基于兩種不同材料的間接蒸發冷卻換熱芯體的試驗研究

屈名勛 黃 翔 金洋帆 陳 夢 武茁苗

（西安工程大學 西安 710048）

0 引言

隨著國家為應對全球氣候挑戰而出臺的“2030年達到碳達峰，2060年實現碳中和”的戰略目標的提出[1]，使得“節能減碳”將成為國家各行各業未來發展中需要著重關心的核心問題之一。節能環保的“蒸發冷卻技術”也將扮演著更加重要的角色，在各行各業將得到更為廣泛的應用。特別是在未來高效適用的間接蒸發冷卻技術將成為數據中心、大型公共建筑、工業廠房等領域節能降耗的優質技術選擇[2,3]。而對于間接蒸發冷卻空調設備性能的提升而言，其核心所在是提高間接蒸發冷卻換熱芯體的性能，而換熱芯體性能提升的關鍵因素之一就在于芯體制作材料的合理選取。通過對不同材料間接蒸發冷卻換熱芯體的試驗研究，結合不同材料特性對芯體效率影響的理論分析，為芯體的科學選材提出合理意見是尤為關鍵的。

1 試驗研究

1.1 兩種不同材料間接蒸發冷卻換熱芯體試驗臺

圖1 為涂有親水涂層的金屬鋁箔芯體的間接蒸發冷卻空調試驗平臺。該試驗平臺間接蒸發冷卻換熱芯體為傾斜45°擺放，二次空氣由左下部進風口進入濕通道，流經濕通道后由機組右上部二次排風口排出，一次空氣由右下方進風口進入干通道，流經干通道后由機組左上部一次送風口送出。該試驗臺四個進、出風口尺寸均為250mm×250mm。一次風機為EC 變頻風機，二次風機為變頻離心風機，一次風機風量調節范圍為500m3/h～1800m3/h，二次風量調節范圍為500m3/h～2200m3/h。親水鋁箔芯體為獨立一次空氣進風，二次空氣為室外新風，間接蒸發冷卻換熱芯體具有上下兩套布水裝置，一二次進風均具有預熱裝置。

圖1 涂有親水涂層的金屬鋁箔芯體間接蒸發冷卻空調試驗平臺Fig.1 Indirect evaporative cooling air conditioning test platform with a metal aluminum foil core coated with a hydrophilic coating

圖2 為改性高分子聚合物芯體的間接蒸發冷卻空調試驗平臺。該試驗平臺間接蒸發冷卻換熱芯體為傾斜90°擺放，二次空氣由左下方進風口進入濕通道，流經濕通道后由機組頂部二次排風口排出，一次空氣由左上方進風口進入干通道，流經干通道后由機組右側送風口送出。該試驗臺其一次風進口尺寸為800mm×550mm、出口尺寸為250mm×250mm，二次風進口尺寸為800mm×350mm。該間接蒸發冷卻試驗平臺一次風機為變頻離心風機、二次風機為EC 變頻風機，一次風機風量調節范圍為500m3/h～1800m3/h， 二次風量調節范圍為500m3/h～3000m3/h，此芯體一次空氣進風與二次進風同為室外新風間接蒸發冷卻換熱芯體，布水為上部噴淋布水裝置，一、二次進風也都具有預熱裝置。

圖2 改性高分子聚合物換熱芯體間接蒸發冷卻空調試驗平臺Fig.2 Modified polymer heat exchange core indirect evaporative cooling air conditioning test platform

1.2 間接蒸發冷卻空調機組的原理與性能分析

間接蒸發冷卻空調機組其核心在于內部的間接蒸發冷卻換熱芯體，目前間接蒸發冷卻換熱芯體的主要形式有：板翅式、臥管式、立管式、板管式等多種形式[4]。近些年來在實際應用中，由于板翅式間接蒸發冷卻換熱芯體的結構緊湊、換熱效率較高而被廣泛應用，板翅式間接蒸發冷卻結構如圖3所示。

圖3 板翅式間接蒸發冷卻換熱芯體示意圖Fig.3 Schematic diagram of plate-fin indirect evaporative cooling heat exchange core

間接蒸發冷換熱芯體使被冷卻空氣（一次空氣）不與水接觸，利用隔有間壁的二次空氣與水接觸，使得二次通道發生直接蒸發冷卻過程，二次空氣溫度下降從而通過間壁傳熱降低一次空氣溫度，間接蒸發冷卻的主要特點是降低一次空氣溫度的同時保持一次空氣的含濕量不變，其理論最低溫度可降至二次空氣的濕球溫度。間接蒸發冷換熱芯體濕工況下空氣處理過程如圖4所示，此時二次通道淋水。一次空氣被從N 進口狀態等濕冷卻到O 狀態點、二次通道中二次空氣則由W 進口狀態近似等焓加濕降溫到W1狀態點。

圖4 間接蒸發冷卻換熱芯體濕工況空氣處理過程Fig.4 The air treatment process of the indirect evaporative cooling heat exchange core under wet conditions

間接蒸發冷卻器的蒸發效率計算公式為：

式中，η濕為間接蒸發冷卻換熱芯體濕模式下蒸發冷卻濕球效率，%；tg1,in為一次空氣進風干球溫度，℃；tg1,out為一次空氣出風干球溫度，℃；tS2,in二次空氣進風干球溫度，℃。

2 試驗及結果分析

2.1 試驗過程及參數測量

對于以上兩個試驗平臺進行測試，采用如表1所示的Testo 174H 溫濕度自計儀測試機及多路數據記錄儀、Testo 405V1 熱敏式風速儀等儀器分別對每個實驗平臺四個一、二次空氣進出風的干、濕球溫度以及相對濕度、風速進行測量。測點均勻的布置在對應的風口處，試驗中各個進、出風截面的測點布置如圖5所示，各個進出風截面均勻布置2個測點，最后取其平均值[5-7]。

表1 主要測試儀表Table 1 Main test instruments

圖5 機組進、出風截面測點布置圖Fig.5 Layout of measuring points for the air inlet and outlet cross-sections of the unit

間接蒸發冷卻機組風量的計算公式為：

式中：qv為風量，m3/s；vp為斷面平均風速，m/s；F為測定斷面的面積，m2。

2.2 不同環境溫度下不同材料芯體的性能分析

（1）過渡季節工況下不同芯體的溫降及效率

如圖6所示，為試驗在選取過渡季節典型日即二次空氣即室外新風干球溫度在18℃～24℃之間，濕球溫度在8℃～16℃，其中親水鋁箔芯體的一次空氣進風干球溫度在25.5℃～28.5℃之間，對兩種材料芯體進行相同布水壓力下即0.4MPa 壓力下，在風量為1500m3/h、二/一風量比1:1 的工況下進行試驗。親水鋁箔芯體的一次空氣平均出風溫度18.36℃，改性高分子芯體一次空氣出風平均溫度16.42℃。圖7為該工況下其中親水鋁箔芯體平均濕球效率63.1%、改性高分子芯體平均濕球效率64.4%。

圖6 過渡季節工況下不同材料芯體溫降Fig.6 The temperature drop of different material cores in the transitional season

圖7 過渡季節工況下不同材料芯體濕球效率Fig.7 Wet bulb efficiency of different material cores in transitional seasons

（2）高溫工況下的不同芯體的溫降及效率

如圖8所示，為試驗在選取夏季典型日即二次空氣即室外新風干球溫度在29.5℃～35℃之間，其中親水鋁箔芯體的一次空氣進風干球溫度在37℃～40.5℃之間，二次空氣濕球溫度在17℃～23℃時，對兩種材料芯體進行相同布水壓力下即0.4MPa 壓力下，在風量為1500m3/h、二/一風量比1:1 的工況下進行試驗。親水鋁箔芯體的一次空氣平均出風溫度27.34℃，改性高分子芯體一次空氣出風平均溫度25.02℃。圖9 為該工況下，親水鋁箔芯體平均濕球效率64.13%、改性高分子芯體平均濕球效率67%。

圖8 高溫況下不同材料芯體溫降Fig.8 The temperature drop of different material cores under high temperature conditions

圖9 高溫工況下不同材料芯體濕球效率Fig.9 Wet bulb efficiency of different material cores under high temperature conditions

2.3 不同二/一次風量比下不同材料芯體的性能分析

（1）不同風量比下不同芯體的溫降

在室外氣象參數為空氣干球溫度在29℃～35℃，空氣相對濕度在27%～40%之間，其中進入親水鋁箔芯體一次空氣進風溫度在32℃～38℃之間，改性高分子芯體二、一次側空氣都為室外新風，以一次側風量為1500m3/h 為基礎下分別在二/一次風量比分別為1:1、1.2:1、1.5:1 的三種風量比下進行試驗。如圖10所示，改性高分子芯體在風量比為1:1 時，一次空氣溫平均降幅度最大達到9.76℃；親水鋁箔芯體在風量比為1.2:1 時，一次空氣平均溫降幅度最大達到13.11℃。同時由圖10 可知，在進入親水鋁箔芯體一次空氣平均干球溫度比進入改性高分子芯體的一次空氣平均干球溫度高3℃，兩個芯體的二次空氣都為同樣的室外空氣時，親水鋁箔芯體的平均溫降比改性高分子芯體高3.5℃，同時也可得到在間接蒸發冷卻中一次空氣溫度越高，在同樣二次空氣條件下一次空氣的溫降幅度越大。

圖10 不同二/一次風量比下不同材料芯體一次空氣溫降Fig.10 Primary air temperature drop of different material cores under different ratios of secondary/primary air volume

（2）不同風量比下不同芯體的效率

如圖11所示，改性高分子芯體在風量比為1:1時其平均濕球效率達到最大值68.8%，親水鋁箔芯體在風量比為1.2:1 時，其平均濕球效率達到最大值64.3%。并且由圖11 可知，最佳風量比下親水鋁箔芯體最佳效率值為69%，最佳風量比下改性高分子芯體最佳效率值為74%。并且在兩個芯體的二次空氣都為同樣的室外空氣時，而進入親水鋁箔芯體一次空氣平均干球溫度比進入改性高分子芯體的一次空氣平均干球溫度高3℃的工況下，高分子芯體的平均濕球效率比親水鋁箔芯體高4.6%。由此可見改性高分子芯體整體的換熱效率是優于親水鋁箔芯體的。

圖11 不同二/一次風量比下不同材料芯體濕球效率Fig.11 Wet bulb efficiency of different material cores under different ratios of secondary/primary air volume

3 不同材料特性對間接蒸發冷卻換熱芯體性能影響分析

3.1 現階段間接蒸發冷卻換熱芯體材料的分類

現階段在間接蒸發冷卻芯體制作中，芯體材料的選擇分別有金屬鋁箔、涂有親水涂層的金屬鋁箔、高分子聚合物、親水改性高分子聚合物以及多孔陶瓷材料等6 大種材料。這6 種間接蒸發冷卻芯體材料的材料特性在一般夏季工況（即：芯體進風干球溫度在28℃～35℃，相對濕度在35%～45%）時，對間接蒸發冷卻芯體的間接蒸發冷卻濕球效率以及傳熱速率的影響如表2所示[8-13]。

表2 不同材料的間接蒸發冷卻換熱芯體主要性能參數Table 2 Main performance parameters of indirect evaporative cooling heat exchange cores of different materials

3.2 材料對間接蒸發冷卻換熱芯體換熱效果的影響

對于間接蒸發冷卻芯體而言其熱傳遞主要在二、一側間壁兩側進行，其間壁換熱原理示意圖如圖12所示，上部為干通道，下部為材料壁面附有水膜的濕通道，在濕通道側應該有更加好的親水性、散濕性。因為濕通道的親水性與材料表面的散濕性決定著濕通道水膜附著的均勻程度、水膜的厚度、水膜擴散蒸發的快慢，水膜的附著情況的優劣決定著濕通道氣水進行熱濕交換（即就是水膜發生相變通過吸收一/二次間壁、二次空氣以及水膜自身的熱將顯熱轉化為二次空氣的潛熱過程）的蒸發過程進行的優劣，而材料的導熱系數決定了一次空氣通過一/二次間壁的導熱將熱量傳遞到二次通道的導熱速度的快慢。因為目前大多數芯體材料壁厚都做不到可忽略導熱系數影響的0.28mm 以下[14]，所以材料本身的導熱性也影響著間壁傳熱的主要因素之一。

圖12 間接蒸發冷卻芯體間壁換熱原理示意圖Fig.12 Schematic diagram of heat transfer principle of indirect evaporative cooling core wall

由表2 可知，在相同條件下芯體的間接蒸發冷卻濕球效率與材料特性中濕通道材料表面的親水性呈負相關，即芯體材料的親水性（接觸角）越大而其濕球效率降越低。其結果與上部分試驗結果反應一致，其中濕球效率由高到低依次為：親水改性高分子聚合物＞涂有親水涂層的金屬鋁箔＞金屬鋁箔＞高分子聚合物＞多孔陶瓷；材料的導熱系數與芯體二、一側次導熱速率呈正相關，其導熱速率的快慢順序依次為：金屬鋁箔＞涂有親水涂層的金屬鋁箔＞改性高分子聚合物＞聚合物纖維＞高分子聚合物＞多孔陶瓷。所以在選材中應結合干濕通道的差異性綜合考量來選取。

4 結論

（1）在典型過渡季節工況下，其中親水鋁箔芯體平均濕球效率63.1%、改性高分子芯體平均濕球效率64.4%。在典型夏季工況時，親水鋁箔芯體平均濕球效率64.13%、改性高分子芯體平均濕球效率67%。同時由分析可知改性高分子芯體的親水性優于親水鋁箔芯體，且高分子材料表面的散濕性也較好。雖然親水鋁箔芯體材料的導熱性比改性高分子芯體高約30～200 倍左右，但實驗表明改性高分子芯體整體濕球效率優于親水鋁箔芯體，所以對于間接蒸發冷卻而言，濕通道材料表面的親水性以及散濕性對于間接蒸發冷卻效率的影響更為關鍵。

（2）通過實驗表明，改性高分子芯體在風量比為1:1 時其平均濕球效率達到最大值68.8%，親水鋁箔芯體在風量比為1.2:1 時其平均濕球效率達到最大值64.3%。則說明對于親水鋁箔芯體材料而言其導熱性較好，可實現一、二側熱量的快速傳遞，所以其最佳二/一次風量比為1.2:1。而改性高分子芯體因為材料導熱系數較小，所以其一、二側熱量的快速傳遞較慢，所以其需要較小的風量比以實現換熱時間上的補償以取得更最優的換熱效果。

（3）對于間接蒸發冷卻芯體的材料而言間接蒸發冷卻濕球效率與材料特性中濕通道材料表面的親水性表征參數接觸角呈負相關，材料的導熱系數與芯體一、二次側導熱速率呈正相關。在間接蒸發冷卻換熱芯體材料選取之中應綜合考慮材料特性差異對間接蒸發冷卻芯體濕通道水膜附著情況對芯體蒸發效果、材料自身導熱系數對一、二次側的間壁導熱速率的影響，綜合考量來選取。