帶盤管直接蒸發式冷卻器的冷卻性能研究

王曉玲 周亞素 李雪 張盼 楊俊杰

東華大學環境科學與工程學院

0 引言

蒸發冷卻技術是通過水與空氣的熱濕交換來獲取冷量的一種高效、環保的冷卻方式。目前，蒸發冷卻技術有直接蒸發式冷卻與間接蒸發式冷卻，直接蒸發冷卻處理空氣前后的溫差可達到初始狀態干濕球溫差的85%左右，但空氣被冷卻的同時也被加濕，因而不宜使用于對空氣濕度有要求的場合[1-4]。間接蒸發冷卻是利用直接蒸發冷卻處理后的空氣（二次空氣）或水，通過換熱器冷卻另外一股空氣（一次空氣），其中一次空氣不與水接觸，其含濕量不變[5]。由于間接蒸發冷卻的降溫能力有限，且排至室外的二次空氣的冷量利用不夠充分，因此間接蒸發冷卻常與直接蒸發冷卻組合使用[6]。相比直接蒸發冷卻與間接蒸發冷卻組合使用的形式，本課題研究的帶盤管的直接蒸發式冷卻器與其空氣處理過程相似，結構更為簡單，能更好地將蒸發式冷卻的節能環保理念表達出來。

該帶盤管的直接蒸發式冷卻器是一種在直接蒸發冷卻段前加翅片盤管的冷卻器，即在通過填料段噴淋進行直接蒸發冷卻之前使空氣經過了翅片盤管進行預冷[7]。該冷卻器既有在盤管段的等濕降溫，又有在填料段通過直接蒸發冷卻的等焓降溫，可以很好解決被處理空氣的濕度問題，又實現了蒸發冷卻技術的經濟性。

1 實驗裝置及實驗方法

該帶盤管的兩級蒸發式冷風機的實驗裝置見圖1，本次實驗體為外罩用亞克力制作，透明可視，便于觀察，機體外部結構尺寸為500 mm×500 mm×1500 mm。冷風機側面進風，進風口安裝整流格柵，以保證進風均勻，填料兩側設置有擋水板，以降低飄水率。

圖1 帶盤管的兩級蒸發式冷風機裝置圖

裝置內存在循環水和空氣兩種流體。循環水從集水箱經水管一部分進入翅片盤管，換熱后流回集水箱。一部分由泵進入噴淋系統，均勻噴灑在填料上換熱后流回集水箱，而空氣經過橫流的方式在盤管段與填料段進行了冷卻?？諝庠诔崞P管段與循環水發生導熱、對流換熱，只存在顯熱交換。空氣在填料段與其表面上的蒸發水發生潛熱交換和顯熱交換。因此，經過兩次冷卻，該帶盤管直接蒸發式冷卻器可以將空氣以較低的溫度送入室內。

本實驗是溫濕度獨立控制室內進行，在實驗平臺內布置多個溫度測試點，通過數據采集儀PT100收集實驗數據，并輔助以多參數通風測試儀TSI 9555A測量實驗所需數據。

2 實驗數據處理

1）水側換熱量計算

水側換熱量為盤管段和填料段得熱量之和，按下式計算：

式中：Qw為被測系統水側換熱量，kW；mw為通過被測段的平均水流量，kg/s；Cpw為水的定壓比熱，kJ/(kg·℃)；tw1，tw2為進入和離開被測段的循環水溫度，℃。

2）空氣側換熱量計算

空氣側換熱量按下式計算：

式中：Qa為被處理空氣的換熱量，kW；ma為被處理空氣的平均流量，kg/s；ta1，ta2為空氣進出口的干球溫度，℃。

3）熱平衡誤差計算

在數據采集完畢后，需按照式（3）校核系統空氣的散熱量與循環水的吸熱量，初步評定測量數據的可靠性，根據熱平衡原理，兩者熱平衡誤差ε在7%以內視為有效。

4）冷卻效率計算

對于該帶盤管直接蒸發式冷卻器冷卻能力的分析，采用冷卻效率η來評價，它能反映蒸發冷卻在系統內的完善程度：

式中：ts為空氣進口的濕球溫度，kW。

3 實驗結果及分析

3.1 帶盤管直接蒸發式冷卻器空氣處理模式

直接蒸發冷卻的空氣處理是等焓過程，如圖2的過程，而該帶盤管的蒸發式冷卻器在淋水填料前加置翅片管，被處理空氣在其中先被預冷，然后再進行直接蒸發冷卻，即理論上新風先經翅片管的等濕降溫，再經等焓過程達到送風狀態。

圖2 蒸發式冷卻h-d圖

3.2 帶盤管直接蒸發式冷卻器的性能實驗分析

根據國標GB/T25860-2010《蒸發式冷氣機》對實驗工況的要求，進口空氣狀態設置為標準干工況，干球溫度為38℃±0.5℃，濕球溫度為23℃±0.5℃，允許0.5℃的誤差。實驗過程中保持總循環水量為2.5 m3/h?？諝庥骘L速取 1.0 m/s，1.5 m/s，2.0 m/s，2.5 m/s，當固定一個風速時，改變盤管段流量與填料段流量配比為0:2.5、0.5:2.0、1.0:1.5、1.5:1.0、2.0:0.5、2.5:0，即盤管流量占比分別為：0%、20%、40%、60%、80%、100%，運行該帶盤管直接蒸發式冷卻器，讀取空氣出口干濕球溫度、壓力損失等參數，通過運算分析冷卻器的盤管流量占比與迎面風速對冷卻效率和壓力損失的影響。

3.2.1 盤管流量占比對冷卻效率的影響

將溫濕度獨立控制室設置為標準干工況，控制空氣迎面風速分別為 1.0m/s，1.5 m/s，2.0 m/s，2.5 m/s，在每個風速下改變盤管流量占比為0%、20%、40%、60%、80%、100%，得到每一個工況下的空氣出口干球溫度，經過計算得出每一個工況下的冷卻效率，如圖3所示。

圖3 冷卻效率與盤管流量占比的關系

由圖3可以看出，冷卻效率先是隨著盤管流量占比的增大而增大，當盤管流量占比為40%時冷卻效率最大，在風速為2.5 m/s時可達到104%，此時其實際溫降大于理論上的最大溫降。之后冷卻效率開始隨著盤管流量占比的增大而降低，且下降的幅度逐漸增大，說明盤管段流量占比的增大對冷卻效果的作用越來越小。

如圖3，當盤管流量占比為0%時，即帶盤管直接蒸發式冷卻器無盤管預冷作用，相當于直接蒸發式冷卻器，此時的空氣溫降全部依靠直接蒸發冷卻進行等焓降溫，其冷卻效率約在80%左右。當盤管流量占比為100%時，即帶盤管直接蒸發式冷卻器相當于一個干式盤管換熱器，其冷卻效率明顯較低，均在40%以下。由上可知，當盤管流量占比為0%比盤管流量占比為100%的冷卻效率更大，證明了直接蒸發冷卻技術的冷卻效果比干式盤管換熱器的冷卻效果更好。

3.2.2 空氣迎面風速對冷卻效率的影響

對于帶盤管直接蒸發式冷卻器，空氣迎面風速時另一個重要的影響因素，為了更好的比較空氣迎面風速對帶盤管直接蒸發式冷卻器冷卻效率的影響，選擇了三個盤管流量配比分別為0%、40%、100%的單工況進行分析。

圖4 冷卻效率與空氣迎面風速的關系

如圖4所示為盤管流量占比分別為0%，40%，100%時冷卻效率與空氣迎面風速的關系。當盤管流量占比為0%時，只有填料段進行直接蒸發冷卻。圖中曲線可以看出，此時冷卻效率隨空氣的迎面風速呈直線遞增變化，由于氣流速度的增加強化了在填料段進行的直接蒸發冷卻效果。因此，當盤管流量占比為0%時，帶盤管直接蒸發式冷卻器的冷卻效率隨風速的增大而增大。

當盤管流量占比為40%時，由圖中曲線可以看出，此時冷卻效率隨空氣的迎面風速的增加先增大后減小，當風速為1 m/s時冷卻效率可達到98.7%，風速為1.5 m/s時冷卻效率降低到88.7%，之后又隨著風速的增大而增大，當風速為2.5 m/s時冷卻效率可達到104%，由于盤管間接冷卻與填料的直接蒸發冷卻受風速變化的影響不同而導致的。因此，當盤管流量占比為40%時，帶盤管直接蒸發式冷卻器的冷卻效率隨風速的增大先增大后減小，當風速為2.5 m/s時該帶盤管直接蒸發式冷卻器的冷卻效率最大。

當盤管流量占比為100%時，只有盤管段進行間接的等濕冷卻。由圖中曲線可以看出，此時冷卻效率隨空氣的迎面風速的增加近似呈直線遞減變化，由于盤管段的間接冷卻主要靠空氣與盤管的換熱面進行對流換熱，風速的增大導致換熱不能更加充分，換熱效果降低。因此，當盤管流量占比為100%時，帶盤管直接蒸發式冷卻器冷卻效率隨風速的增大而減小。

3.2.3 空氣迎面風速對壓力損失的影響

在分析帶盤管直接蒸發式冷卻器的冷卻性能時，壓力損失是一個重要的參考因素，因此本文中將實驗平臺在不開啟水系統，僅打開風系統的情況下，改變空氣迎面風速，觀察壓力損失的變化。

如圖5所示為壓力損失與空氣迎面風速的關系曲線?？梢钥闯觯瑤ПP管直接蒸發式冷卻器的壓力損失隨風速的增大近似呈線性增長，因此考慮到壓力損失的影響，盡管隨著空氣的迎面風速的增冷卻效率增大，但是伴隨著壓力損失也直線增長，故空氣迎面風速不宜過大。

圖5 壓力損失與空氣迎面風速的關系

4 結論

根據分析盤管流量占比，空氣迎面風速對冷卻效率的影響以及空氣迎面風速對壓力損失的影響，可以得到：

1）在帶盤管直接蒸發式冷卻器的性能研究實驗中，風速不變盤管流量占比為40%時冷卻效率最大，管流量占比不變空氣迎面風速為2.5 m/s時冷卻效率最大。

2）當風速為2.5 m/s，盤管流量占比為40%時，冷卻效率到達最大為104%，而此時壓力損失也達到最大為68.2 Pa。

3）在冷卻性能分析的過程中可以看到，盤管流量占比為40%時，冷卻效果最好，而考慮到壓力損失的影響，從經濟性考慮，風速為1.0 m/s時，冷卻效率為98.7%，壓力損失僅有20.2 Pa，是綜合考慮最佳的運行工況。