多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器與其他間接蒸發(fā)冷卻器（IEC）的性能比較

王 鑫 孫鐵柱 王 祺

（西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院 西安 710600）

0 引言

蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)是一種節(jié)能環(huán)保的空調(diào)技術(shù)，間接蒸發(fā)冷卻是目前蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)等濕冷卻的唯一方式。Tulsidasani 等[1-3]研究了安裝多功能換熱器的非空調(diào)建筑的熱工性能；Brooks 和Field 等研究了一種用于制取冷風(fēng)的交叉流式間接蒸發(fā)冷卻器[4]。Ren 開發(fā)并研究了一種水平/逆流式間接蒸發(fā)冷卻器[5]。趙旭東等對(duì)一種新型逆流露點(diǎn)IEC 進(jìn)行了數(shù)值模式分析[6]，并研究過無紡布、植物纖維等作為露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器材料的性能；Duan Zhiyin 等開發(fā)一個(gè)新的逆流IEC 傳熱/傳質(zhì)換熱器，可提供接近露點(diǎn)溫度的送風(fēng)[7]。Riangvilaikul等對(duì)薄膜棉片與聚氨酯材料制作的逆流露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Lee 等對(duì)鋁質(zhì)材料制成的逆流IEC 進(jìn)行了數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究。以上所研究的IEC 制作材料為鋁箔、薄膜棉片與聚氨酯等材料，且形式多為板翅式而非管式。

本課題組黃翔、樊麗娟等人研究過金屬鋁作為管式間接蒸發(fā)冷卻器材料的性能[8,9]；毛秀明、劉小文等人研究了多孔陶瓷填料和露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的測(cè)試，但沒有以多孔陶瓷作為材料制作管式間接蒸發(fā)冷卻器，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬等研究。

為了改善目前間接蒸發(fā)冷卻器的親水性，提高冷卻器的濕球效率，并實(shí)現(xiàn)間歇式布水，降低循環(huán)水泵能耗。因此本文采用吸水性較好的新型多孔陶瓷材料制作管式間接蒸發(fā)冷卻器，利用其豐富的比表面積來增大水膜與工作空氣的接觸面積；利用其較好的吸水性快速蓄水，實(shí)現(xiàn)間接蒸發(fā)冷卻器的間歇性淋水，縮短循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)間。從而使間接蒸發(fā)冷卻的冷卻效率提高和能耗降低，擴(kuò)大蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用范圍。

1 多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器及評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)規(guī)格

根據(jù)目前工程上采用的金屬多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器的管間距管徑標(biāo)準(zhǔn)，來確定本樣機(jī)的相應(yīng)參數(shù)；因多孔陶瓷材料的易碎性，其管長(zhǎng)不宜超過1 米。其詳細(xì)參數(shù)如下：

（1）選用 Φ 30 ×5 的多孔陶瓷管，管內(nèi)表面為密閉不可滲透多孔陶瓷膜，目的是阻止水分滲透到管內(nèi)，保證管內(nèi)產(chǎn)出空氣等濕冷卻。

（2）多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器豎直方向共有17 排多孔陶瓷管，奇排管為18 根多孔陶瓷管，偶排管為17 根多孔陶瓷管，共297 根多孔陶瓷管。

（3）多孔陶瓷管布置時(shí)，橫向、縱向管間距按照S2=S3=40mm，正三角形錯(cuò)列布置。

（4）產(chǎn)出空氣迎面尺寸為720mm×720mm，工作空氣迎面尺寸為720mm×1000mm。

（5）每根管長(zhǎng)為1.0m，總傳熱面積為27.9m2。

（6）產(chǎn)出空氣風(fēng)機(jī)：風(fēng)量5000m3/h，風(fēng)壓183.2Pa；工作空氣風(fēng)機(jī)：風(fēng)量5500m3/h，風(fēng)壓200Pa。

圖2 多孔陶瓷管及成品實(shí)物圖Fig.2 Porous ceramic tube and finished product

1.2 試驗(yàn)臺(tái)、測(cè)試儀器介紹

實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作流程：室外空氣作為工作空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器管外側(cè)，與陶瓷管壁上的水分進(jìn)行熱濕交換冷卻管內(nèi)產(chǎn)出空氣，通過③④測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)工作空氣狀態(tài)。室外空氣作為產(chǎn)出空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器管內(nèi)等濕冷卻，通過①②測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)工作空氣狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率，來改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量大小，通過調(diào)節(jié)循環(huán)水管閥門調(diào)節(jié)淋水密度。

工作空氣的溫度和濕度對(duì)多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器效率和溫度的降低有很大的影響。所以實(shí)驗(yàn)臺(tái)刻意設(shè)計(jì)可采用三種工作空氣，包括室外空氣，室內(nèi)回風(fēng)和經(jīng)IEC 處理后的產(chǎn)出空氣。因此，工作空氣輸送管道的設(shè)計(jì)是為了提供三種空氣供給，為后期實(shí)驗(yàn)做預(yù)設(shè)。

測(cè)點(diǎn)①②③④分別是采集多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器產(chǎn)出空氣和工作空氣的干球溫度、濕球溫度、空氣流速及管道的總壓和靜壓力。詳見表1所列的測(cè)試參數(shù)、位置和儀器。表2 列出了不同測(cè)量?jī)x器的規(guī)格。

表1 測(cè)點(diǎn)、測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試儀器Table 1 Measurement points,test contents and test instruments

表2 測(cè)量?jī)x器Table 2 Measuring instrument

圖3 中，①產(chǎn)出空氣進(jìn)風(fēng)口測(cè)點(diǎn)（tp,in,twb,p,in,vp,P）；②產(chǎn)出空氣出風(fēng)口測(cè)點(diǎn)（tp,out,twb,p,out,vp,P）；③工作空氣進(jìn)風(fēng)口測(cè)點(diǎn)（ts,in,twb,s,in,vs,P）；④工作空氣排風(fēng)口測(cè)點(diǎn)（ts,out,twb,s,out,vs,P）；⑤工作空氣輸送風(fēng)機(jī)；⑥噴淋裝置；⑦多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器；⑧產(chǎn)出空氣輸送風(fēng)機(jī)；⑨產(chǎn)出空氣再作為工作空氣輸送管道；⑩水泵；?室內(nèi)空氣作為工作空氣風(fēng)口；?室外空氣作為工作空氣風(fēng)口；?產(chǎn)出空氣進(jìn)風(fēng)口；?產(chǎn)出空氣排風(fēng)口。

圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理圖Fig.3 Experimental bench schematic diagram

圖4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖Fig.4 Physical drawing of the experimental platform

1.3 間接蒸發(fā)冷卻性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

間接蒸發(fā)冷卻器（IEC）的性能指標(biāo)主要用熱濕交換效率（濕球效率）和能效比EER 進(jìn)行評(píng)價(jià)。

所謂濕球效率，即板翅式、管式、熱管式IEC的產(chǎn)出空氣的進(jìn)出口干球溫度之差與產(chǎn)出空氣干球溫度和工作空氣濕球溫度之差的比值。

轉(zhuǎn)輪式間接蒸發(fā)冷卻器的熱濕交換效率是用產(chǎn)出空氣進(jìn)口干球溫度和出口干球溫度之差，與工作空氣的出口干球溫度和經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻器降溫處理后的干球溫度差之間的比值表示：

式中，tg1為產(chǎn)出空氣進(jìn)口干球溫度，℃；tg2為產(chǎn)出空氣出口干球溫度，℃；ts′1為工作空氣濕球溫度，℃；tg3為工作空氣出口干球溫度，℃；tg4為工作空氣與直接蒸發(fā)冷卻器熱濕處理后的干球溫度，℃。

間接蒸發(fā)冷卻器EER 即IEC 的全熱制冷量與水泵風(fēng)機(jī)能耗的比值。所謂IEC 全熱制冷量表征冷卻器向用戶制取供應(yīng)的冷量：

式中：QIEC為IEC 全熱制冷量，kW；qm為產(chǎn)出空氣的風(fēng)量，kg/s；h1為產(chǎn)出空氣進(jìn)入間接蒸發(fā)冷卻器的進(jìn)口焓值，kJ/kg；h2為產(chǎn)出空氣離開間接蒸發(fā)冷卻器的出口焓值，kJ/kg。

則間接蒸發(fā)冷卻器的EER：

式中：WIEC為IEC 風(fēng)機(jī)和水泵的功率，kW。

2 測(cè)試分析與其他IEC 的性能比較

2.1 測(cè)試結(jié)果分析

在經(jīng)過測(cè)試樣機(jī)得到最佳空氣比、最佳淋水密度和水泵起停時(shí)間后，在最后參數(shù)情況下，在西安地區(qū)選擇了較為干燥的氣候某時(shí)段（在測(cè)試期間干球溫度在36.5℃，濕球溫度的19℃），對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。如圖5 和圖6 為典型實(shí)驗(yàn)條件下多孔陶瓷管式IEC 的濕球效率和溫降變化情況。

圖5 測(cè)試周期內(nèi)IEC 效率變化情況Fig.5 Changes in IEC efficiency during the test cycle

從圖5 和圖6 可以看出，多孔陶瓷管式IEC 在1.5 小時(shí)的測(cè)試周期內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。濕球效率在小范圍內(nèi)波動(dòng)，從60.3%到62.2%。計(jì)算的平均效率為61.0%，平均溫度降低為10.2℃。之所以這里的效率會(huì)比測(cè)試最佳淋水密度、最佳空氣量比實(shí)驗(yàn)時(shí)效率和溫降高，是由于本次的樣機(jī)運(yùn)行是在較為干燥的天氣條件下進(jìn)行的，室外空氣的干球溫度與濕球溫度差值較大，水分蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)勢(shì)較大，所以提高本次樣機(jī)運(yùn)行時(shí)濕通道的水分蒸發(fā)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的效率比實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的效率高。

圖6 西安干燥天氣下多孔陶瓷管式IEC 溫降變化Pig.6 Temperature drop variation of porous ceramic tubular IEC under dry weather in Xi'an

2.2 與其他IEC 性能比較

2.2.1 不同材料管式IEC 性能比較

圖7 是應(yīng)用在西安某數(shù)據(jù)機(jī)房的鋁管管式間接蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷相結(jié)合的機(jī)組，機(jī)組風(fēng)量為42000m3/h，單獨(dú)運(yùn)行管式間接蒸發(fā)冷卻器冷卻段所需功率4.45kW。2013年8月27日對(duì)該機(jī)組進(jìn)行了單獨(dú)運(yùn)行鋁管管式間接蒸發(fā)冷卻器的測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示，測(cè)試時(shí)室外干球平均溫度為31.3℃，濕球平均溫度為24.1℃[11,12]。經(jīng)過鋁管管式間接蒸發(fā)冷卻器處理后，干球溫度降為24.8℃，溫降6.5℃，效率達(dá)65%；全熱制冷量為60.7kW，EER 為7.9。與多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器詳細(xì)對(duì)比如表4所示。經(jīng)過對(duì)比可知多陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器在效率和EER 方面對(duì)比現(xiàn)在的鋁管IEC具有優(yōu)勢(shì)。

圖7 應(yīng)用在西安某數(shù)據(jù)機(jī)房的蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷機(jī)組Fig.7 It is applied in evaporative cooling and mechanical refrigeration unit of a data room in Xi'an

圖8 應(yīng)用在西安某數(shù)據(jù)機(jī)房采用的管式IEC 芯體Fig.8 It is applied to the tubular IEC core used in a data room in Xi'an

表3 應(yīng)用在西安某數(shù)據(jù)機(jī)房管式間接蒸發(fā)冷卻器測(cè)試數(shù)據(jù)Table 3 It was applied to test data of pipe type indirect evaporative cooler in a data room in Xi'an

表4 多孔陶瓷管式IEC 與其他管式IEC 性能比較Table 4 Comparison of performance of porous ceramic tubular IEC with other tubular IEC

2.2.2 不同形式IEC 性能比較

如圖9 和圖10所示，為烏魯木齊某培訓(xùn)中心應(yīng)用的外置式冷卻塔+板翅式間接蒸發(fā)冷卻器+直接蒸發(fā)冷卻三級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)處理機(jī)組，該機(jī)組產(chǎn)出空氣風(fēng)量40000m3/h。測(cè)試條件：產(chǎn)出空氣進(jìn)口干球平均溫度31.5℃，濕球平均溫度為18.3℃，相對(duì)濕度平均值為28.4%。單獨(dú)運(yùn)行板翅式間接蒸發(fā)冷卻器后產(chǎn)出空氣出風(fēng)干球平均溫度21.5℃，相對(duì)平均濕度為53.3%。詳細(xì)測(cè)試結(jié)果如表5[10]所示。

圖1 多孔陶瓷管式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of porous ceramic tubular dew point indirect evaporative cooler

圖9 烏魯木齊市某培訓(xùn)中心采用的機(jī)組結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Unit structure diagram adopted by a training center in Urumqi

圖10 烏魯木齊市某培訓(xùn)中心采用的機(jī)組照片F(xiàn)ig.10 Photo of a training center in Urumqi City

表5 烏魯木齊市培訓(xùn)中心機(jī)組測(cè)試數(shù)據(jù)Table 5 Unit test data of Urumqi training center

板翅式間接蒸發(fā)冷卻器工作空氣和產(chǎn)出空氣同為室外空氣，根據(jù)表5 經(jīng)過計(jì)算得出該板翅式間接蒸發(fā)冷卻器溫降為10℃，濕球效率76%，全熱制冷量為104kW。

圖11 是課題組為南通某空調(diào)公司開發(fā)的一臺(tái)轉(zhuǎn)輪式間接蒸發(fā)冷卻樣機(jī)，樣機(jī)效率為2.36kW。并在2012年8月江蘇南通對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，如圖12所示。測(cè)試時(shí)室外干球平均溫度為30.1℃，濕球平均溫度為26.1℃，相對(duì)平均濕度72.5%。風(fēng)量為3000m3/h，轉(zhuǎn)輪式間接蒸發(fā)冷卻器工作時(shí)，產(chǎn)出空氣出風(fēng)干球溫度為23.2℃，相對(duì)濕度95.5%[12]。濕球效率平均74%，全熱制冷量為11.8kW，其EER僅為5。

圖11 轉(zhuǎn)輪式間接蒸發(fā)冷卻器測(cè)試樣機(jī)Fig.11 Testing prototype of rotary type indirect evaporative cooler

圖12 轉(zhuǎn)輪式IEC 樣機(jī)各段出風(fēng)溫度變化圖Fig.12 Variation diagram of the outlet air temperature in each section of the rotating IEC prototype

板翅式和轉(zhuǎn)輪式與多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器的具體相關(guān)參數(shù)對(duì)比如表6所示。

表6 板翅式和轉(zhuǎn)輪式IEC 與多孔陶瓷管式IEC 性能比較Table 6 Comparison of performance between plate-fin and rotary IEC and porous ceramic tubular IEC

經(jīng)過對(duì)比可知多陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器在效率和EER 及耗能方面對(duì)比現(xiàn)在的板翅式和轉(zhuǎn)輪式IEC 具有優(yōu)勢(shì)。

2.3 多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器能效對(duì)比

通過以上多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器與其他間接蒸發(fā)冷卻器對(duì)比分析可以得知，模擬1.5m管長(zhǎng)的多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器的濕球效率要高于其他類型的間接蒸發(fā)冷卻器，如圖13所示。如圖14所示，1.5m 管長(zhǎng)的多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器EER 高達(dá)17。與其他間接蒸發(fā)冷卻器相比其最高。可見多孔陶瓷材料制作間接蒸發(fā)冷卻器具有更大的節(jié)能應(yīng)用前景。

圖14 多孔陶瓷管式IEC 與其他IECEER 對(duì)比圖Fig.14 Porous ceramic tubular IEC compared with other IECEER

目前樣機(jī)實(shí)際做成1m 管長(zhǎng)的多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器，從圖13 和14 可以得知，采用間歇式布水工作時(shí)，其效率可達(dá)61%左右，濕球效率雖然略低，但EER 可以達(dá)到13 左右。

圖13 多孔陶瓷管式IEC 與其他IEC 效率對(duì)比圖Fig.13 Efficiency comparison diagram of porous ceramic tubular IEC with other IEC

3 結(jié)語

在對(duì)比的這幾類間接蒸發(fā)冷卻器中，多孔陶瓷因其表面積最大，使得工作空氣與水分接觸的面積最大，1.5m 管長(zhǎng)做成的管式IEC 效率最好。另外多孔陶瓷具有很多孔隙，具有很好的儲(chǔ)水性，可采用間歇式布水方式，降低循環(huán)水泵的能耗，具有較高EER。