淡水與海水對蒸發冷卻性能影響的試驗研究

龍國慶，閆明暄，何鎖盈，徐夢菲，孫奉仲

（1.中國能源建設集團 廣東省電力設計研究院有限公司，廣州 510660；2.山東大學 能源與動力工程學院，濟南 250061）

0 引言

蒸發冷卻技術利用水蒸發吸熱制冷的原理，在不需要提供其它熱源的條件下，水與空氣進行熱量交換，將空氣中的顯熱傳遞給水，從而實現空氣溫度的下降。對于直接蒸發冷卻技術而言，由于水的蒸發，會致使空氣的含濕量增加，而且進入空氣的水蒸氣又帶回汽化潛熱，理論上蒸發冷卻過程為近似等焓過程，過程中空氣的濕球溫度近似不變（如圖1所示）［1］。只要空氣不飽和，利用循環水直接噴淋空氣（或通過填料層）就可獲得降溫的效果，蒸發冷卻技術已經在全球范圍內有廣泛的應用。蒸發冷卻技術在生產、生活中的應用主要集中在電力工程（如冷卻塔）、人居環境（如蒸發冷卻空調、數據中心機房冷卻）、紡織行業（如紡織廠內加濕、降溫）、地鐵建設及農牧業（如養殖場、溫室大棚內的降溫加濕）等［2-7］。隨著經濟的快速發展，對能源的清潔、可持續利用提出了新的要求。蒸發冷卻技術作為人類最古老的冷卻方法之一，由于其節能、環保、經濟的特點，被研究人員日益重視［8-10］。

圖1 直接蒸發冷卻過程Fig.1 Direct evaporative cooling process

蒸發冷卻技術是利用水蒸發吸熱的原理實現冷卻，在冷卻過程中將會有水的蒸發耗損。對于淡水資源匱乏的地區，探究利用海水替代淡水進行蒸發冷卻，以緩解淡水資源緊缺的壓力，將是一個非常重要的探索。

本研究旨在探究利用海水替代淡水進行蒸發冷卻的可行性。論文對厚度為100 mm的CELdek7060填料進行了蒸發冷卻試驗，分別研究了淡水以及不同海水濃度（0.5倍、1倍和1.5倍海水濃度）下的蒸發冷卻性能，該研究將為海水替代淡水的可行性提供初步的探索，為蒸發冷卻技術的進一步推廣奠定基礎。

1 海水物性

海水的成分較為復雜，已經測定發現的元素就高達80多種，這些元素的存在狀態也非常多樣，大多以離子、離子對、分子、懸浮顆粒、膠體等形式存在［11］。組成海水主要元素的溶解成分包括 Na+、Mg2+、Ca2+、K+、Sr2+等 5 種陽離子，以及 Cl-、SO42-、HCO3-、Br-、F-等 5 種陰離子，還有H3BO3分子，這些成分占海水溶質含量的99.9%以上［12］。

在相同的溫度以及壓力下，海水與淡水主要物理性質的差異包括：

（1）海水密度較大；

（2）海水飽和蒸氣壓小于淡水飽和蒸氣壓；

（3）海水比熱容小于淡水比熱容。此外，我國海域的海水含鹽量一般為3.5%左右，但是隨著地域、季節和岸邊相距長短等因素的變化，含鹽量也會略有改變［13］。

本文選用與文獻［14］同一型號的海水素進行海水的配制，該海水素配制的樣本水能較好地接近實際海水。配制方法是將海水素用一定比例的自來水進行稀釋，并用鹽度計進行校準，試驗分別配制了0.5倍、1倍以及1.5倍海水濃度。每次試驗之前都對海水進行校準，以確保試驗所用海水濃度與設計濃度一致。淡水則直接采用自來水。

2 試驗方法

2.1 填料選取

填料是蒸發冷卻系統的核心，填料主要分為點滴式、薄膜式和點滴薄膜式［1］。在蒸發預冷過程中，填料有2個作用：（1）提供了較大的接觸面積，使得水和空氣有足夠的空間去進行換熱；（2）延長了空氣和水的接觸時間，以便空氣和水有足夠的時間去進行換熱，HE 等［1，15］對填料進行了詳細的對比研究，根據HE的研究，本文選取CELdek7060型薄膜式填料進行淡水、海水性能的試驗研究，CELdek填料及配水板如圖2所示。

圖2 CELdek填料及配水板示意Fig.2 Schematic diagram of CELdek fill and distribution pad

CELdek填料是由纖維素制作而成，具有高冷卻效率、低壓降、防腐蝕和堵塞以及壽命長等優點。本試驗選用的填料尺寸為100 mm×600 mm×600 mm，填料的橫截面積與風洞試驗段的橫截面積一致，以便在風洞內進行試驗。CELdek配水板可均勻地將水布置在填料頂部，其尺寸為100 mm×600 mm×50 mm。

2.2 試驗裝置

本文在小型開式風洞中進行蒸發冷卻試驗，試驗裝置如圖3所示。風洞置于室內，風洞全長為4 750 mm，其中試驗段長為1 500 mm，試驗段截面積為600 mm×600 mm，與填料的迎風面積一致。配水系統的淋水密度可調節，調節范圍為30～70 L/（min·m2），風洞內空氣的風速可調范圍為 0.5～20 m/s。

圖3 試驗裝置示意Fig.3 Schematic diagram of the test system

試驗裝置主要由風洞、空氣系統、水循環系統以及測量系統組成。風洞由穩流段、收縮段、試驗段和擴張段組成。空氣系統內，空氣的流動主要由功率為4 kW的軸流風機驅動，可調節風機的轉速實現風洞內風速大小的調節，轉速范圍為0～1 450 r/min。水循環系統內，配水裝置由一根直徑為32 mm的PVC布水管組成，布水管開有直徑為6 mm的小圓孔以均勻布水（小圓孔的間距為40 mm）。水從水箱內經一臺550 W水泵輸送至配水裝置，配水裝置的布水管將水噴淋至50 mm厚的CELdek配水板，經配水板均勻地將水布置在填料頂部，在重力和毛細作用下，水均勻潤濕填料，空氣流經填料時，水與空氣進行熱質交換后，未蒸發的水在填料底部收集，并返回水箱進行循環。

測量系統主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、熱線風速儀、壓差傳感器、皮托管、數據采集系統等，測量的主要參數包括填料迎風側溫度、濕度、風速，經填料蒸發冷卻后空氣的溫度和濕度，填料引起的空氣側壓降等。溫度傳感器采用PT100，測量范圍為 -50～300 ℃，精度為 ±0.2 ℃；HSTL-106WS濕度傳感器的測量范圍為0～100%RH，精度為±3.5%；AR866A手持式熱線風速儀的測量范圍為0.3～30 m/s，精度為1%滿量程；壓差由兩根皮托管結合一個壓差傳感器進行測量，壓差傳感器的測量范圍為0～200 Pa，精度為±1%滿量程；數據采集系統由數據采集儀采集數據，并傳輸至電腦記錄。

2.3 試驗過程

每組試驗前，水箱都加滿淡水或者配制好的海水，避免試驗進行過程中加水影響水箱內的水溫。試驗時固定水流量為62 L/（min·m2），此流量為制造商建議的水流量［16］。試驗開始時，固定水流量并在空氣風速0.5 m/s下，持續運行30 min以保證填料完全濕潤。之后，依次增大空氣風速至 1，1.5，2，2.5，3 m/s，每增大一次風速，至少等待5 min以達到穩定狀態，然后再測量和記錄數據。

3 試驗結果

3.1 填料壓降分析

在填料蒸發冷卻過程中，填料會引起空氣側壓損，對于機械通風的設備來說，此部分壓損對系統性能的影響不大，如蒸發冷卻空調系統采用風機進行通風，可以通過調節風機的頻率來增大通風能力；對于自然通風系統，如填料蒸發預冷自然通風空冷塔的進風系統，填料引入的壓損會在一定程度上減小空冷塔內的通風量，進而影響空冷塔的冷卻效果［1］。因此，填料引起的空氣側壓損對蒸發冷卻應用于部分系統至關重要。

圖4示出了淡水以及0.5倍，1倍和1.5倍海水濃度在水流量為62 L/（min·m2）時空氣側壓降隨速度的變化趨勢。由圖4可知，隨著風速的增大，淡水和各個濃度的海水工況下，空氣側壓降均呈現增大的趨勢。一定風速下，淡水以及海水濃度對空氣側壓降的影響不明顯，這是由于影響空氣側壓降的主要因素是風速、填料種類和厚度、水流量［1，17］。在圖4中的風速范圍內，淡水時的空氣側壓降為0.4～27.8 Pa，0.5倍濃度海水的空氣側壓降為0.6～29.9 Pa，1.0倍濃度海水的空氣側壓降為0.55～30.1 Pa，1.5倍濃度海水的空氣側壓降為0.5～29.1 Pa。

圖4 淡水及不同濃度海水對空氣側壓降的影響Fig.4 Effects of freshwater and seawater of different concentrations on air side pressure drop

3.2 冷卻效率分析

冷卻效率是填料蒸發冷卻系統的重要衡量指標，其代表進口空氣經蒸發冷卻后達到飽和的程度，冷卻效率越高，說明蒸發冷卻效果越好。冷卻效率的定義式為［18-21］：

式中 η ——冷卻效率，%；

Ta1——進口空氣干球溫度，K；

Ta2——出口空氣干球溫度，K；

Twb——進口空氣濕球溫度，K。

進口空氣濕球溫度可通過測量干球溫度和相對濕度獲得。

圖5示出了淡水以及0.5倍，1倍和1.5倍海水濃度在水流量為62 L/min/m2時冷卻效率隨速度的變化趨勢。由圖5可知，隨著風速的增大，冷卻效率呈現出下降的趨勢；以淡水為例，在風速為0.49 m/s，冷卻效率最高為73.0%，在2.81 m/s時，冷卻效率最低為56.5%。這是由于，風速增大時，空氣與水的換熱時間縮短，傳熱傳質效果變差。從圖5還可看出，在一定風速下，淡水的冷卻效率高于海水的冷卻效率，且隨著海水濃度的升高冷卻效率降低，即淡水的冷卻效率最高，0.5倍海水濃度的冷卻效率緊次之，1.0倍海水濃度的次之，1.5倍海水濃度的最小。對圖5中，不同風速下的冷卻效率進行擬合，可以得到冷卻效率與風速之間的關系式：

式中 a，b，c ——常數；

u ——風速，%；

圖5 淡水及不同濃度海水對冷卻效率的影響Fig.5 Effects of freshwater and seawater of different concentrations on cooling efficiency

擬合數值見表1。

表1 冷卻效率擬合公式（2）中的待定常數Tab.1 Constants to be determined in Equation (2) for cooling efficiency fitting

蒸發冷卻系統的常見風速范圍為0.5～3.0 m/s，對于典型風速1 m/s時，淡水的冷卻效率比0.5倍、1倍和1.5倍海水濃度的冷卻效率分別高了1.9%，5.0%，7.4%；對于典型風速2 m/s時，淡水的冷卻效率比0.5倍、1倍和1.5倍海水濃度的冷卻效率分別高了1.4%，3.6%，5.7%。

雖然海水蒸發冷卻在實際應用時會存在一定的問題，例如填料堵塞、腐蝕以及海水過濾處理等費用，但是用海水代替淡水進行蒸發冷卻仍然具有一定的現實意義。（1）海水蒸發冷卻經過長時間運行，會出現鹽分沉積在填料表面，使填料發生堵塞現象，從而影響換熱效率；建議定期利用高壓、大流量水沖刷填料，避免鹽分沉積造成填料堵塞；（2）當前來看，海水替代淡水進行蒸發冷卻主要可以應用于工業冷卻，例如電力工業冷卻塔，其應用時可以做防腐處理；此外，電力工業常用的自然通風冷卻塔內的常見風速范圍為0.5～3.0 m/s，風速較小，從填料中吹出的海水較少；（3）工業應用時，蒸發冷卻過程耗水量非常巨大，如果能夠用海水替代淡水進行蒸發冷卻，在很大程度上能夠節約淡水資源，雖然其應用過程中會增加一些額外的費用，如海水過濾處理等費用，但是隨著技術發展和成本的降低，海水蒸發冷卻是沿海地區節約淡水資源以及減低海洋熱污染（與海水直流冷卻相比）的有效途徑。

4 結論

（1）在水流量一定的情況下，淡水與不同濃度的海水用于蒸發冷卻時，填料引起的空氣壓降幾乎相同；

（2）淡水的冷卻效率高于海水的冷卻效率，且隨著海水濃度的升高冷卻效率降低；在典型風速1，2 m/s時，淡水的冷卻效率分別比實際海水（即試驗配制的1倍濃度海水）的高5.0%和3.6%。

（3）綜合而言，用海水替代淡水進行蒸發冷卻時，其引起的空氣側壓降幾乎無變化，冷卻效率降低較少，可以用海水替代淡水進行蒸發冷卻，實現節省淡水資源的目標。