蒸發(fā)空調(diào)冷卻系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

本文搭建了直接蒸發(fā)冷卻實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)蒸發(fā)冷卻空調(diào)填料的換熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)比分析了植物纖維填料、泡沫陶瓷填料、PVC填料及金屬填料的物性參數(shù)、進(jìn)風(fēng)量、壓降對(duì)其傳熱傳質(zhì)性能的影響，得到如下結(jié)論：

1)通過對(duì)焓濕圖和傳熱機(jī)理的分析，實(shí)際的蒸發(fā)冷卻并非絕熱飽和過程，空氣與水膜存在的顯熱溫差和外界熱量的輸入會(huì)導(dǎo)致在空氣冷卻時(shí)焓值增加。

2)根據(jù)性能測(cè)試，最優(yōu)工況下植物纖維填料、泡沫陶瓷填料、PVC填料和金屬填料的直接蒸發(fā)冷卻效率分別為82.93%、71.29%、54.85%和55.34%，植物纖維填料的壓降最高，金屬填料的壓降最低，最適合的進(jìn)風(fēng)量不一定是填料傳熱效率最高的狀態(tài)點(diǎn)，需要考慮由于填料的壓降帶來的風(fēng)機(jī)能耗問題。

3)預(yù)測(cè)了直接蒸發(fā)冷卻的空調(diào)系統(tǒng)在西安市通信機(jī)房全年適用小時(shí)數(shù)，采用植物纖維填料時(shí)運(yùn)行4 126 h，全年占比47.10%；采用泡沫陶瓷填料時(shí)運(yùn)行3 115 h，全年占比35.56%；采用PVC和金屬填料時(shí)全年運(yùn)行2 582 h，全年占比29.47%，具有良好的節(jié)能效果。

本文受深圳市科技研發(fā)可持續(xù)發(fā)展資金(KCXFZ20201221173409026)資助。(The project was supported by Shenzhen Sustainable Development Science and Technology Project(No. KCXFZ20201221173409026).)