逆流式露點間接蒸發冷卻器性能實驗研究

(1 西安工程大學環境與化學工程學院 西安 710048； 2 澳藍(福建)實業有限公司 福州 350001)

2003年V. Maisotenko等[1]提出一種新型間接蒸發冷卻熱力循環形式，它可以使任何一種氣體或液體冷卻至濕球溫度以下，直至接近露點溫度。國際上把這種熱力循環稱為M循環，國內通常稱為露點間接蒸發冷卻技術。露點間接蒸發冷卻技術具有溫降更大、應用范圍廣泛的優點，成為間接蒸發冷卻技術研究的熱點，得到國內外學者的關注。

D. Pandelidis等[2]對叉流露點蒸發冷卻器進行了性能實驗分析，以空氣含濕量25 g/(kg干空氣)為例，冷卻器濕球效率為90%～110%，露點效率為63%～68%。Zhan Changhong等[3-4]在相同的幾何尺寸和運行條件下對叉流換熱器和逆流換熱器進行對比分析，叉流式露點間接蒸發冷卻器的濕球效率為116%，逆流式露點間接蒸發冷卻器的露點效率為80%～90%。Duan Zhiyin 等[5-6]設計開發了一種逆流式露點間接蒸發冷卻器，在不同的運行條件下測試了該逆流式露點冷卻器進、出口和排氣口的溫度，濕度和風量，結果表明：該露點間接蒸發冷卻器的濕球效率為0.55～1.06，能效比(EER)為2.8～15.5。Cui Xin 等[7]討論了空氣進口參數、室內空氣作為回風、幾何尺寸、加肋片對冷卻器性能的影響，得出冷卻器濕球效率為122%～132%，露點效率為81%～93%。Xu Peng等[8-10]開發了一種超高能效的逆流式露點間接蒸發冷卻器，在干燥測試標準工況條件下，即干球溫度為37.8 ℃，濕球溫度為21.1 ℃時，該冷卻器的濕球溫度效率達到114%，露點冷卻效率達到75%，在工作空氣/全部空氣風量比處于最佳比例時(即工作空氣/全部空氣風量比=0.364)時，該露點間接蒸發冷卻器COP最高可達52.5。劉佳莉等[11]對一種復合式露點間接蒸發冷卻空調機組的風壓、效率、二次/一次風量比、淋水量、耗水量等性能參數進行實際測試，測試結果顯示在室外高濕工況條件下，該機組的濕球效率最高可達103%。

但露點間接蒸發冷卻技術在實際工程應用中不成熟，還存在諸多問題亟待解決，如露點間接蒸發冷卻器結構形式的優化，在各種環境工況下的效率，風量配比與制冷量關系等問題。傳統叉流式露點間接蒸發冷卻器已被廣泛研究，并得到了實際應用。本文研發了一種新型逆流式露點間接蒸發冷卻器，在多種工況條件下，測試分析了該冷卻器的濕球效率、露點效率、制冷量等參數。

1 逆流式露點間接蒸發冷卻技術原理

1.1 原理

露點間接蒸發冷卻器按照干濕通道結構的不同，一般分為叉流式與逆流式[12]。在叉流式露點間接蒸發冷卻器中，一部分一次空氣在被冷卻的過程中不斷的被引入濕通道內，作為二次空氣使用[13]。而在逆流式露點蒸發冷卻器中，一次空氣在完全被冷卻以后，部分一次空氣再被引入濕通道內作為二次空氣使用(圖1)。

1進口空氣；2產出空氣；3工作空氣。圖1 逆流式露點間接蒸發冷卻器結構Fig.1 Structure of countercurrent dew-point indirect evaporative cooler

逆流式露點間接蒸發冷卻器內空氣路徑如圖2所示。在該冷卻器中，空氣首先進入干通道內，向鄰近的濕通道內散熱，一次空氣在干通道內被充分冷卻。在干通道末端，一部分空氣(產出空氣)被送至所需要的空間，余下的空氣(工作空氣)通過小孔進入相鄰的濕通道內，濕通道內氣流流向與干通道內氣流流向相反。該冷卻器主要有兩個特點：1)工作空氣被完全冷卻后被引入濕通道內，提高了干濕通道內的傳熱溫差。2)干濕通道內空氣形成逆流形式，增強了干濕通道內的熱量傳遞。

1干通道；2濕通道；3干通道；4產出空氣；5工作空氣。圖2 逆流式露點間接蒸發冷卻器內空氣路徑Fig.2 Countercurrent dew-point indirect evaporative cooler air path map

1.2 性能評價指標

冷卻效率是蒸發冷卻器性能評價的重要指標之一。冷卻效率包括濕球效率ηwb和露點效率ηdp[14]:

(1)

(2)

式中：tdb1為一次空氣入口空氣的干球溫度，℃；tdb2為出口空氣的干球溫度，℃；twb1為一次空氣出口空氣的濕球溫度，℃；tdp1為一次空氣出口空氣的露點溫度，℃。

制冷量也是評價蒸發冷卻器性能的重要指標參數。

(3)

式中：Q為制冷量，kW；V為出口空氣風量，m3/s；ρa為出口空氣的密度，kg/m3。

2 實驗系統

2.1 實驗參數確定

本實驗在澳藍(福建)實業有限公司國家級焓差實驗室內進行。根據參考文獻[15]蒸發冷卻空調系統氣候區域四區的劃分如表1所示，選擇烏魯木齊、酒泉、西安等3個西北地區具有代表性的城市，根據GB 50736—2012[16]中規定的夏季空氣調節室外計算干濕球溫度的取值，GB/T 25860—2010[17]中規定的標準干燥和標準高濕環境工況作為本實驗需要模擬的實驗工況。實驗模擬環境工況如表2所示。焓差實驗室內模擬的干濕球溫度誤差為±1 ℃。

表1 蒸發冷卻氣候區域劃分Tab.1 The climate division of evaporative cooling

表2 焓差實驗室內的模擬工況Tab.2 Enthalpy difference simulated in the laboratory conditions

表3 變頻風機工況設置Tab.3 Frequency fan operating conditions

2.2 實驗步驟

1)運轉空氣預處理系統，將實驗室內空氣溫濕度參數調節至設定地區室外空氣溫濕度參數的設計工況。

2)運轉逆流式露點式間接蒸發冷卻實驗系統30 min，使其二次流道內的濕表面得到充分潤濕，一、二次流道內的空氣參數達到穩定狀態。

3)依次調整5個不同的二次/一次風量比，測量并記錄逆流式露點間接蒸發冷卻實驗系統各測點處空氣狀態參數。

4)分別在該冷卻器的進風口、出風口、二次排風口處設置測點，測量并記錄實驗系統各斷面處空氣狀態參數。

5)設定下一個實驗室內環境工況，并重復步驟(2)～(4)。

6)實驗測試工作結束，關閉實驗系統。

2.3 實驗臺

圖3所示為實驗臺結構。該實驗臺主要由壓入式風機、送風管道、逆流式露點間接蒸發冷卻芯體、二次排風機、風閥等組成。逆流式露點間接蒸發冷卻芯體內部沒有設置循環水箱，多余的水會直接接入排水管道。

圖3 實驗臺結構Fig.3 Experimental bench strcuture

該實驗的風量控制使用變頻控制調節二次/一次空氣風量比。對于二次/一次空氣風量比選擇了0.7、1.1、1.4、1.7、2.0等5組不同的取值，測試逆流式露點間接蒸發冷卻器的性能(見表3)。測試儀器如表4所示。冷卻器內部噴淋設備設定為每噴淋8 s后暫停60 s，保證冷卻器濕通道內部可以充分潤濕，水在濕通道內充分蒸發，同時減少水分的浪費。

表4 測試儀器Tab.4 Test instruments

3 實驗結果與討論

3.1 濕球效率

圖4所示為在5種工況條件下，逆流式露點間接蒸發冷卻器的濕球效率隨二次/一次空氣風量比的變化。在二次/一次空氣風量比為0.7時，由于二次風機的關閉，冷卻器效率均較低。而隨著二次排風機的開啟，二次空氣風量增大，冷卻器的濕球效率明顯提升，冷卻器的濕球效率均保持在90%～125%；在二次/一次空氣風量比為1.1時，標準干燥環境工況下，冷卻器濕球效率最高為105.6%；在二次/一次空氣風量比為2時，冷卻器的濕球效率均在125%左右。

圖4 濕球效率隨二次/一次空氣風量比的變化Fig.4 Wet-bulb efficiency changes with air-flow ratio of secondary air/primary air

3.2 露點效率

圖5所示為在5種工況條件下，逆流式露點間接蒸發冷卻器的露點效率隨二次/一次空氣風量比的變化。在二次/一次空氣風量比為0.7時，由于二次風機的關閉，冷卻器露點冷卻效率均較低。而隨著二次排風機的開啟，二次空氣風量增大，冷卻器的露點效率明顯提升，冷卻器的濕球效率均保持在60%～90%。在二次/一次空氣風量比為1.1時，標準高濕環境工況下，該露點間接蒸發冷卻器露點效率最高為78.1%；在二次/一次空氣風量比為2時，冷卻器的露點效率均在70%～90%。而在標準高濕的環境工況下，冷卻器的露點效率最高。

圖5 露點效率隨二次/一次空氣風量比的變化Fig.5 Dew-point efficiency changes with air-flow ratio of secondary air/primary air

3.3 制冷量

圖6 制冷量隨二次/一次空氣風量比的變化Fig.6 Refrigerating capacity changes with air-flow ratio of secondary air/primary air

圖6所示為在5種工況條件下，逆流式露點間接蒸發冷卻器的制冷量隨二次/一次空氣風量比的變化。在二次/一次空氣風量比為1.1時，冷卻器的制冷量最高，由于此時冷卻器的一次空氣最大，產出空氣的溫度較低。而在標準干燥和烏魯木齊工況下，空氣干濕球溫差最大，冷卻器的制冷量均保持在較高水平。

3.4 進出風干球溫降

圖7所示為在5種工況條件下，逆流式露點間接蒸發冷卻器的溫度隨二次/一次空氣風量比的變化。由圖7可知，隨著二次風的比值增大，機組溫降增大。在各個工況下，機組溫降均保持在8～18 ℃。標準干燥工況和烏魯木齊工況下，冷卻器的溫降均保持較高的水平。在標準干燥工況下，二次/一次空氣風量比為1.1時，干球溫度溫降為15.2 ℃。極端情況下，溫降可達18 ℃以上。如果二次排風機關閉，只靠一次壓入式風機則測試效果明顯下降。

圖7 進出風干球溫度隨二次/一次空氣風量比的變化Fig.7 In/out wind dry-ball temperature changes with air-flow ratio of secondary air/primary air

3.5 進風溫度與冷卻效率

根據實驗結果，在二次/一次空氣風量比約為1.1時，冷卻器的制冷量最大，出風空氣風量和排風空氣風量在一個經濟性的范圍內。如果二次排風所占比例過高，雖然出風溫度較低冷卻效率較高，但此時進口空氣的絕大部分將會成為二次空氣完全排出，該冷卻器將失去實際應用價值。因此選取二次空氣/一次空氣風量比=1.1條件下，分析該冷卻器的的性能尤為關鍵。

二次空氣/一次空氣風量比=1.1條件下的測試數據如圖8所示。隨著進風干球溫度的提高，冷卻器的濕球效率保持在95%～100%的較高水平，冷卻器的露點效率保持在60%～80%。由于冷卻器的濕球效率約為1，因此出風的干球溫度與進風的濕球溫度的變化基本保持一致。因此提高進風的干濕球溫差對冷卻器的影響較大。

3.6 熱成像儀測試結果

露點冷卻器熱成像圖片是在標準干燥環境工況下拍攝的。紅外熱成像儀測試結果如圖9所示。由圖9(a)可知，在露點冷卻器芯體的外表面，溫度隨著冷卻器入口到出口逐漸降低。隨著空氣冷卻過程的進行，溫度降低了約5 ℃。而在冷卻器上半部主要是噴淋水部分，溫度變化不明顯。

圖8 二次空氣/一次空氣風量比=1.1條件下的測試數據Fig.8 Test data under the condition of air-flow ratio of secondary air /primary air=1.1

由圖9(b)可知，送風通道與冷卻器內存在約10.9 ℃的傳熱溫差。從送風管道到該露點蒸發冷卻器芯體內部，有明顯的溫降效果，溫度大幅降低。在二次排風通道側，溫度也相對較低。

圖9 紅外熱成像儀測試結果Fig.9 Infrared thermal imager test results

4 結論

本文在焓差實驗室內模擬標準干燥、標準高濕、烏魯木齊、酒泉、西安等5種不同的環境工況，對逆流式露點間接蒸發冷卻器的性能進行實驗測試分析，得到如下結論：

1)在標準干燥工況(干球溫度38 ℃，濕球溫度23 ℃)，二次空氣/一次空氣風量比=1.1條件下，該冷卻器濕球效率可達105.6%，露點效率可達76%，制冷量為2.83 kW，干球溫度溫降可達15.2 ℃。此工況條件下的紅外熱成像測試結果表明，送風通道與露點冷卻器存在約10.9 ℃的溫降。該露點冷卻器的冷卻性能相比于傳統間接蒸發冷卻器60%～80%的濕球效率有大幅度的提升。

2)隨著二次空氣風量的增加，冷卻器的濕球效率可以輕松突破100%，產出空氣的干球溫度達到進口空氣的濕球溫度與露點溫度之間，即達到亞濕球溫度。而一次空氣在冷卻器干通道內只會被等濕冷卻而不會被加濕，因此大大拓展了蒸發冷卻器應用領域。

3)二次排風機的關閉與開啟對冷卻器的性能影響極大，只有在二次排風機充分工作時，冷卻器的冷卻性能才能達到最佳效果。

4)在標準干燥工況和烏魯木齊工況，該冷卻器的性能達到了一個最高水準，驗證了露點間接蒸發冷卻技術在我國西北干燥地區具有極大的優越性和廣闊的應用前景。

本文受西安工程大學研究生創新基金(CX201701)項目資助。 (The project was supported by Xi′an Polytechnic University Graduate Innovation Fund Project (No.CX201701).)