內置格柵逆流式露點蒸發冷卻器性能的數值研究*

太原理工大學 楊晉明山西省建筑設計研究院有限公司 孔令寒太原理工大學 杜震宇 賈 捷

0 引言

在我國碳中和、碳達峰政策的背景下，露點蒸發冷卻技術因其綠色環保、經濟節能等特點，應用優勢日益顯著[1]。自Maisotsenko等人提出露點蒸發冷卻器以來[2]，就如何提高其使用性能這個問題，國內外學者進行了大量的模擬和實驗研究。從設備尺度來看，這些研究主要包括分析不同因素,如結構尺寸、入口空氣狀態和操作條件等對冷卻效率的影響，以及對設備結構形式進行研究和創新[3-5]。在應用研究中，主要包括露點蒸發冷卻器在不同地區、不同場所的適用性研究，以及將其與空氣處理設備組合進行研究[6]。

傳統的逆流式露點蒸發冷卻器多為豎直放置[7-8]，其一次空氣進風口多位于露點蒸發冷卻器芯體側面，這導致干通道內一次空氣并非均勻分布，進而造成換熱不均勻，降低了冷卻效率。若想提高冷卻效率，則需使冷卻器內的實際流動更接近理想逆流。針對上述問題，本研究提出一種新型結構的露點蒸發冷卻器，即在干通道內增設格柵，使一次空氣在干通道內接近均勻分布，增強換熱的均勻性，從而使露點蒸發冷卻器的制冷性能得到提升。

1 研究對象的結構及原理

研究對象為內置格柵的逆流式露點蒸發冷卻器，冷卻器芯體由若干個干通道和濕通道交替并排組合而成，其整體結構及分解結構示意圖見圖1。入口空氣由左上側進風口進入干通道，流經格柵后自上而下流動，以顯熱的形式將熱量傳遞給相鄰的濕通道。干通道內的一次空氣被等濕冷卻，產出空氣的一部分進入濕通道作為二次空氣。濕通道中，二次空氣自下而上流動，與濕表面上的水膜進行熱濕交換，二次空氣被升溫加濕后排至室外。

圖1 內置格柵的逆流式露點蒸發冷卻器芯體結構示意圖

模型A為不含格柵的逆流式露點蒸發冷卻器；模型B在模型A的基礎上，于干通道內增設單層格柵，格柵由5個擋板和6段間隙組成，格柵均勻分布，其結構示意如圖2所示。圖3為模型C、模型D、模型E中干通道的結構示意圖，模型C和模型D的干通道中內置有單層格柵，模型C中格柵排列方式為自左向右逐漸稀疏；模型D與之相反；模型E內置雙層格柵，均為漸密布置。其余幾何參數見表1。

圖2 模型B的結構示意圖

圖3 模型C、D、E干通道的結構示意圖

表1 逆流式露點蒸發冷卻器的幾何參數

2 模型建立及求解

選取一個冷卻單元(半個干通道、半個濕通道和水膜)，建立二維模型。一次空氣在干通道內被等濕冷卻，將熱量Q1以顯熱形式傳遞給水膜。水膜在濕通道中的蒸發量為m，向二次空氣傳遞的潛熱量為QL，二次空氣與水膜由溫差引起的顯熱換熱量為Q2，l為通道間隙，σf為水膜厚度，熱濕交換的物理模型如圖4所示。模型的主要假設包括：1) 二維、穩態、不可壓縮流動；2) 冷卻器與外界絕熱；3) 干通道、水膜和濕通道間的換熱僅限于垂直換熱板的方向；4) 不考慮濕表面材料內部的熱濕傳遞；5) 濕表面充分浸濕，水膜均勻分布在濕表面上；6) 忽略重力因素的影響；7) 忽略換熱隔板的導熱熱阻。

圖4 逆流式露點蒸發冷卻器物理模型

分別對一次空氣、二次空氣和水膜的流動及換熱過程建立連續性方程、動量方程和能量方程，水膜中的水分子向二次空氣蒸發的過程用組分擴散方程表示，熱濕傳遞用熱源項和濕源項表示。源項推導和定解條件見文獻[9]。

連續性方程：

(1)

式中ρ為密度,kg/m3；u為速度矢量，m/s。

動量方程：

(2)

式中p為壓力，Pa；μ為動力黏度，kg/(m·s)。

能量方程：

(3)

式中cp為比定壓熱容，kJ/(kg·℃)；t為溫度，℃；λ為導熱系數，W/(m·℃)；φ為熱源項，W/m3。

組分擴散方程：

(4)

式中d為含濕量；Dab為質擴散率，m2/s；φm為濕源項，kg/m3。

使用多物理場仿真軟件COMSOL求解逆流式露點蒸發冷卻器的數學模型[9]。使用Riangvilaikul等人的實驗數據[4]進行驗證，本模型所得出口溫度與實驗數據的對比結果見圖5，一次空氣出口溫度的模擬值與實驗值相比誤差不超過10%，本數值模型可用于預測逆流式露點蒸發冷卻器的性能。

圖5 出口空氣溫度實驗值[4]與模擬值比較

3 性能評價

采用逆流式露點蒸發冷卻器的冷卻效率(濕球效率和露點效率)對其進行性能評價。濕球效率表示出口溫度與入口空氣濕球溫度的接近程度。

(5)

式中εwb為濕球效率；tdb,i為入口空氣干球溫度，℃；tdb,o為出口空氣干球溫度，℃；twb,i為入口空氣濕球溫度，℃。

露點效率表示出口溫度與入口空氣露點溫度的接近程度。

(6)

式中εdp為露點效率；tdp,i為入口空氣露點溫度，℃。

4 結果與討論

4.1 速度、溫度分布

圖6為在相同入口空氣溫濕度和操作條件下，5種結構的露點蒸發冷卻器中一次空氣的速度分布和溫度分布云圖,圖中W為通道寬度，L為通道長度。模擬預設的入口空氣溫度為35 ℃，含濕量為11.2 g/kg，入口空氣速度為2.5 m/s，二次/一次空氣風量比為0.44，入口水流量為60 g/h，入口水溫為28 ℃。

從圖6可以看出，模型A中通道左側的換熱空間幾乎沒有被利用，干通道內一次空氣流動不均勻導致換熱不均勻。模型B中一次空氣的速度分布與模型A相比基本不變；模型C中氣流向通道右側集中，氣流分布的不均勻性增加；模型D中一次空氣在干通道中的分布范圍向左側擴展，與模型A相比氣流分布稍顯均勻；模型E中的一次空氣幾乎均勻地分布在整個干通道中，通道中的換熱空間得到了更充分的利用。此時溫度分布也更均勻，有利于提高傳熱傳質效率。

4.2 入口空氣狀態的影響

圖7～9分別顯示了3種入口空氣含濕量(din)下，入口空氣溫度對5種結構的露點蒸發冷卻器的出口溫度和濕球效率的影響。入口空氣干球溫度變化范圍為25～45 ℃，入口空氣含濕量分別為6.9、11.2、14.5 g/kg，入口空氣速度為2.5 m/s，二次/一次空氣風量比為0.44，入口水流量為60 g/h，入口水溫為28 ℃。

由圖7～9可以看出，入口空氣溫度和含濕量的升高均導致了出口溫度的升高，其中含濕量的影響更明顯，含濕量增加7.6 g/kg會使出口溫度升高6 ℃左右。分析其原因為：蒸發冷卻過程中，熱濕交換由濕空氣與水膜表面飽和空氣層之間的溫差和水蒸氣分壓力差驅動，入口空氣含濕量越低，水蒸氣分壓力差越大，冷卻效果越好，出口溫度越低[10-11]。

在不同的入口空氣狀態下，與模型A相比，模型C使出口溫度升高，濕球效率降低；模型B與模型D的出口溫度低于模型A，濕球效率略有提高。模型E的冷卻效果最好，與模型A相比，模型E的出口空氣溫度降低1.33～4.22 ℃，濕球效率提高了10.2%～37.9%。分析其原因為：模型E的一次空氣幾乎均勻地充滿整個干通道，通道內的換熱空間得到了充分利用，增強了換熱能力。

4.3 入口空氣速度的影響

圖10顯示了入口空氣干球溫度為35 ℃、含濕量為14.5 g/kg、二次/一次空氣風量比為0.44時，入口空氣速度對5種結構的露點蒸發冷卻器出口空氣溫度、濕球效率及露點效率的影響。

從圖10可以看出，隨著入口空氣速度增大，不同結構的露點蒸發冷卻器的出口溫度均呈線性上升趨勢，濕球效率和露點效率下降。分析其原因為：入口空氣速度的增大導致了氣流在冷卻器中的換熱時間縮短，熱濕傳遞效果變差，出口溫度隨之升高。

內置單層格柵的模型B、C、D的出口溫度和冷卻效率與模型A相差不大，其中模型B和模型D的出口溫度低于模型A，冷卻效率有所提高；模型C的出口溫度高于模型A，再次證明設置漸疏格柵降低了冷卻效率。不同入口空氣速度條件下，增設雙層格柵的模型E的冷卻效果最佳，其出口溫度較模型A平均下降了1.89 ℃，濕球效率平均提高了17.32%，露點效率平均提高了12.32%。

4.4 二次/一次空氣風量比的影響

圖11顯示了入口空氣干球溫度為35 ℃、含濕量為14.5 g/kg、入口空氣速度為2.5 m/s時，二次/一次空氣風量比對5種結構的露點蒸發冷卻器出口空氣溫度、濕球效率及露點效率的影響。

從圖11可以看出，無論哪種結構，二次/一次空氣風量比由0.1升至0.6，都導致了出口溫度下降、濕球效率和露點效率提高。分析其原因為：二次空氣比例小會導致濕通道中水的蒸發量減少，水蒸發所吸收的汽化潛熱量也會減小，導致冷卻效果變差，出口溫度隨之升高。但過大的二次空氣比例會使可用的產出空氣量減小，導致冷卻器的冷卻能力降低，應選擇合理的二次空氣與一次空氣風量比。

模型B、C、D的出口溫度和冷卻效率與模型A差距較小，在干通道內增設單層格柵對提高冷卻效果的作用不大。當二次/一次空氣風量比為0.1時，5種結構的出口溫度和冷卻效率基本相同。當風量比大于0.4后，模型E的出口溫度較模型A平均下降了2.65 ℃，此時模型E的濕球效率較模型A提高了20.6%，露點效率提高了13.6%。

5 結論

提出了4種新型的內置格柵的露點蒸發冷卻器，運用數值模擬的方法研究了他們的冷卻性能，并與不含格柵的露點蒸發冷卻器(模型A)進行了比較。結果表明，氣流分布越均勻，出口空氣溫度越低，冷卻效果越好；內置雙層格柵(模型E)可有效增強一次空氣分布的均勻性。內置單層格柵(模型B、C、D)對冷卻效果的提升不明顯，單層漸疏格柵(模型C)甚至惡化了傳熱，而增設雙層格柵(模型E)對換熱效果則有良好改善。與模型A相比，在不同的入口空氣溫度(25～45 ℃)和含濕量(6.9～14.5 g/kg)條件下，模型E的出口空氣溫度降低了1.33～4.22 ℃，濕球效率提高了10.2%～37.9%；當入口空氣速度為1.5～8.5 m/s時，模型E的出口溫度平均下降了1.89 ℃，濕球效率平均提高了17.32%，露點效率平均提高了12.32%；當風量比在0.4～0.6范圍時，模型E的出口溫度下降了2.65 ℃，濕球效率提高了20.6%，露點效率提高了13.6%。

本文中模擬的露點蒸發冷卻器的換熱隔板為平板，若采用波紋板可增加換熱的接觸面積，進一步提高冷卻效率。增加格柵在提高冷卻效率的同時也增加了流動阻力，接下來將繼續研究如何布置格柵能有效提高露點蒸發冷卻器的性能系數(COP)。