蒸發(fā)冷卻用泡沫陶瓷填料不同流道形式的性能實(shí)驗(yàn)

靳如意 黃 翔 王 穎 羅杰任

（1.西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院 西安 710048；2.西安交通大學(xué) 西安 710049）

0 引言

蒸發(fā)冷卻技術(shù)以干空氣能為驅(qū)動(dòng)勢(shì)，利用空氣與水在填料中的熱濕交換進(jìn)行冷卻降溫。因此填料是實(shí)現(xiàn)熱質(zhì)傳遞的媒介物質(zhì)，填料的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)形式對(duì)冷卻效果有著決定性的影響[1]。對(duì)于節(jié)能低碳環(huán)保的蒸發(fā)冷卻空調(diào)而言，更加要求填料能夠盡可能把水變成細(xì)小的水滴或水膜，使其均勻鋪在表面，降低淋水密度的同時(shí)提高潤濕率。填料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)還應(yīng)能保障空氣與水在填料中的接觸時(shí)間要長，空氣的流動(dòng)阻力要小，以減少風(fēng)機(jī)的功耗。目前工程應(yīng)用的填料主要有植物纖維材料、金屬材料、PVC 材料等。泡沫陶瓷是由陶瓷拋光廢渣二次燒制而成，是一類具有功能和結(jié)構(gòu)雙重屬性的新型多孔材料，化學(xué)性能穩(wěn)定，物理和力學(xué)性能優(yōu)異[2]。將其升級(jí)制備為陶瓷填料，應(yīng)用到制冷空調(diào)領(lǐng)域，解決城市工業(yè)垃圾的同時(shí)，也為尋找新型蒸發(fā)冷卻換熱填料創(chuàng)造條件。泡沫陶瓷填料因其特有的高孔隙率、低密度、大比表面積和高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，可以從根本上提高表面親水性、增加空氣與水膜間的傳熱傳質(zhì)面積、同時(shí)多孔結(jié)構(gòu)可作為儲(chǔ)水裝置，有效的降低淋水密度和水泵的運(yùn)行能耗，改善蒸發(fā)冷卻裝置的換熱性能，提升系統(tǒng)整體的冷卻效率[3,4]。馮勝山等人[5,6]采用多孔陶瓷作為直接蒸發(fā)冷卻器的換熱填料，建立了相應(yīng)過程的熱質(zhì)傳遞模型對(duì)其進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)研究。Kulkarni R K[7]等人對(duì)蒸發(fā)冷卻器中填料的不同流道形式和材質(zhì)進(jìn)行了研究。并運(yùn)用人工模擬的方法得出白楊木絲材質(zhì)的六角形流道形式填料的效率最高。黃翔等人[8]分析對(duì)比了GLASdek 填料的冷卻效率，給出了迎面風(fēng)速、填料流道形式等參數(shù)的優(yōu)化方法。王鑫等人[9]采用多孔陶瓷材料制成的管式間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行換熱性能實(shí)驗(yàn)。得出多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器的EER 最高。

藍(lán)笛等人[10]將泡沫陶瓷填料應(yīng)用于蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)行換熱性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，泡沫陶瓷填料的格柵結(jié)構(gòu)使得空氣流經(jīng)時(shí)的過流阻力顯著減小，同時(shí)填料的容積散質(zhì)系數(shù)明顯高于金屬填料和水泥格網(wǎng)板填料。

但目前針對(duì)此種新型泡沫陶瓷填料的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)和不同形式下的性能實(shí)驗(yàn)與對(duì)比分析還有待研究，本文采用拋光廢渣制成的新型泡沫陶瓷填料作為蒸發(fā)冷卻空調(diào)換熱填料，將其設(shè)計(jì)組裝成折線型和直線型兩種流道形式。選取烏魯木齊、西安、常州三種典型工況，在泡沫陶瓷填料蒸發(fā)冷卻實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)兩種流道形式填料的性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試與對(duì)比分析。分別研究確定了折線型和直線型填料在不同運(yùn)行工況下的最佳淋水密度、最佳進(jìn)口風(fēng)速以及溫降和壓降的變化情況。

1 泡沫陶瓷填料

泡沫陶瓷填料的制備過程如圖1所示。首先將陶瓷生產(chǎn)廠家提供的陶瓷拋光廢渣加熱，當(dāng)其水分低于10%時(shí)，粉碎，然后過250 目篩，制成拋光廢粉。取適量拋光廢粉，加入20%的水，混合均勻后用壓片機(jī)壓制成厚度0.5cm 的試片，置于200℃下干燥30min。最后將試件放入高溫爐中，在1200℃下煅燒30min，制成泡沫陶瓷填料[10]。

圖1 拋光廢渣泡沫陶瓷填料的制備工藝Fig.1 Preparation process of polishing waste ceramic foam packing

將制備的泡沫陶瓷填料切割成高170mm、厚8mm 的陶瓷片，拼接組裝成直線型流道和折線型流道兩種不同結(jié)構(gòu)形式的直接蒸發(fā)冷卻填料，填料切片與切片之間的間距為6.24mm，均勻地布置在塑料框架內(nèi)。組裝完成后，單塊泡沫陶瓷填料的外形尺寸為250mm×210mm×170mm（長（L）×（W）×高（H））的長方體狀格柵。直接蒸發(fā)冷卻器的填料段由這樣6 塊填料拼裝而成，填料的結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖2 泡沫陶瓷填料的結(jié)構(gòu)形式Fig.2 Structural form of foam ceramic packing

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

泡沫陶瓷填料蒸發(fā)冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，主要包括壓入風(fēng)機(jī)、靜壓箱、間接蒸發(fā)冷卻器、加熱段、泡沫陶瓷填料直接蒸發(fā)冷卻試驗(yàn)臺(tái)、風(fēng)洞試驗(yàn)等部分。可根據(jù)具體測試需要維持實(shí)驗(yàn)臺(tái)內(nèi)空氣狀態(tài)參數(shù)的穩(wěn)定。表1列出了不同測量儀器的規(guī)格。

圖3 泡沫陶瓷填料蒸發(fā)冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Foam ceramic packing evaporative cooling experimental system

表1 各種測量儀器的規(guī)格Table 1 Specification of various measuring instruments

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定

根據(jù)GB 50736-2012[11]中規(guī)定的夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干濕球溫度，分別取烏魯木齊市、西安市、常州市為實(shí)驗(yàn)的3 種典型工況，在焓差實(shí)驗(yàn)內(nèi)進(jìn)行不同模擬工況的參數(shù)調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)?zāi)M工況如表2所示，誤差在±0.5℃以內(nèi)。

表2 焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬工況Table 2 Simulation of working conditions in the experimental chamber

本實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)量為2500m3/h，配有變頻器，共設(shè)置7 個(gè)檔位，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來控制風(fēng)量的大小，進(jìn)風(fēng)口有效截面積為0.32m2，通過風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)測得的變頻器各檔位風(fēng)速來計(jì)算其送風(fēng)量，風(fēng)機(jī)各檔位與風(fēng)量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 風(fēng)機(jī)風(fēng)量與變頻器檔位對(duì)應(yīng)表Table 3 Fan air volume and inverter gear correspondence table

2.3 實(shí)驗(yàn)測試過程

（1）啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，開啟風(fēng)機(jī)，關(guān)閉門窗，等待測試工況穩(wěn)定。

（2）放置折線型泡沫陶瓷填料，開啟布水裝置。

（3）調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)變頻器。穩(wěn)定運(yùn)行10min 后，測量并記錄各測點(diǎn)的空氣狀態(tài)參數(shù)。

（4）分別設(shè)置進(jìn)出風(fēng)測點(diǎn)。測量并采集數(shù)據(jù)。

（5）更換直線型填料，重復(fù)步驟（2）～（4）。

（6）完成實(shí)驗(yàn)測試工作，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

2.4 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.4.1 直接蒸發(fā)冷卻效率

用熱力學(xué)第一定律分析直接蒸發(fā)冷卻器對(duì)環(huán)境溫度的冷卻能力，其直接蒸發(fā)冷卻效率[2]計(jì)算式為：

式中：tg1為進(jìn)風(fēng)干球溫度，℃；tg2為出風(fēng)干球溫度，℃；ts1為進(jìn)風(fēng)濕球溫度，℃。

2.4.2 淋水密度

淋水密度（Γ）[2]是將轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量的每單位小時(shí)的循環(huán)水流量除以淋水管的總長度來計(jì)算。

式中：Γ為淋水密度，kg/(m·h)；Mw為循環(huán)水質(zhì)量流量，kg/h；n為布水管個(gè)數(shù)，個(gè)；Z為單個(gè)布水管道長度，m。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 能量平衡校核和不確定性分析

在實(shí)驗(yàn)測量過程中，一些不可避免的人為誤差和實(shí)驗(yàn)測試儀器的精度誤差都有可能影響最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此在正式實(shí)測前有必要對(duì)所有測量數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)中計(jì)算的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行不確定性分析，以檢查測量設(shè)備收集數(shù)據(jù)的有效性。假設(shè)函數(shù)R根據(jù)一組n個(gè)測量值（自變量）計(jì)算得出，表達(dá)式如下：

因此，結(jié)果R的不確定度可以結(jié)合各個(gè)項(xiàng)的不確定度使用平方根法來進(jìn)行確定。

方程δR、xi、δxi分別是與因變量R、影響R的自變量和變量xi的不確定度相關(guān)的總不確定度。不同指標(biāo)的不確定性分析結(jié)果如表4所示。為確保測試結(jié)果的可靠性，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行能量平衡校核。在絕熱條件下，直接蒸發(fā)冷卻過程是一個(gè)等焓降溫的過程，空氣入口和出口狀態(tài)的焓值相等。

表4 不確定性分析結(jié)果Table 4 Error analysis results

圖4為進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的焓值變化對(duì)比圖。所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差均在±10%以內(nèi)。因此，該設(shè)備被認(rèn)為是可靠的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其測得的數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

圖4 蒸發(fā)冷卻器進(jìn)出風(fēng)焓值比較Fig.4 Comparison of enthalpy of air inlet and outlet of evaporative cooler

3.2 填料最佳淋水工況

潤濕率對(duì)填料的蒸發(fā)冷卻性能具有關(guān)鍵性影響，為了確定泡沫陶瓷填料的最佳淋水密度，在不同的噴淋水量和不同的進(jìn)口空氣流量（1380，1610，2070m3/h）下進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。

在西安工況下，分別設(shè)置噴淋水流量為2、5、10、15、20、25L/h，對(duì)兩種不同流道形式的泡沫陶瓷填料進(jìn)行試驗(yàn)測試，通過填料直接蒸發(fā)冷卻效率的比對(duì)分析，確定兩種流道形式填料的最佳淋水工況。淋水流量對(duì)兩種流道形式泡沫陶瓷填料直接蒸發(fā)冷卻效率的影響如圖5所示。

圖5 淋水密度對(duì)兩種流道形式泡沫陶瓷填料直接蒸發(fā)冷卻效率的影響Fig.5 Effect of watering density on direct evaporative cooling efficiency of two kinds of foam ceramic fillers

由圖5可知，隨著噴淋水量的增大，兩種流道形式泡沫陶瓷填料的直接蒸發(fā)冷卻效率均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)榕菽沾刹牧媳旧硖赜械目紫督Y(jié)構(gòu)，使其具備良好的蓄水能力，而蒸發(fā)冷卻技術(shù)恰恰是依靠水的汽化潛熱對(duì)空氣進(jìn)行冷卻降溫。當(dāng)淋水量較小時(shí)，水與泡沫陶瓷填料接觸的表面存在大量干點(diǎn)，導(dǎo)致直接蒸發(fā)冷卻效率較低。隨著噴淋水量的增加，填料被充分潤濕，當(dāng)淋水量增加到超過泡沫陶瓷填料本身所能容納的體積時(shí)，形成流道堵塞，熱質(zhì)交換效果降低。在對(duì)兩種流道形式的泡沫陶瓷填料進(jìn)行最佳淋水工況測試時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，折線型填料的換熱效率增幅較大整體高于直線型，且不易受進(jìn)風(fēng)風(fēng)量變化的影響，填料中空氣與水的熱質(zhì)交換效果更加顯著，三種不同風(fēng)量下的直接蒸發(fā)冷卻效率較為相近。而直線型填料的換熱效率受風(fēng)量變化的波動(dòng)較大，當(dāng)風(fēng)量一定時(shí)，增加填料的噴淋水量，換熱效果變化不明顯。同一淋水密度下，風(fēng)量越大，泡沫陶瓷填料的直接蒸發(fā)冷卻效率反而越小。折線型流道的泡沫陶瓷填料在淋水密度為10.0kg/(m·h)時(shí)，三種風(fēng)量下的換熱效果最好，此時(shí)填料剛好被完全潤濕。直線型流道的泡沫陶瓷填料則在淋水密度為6.7kg/(m·h)時(shí)完全濕潤，達(dá)到良好的熱交換效果。

3.3 直接蒸發(fā)冷卻效率

在測得的最佳淋水工況下，選取三種典型代表地區(qū)（烏魯木齊、西安、常州工況），分別控制兩種流道形式泡沫陶瓷填料的進(jìn)口空氣流量保持在920m3/h，通過變頻器調(diào)節(jié)使兩種結(jié)構(gòu)填料的進(jìn)風(fēng)量從920m3/h 遞增至2300m3/h，單次增量為230m3/h，完成三種運(yùn)行工況下進(jìn)口風(fēng)速在0.8～2.0m/s 范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)測試，通過測試數(shù)據(jù)計(jì)算其對(duì)應(yīng)的直接蒸發(fā)冷卻效率，以此來比較兩種流道形式的填料在不同運(yùn)行工況下的熱質(zhì)傳遞性能。

圖6為在3 種運(yùn)行工況下測得的進(jìn)風(fēng)量對(duì)兩種流道形式泡沫陶瓷填料直接蒸發(fā)冷卻效率（ηDEC）的影響。由圖6可知：三種運(yùn)行工況下，隨著進(jìn)風(fēng)量的增加，兩種流道形式填料的直接蒸發(fā)冷卻效率均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，其中折線型填料在風(fēng)量變化時(shí)，其效率變化趨勢(shì)較直線型更為穩(wěn)定。折線型流道的泡沫陶瓷填料，在烏魯木齊工況下，ηDEC為83.01%，最佳進(jìn)口風(fēng)速為1.6m/s；西安工況下ηDEC為70.74%，最佳進(jìn)口風(fēng)速為1.4m/s；常州工況下ηDEC為67.43%，最佳進(jìn)口風(fēng)速為1.2m/s。直線型流道的泡沫陶瓷填料，在烏魯木齊工況下ηDEC為77.68%；西安工況下ηDEC為68.56%；常州工況下ηDEC為64.23%，三種工況下的最佳進(jìn)口風(fēng)速均為1.0m/s。

圖6 進(jìn)風(fēng)量對(duì)兩種流道形式泡沫陶瓷填料直接蒸發(fā)冷卻效率的影響Fig.6 Effect of Inlet Air Volume on Direct evaporative cooling efficiency of two kinds of foam Ceramic packing

通過對(duì)兩種流道泡沫陶瓷填料的性能測試發(fā)現(xiàn)，同一工況下，折線型流道的ηDEC和最佳進(jìn)口風(fēng)速均要高于直線型流道。主要是因?yàn)檎劬€流道的結(jié)構(gòu)形式相比于直線流道，增大了填料中空氣與水的接觸面積，延長了熱濕交換時(shí)間，增強(qiáng)了直接蒸發(fā)冷卻的熱質(zhì)交換效果。同時(shí)，折線型流道不易受風(fēng)量變化影響，相比于直線型流道更能適應(yīng)各種不同風(fēng)量大小的蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)量要求不高，其應(yīng)用范圍更加寬廣。

3.4 空氣進(jìn)出口溫降

圖7所示為3 種運(yùn)行工況下，兩種流道形式泡沫陶瓷填料的空氣進(jìn)出口溫降隨進(jìn)風(fēng)量的變化。由圖7可知，進(jìn)出口溫降隨著進(jìn)口風(fēng)量的增加先緩慢升高后又逐漸下降。折線型流道在最佳進(jìn)口風(fēng)速下，烏魯木齊工況、西安工況、常州工況的溫降峰值分別為12.7、7.3 和4.37℃。而直線型流道在最佳進(jìn)口風(fēng)速下，烏魯木齊工況、西安工況、常州工況的溫降峰值分別為11.96、7 和4.11℃。

由圖7可知，隨著填料進(jìn)口風(fēng)速的逐漸增大，折線型流道的溫降更加平緩穩(wěn)定。由于泡沫陶瓷填料折線型流道與直線型流道相比，其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，有效流通距離長，同時(shí)曲折的流道使得空氣在其中停留的時(shí)間變長，熱質(zhì)交換更加充分。

圖7 進(jìn)風(fēng)量對(duì)兩種流道形式泡沫陶瓷填料進(jìn)出口溫降的影響Fig.7 Effect of Inlet Air Volume on Inlet and outlet temperature drop of two kinds of foam Ceramic fillers

3.5 填料層壓降

圖8為進(jìn)口風(fēng)速對(duì)兩種流道形式泡沫陶瓷填料壓降的影響（三種工況下的壓降變化圖相同），填料的壓降反應(yīng)了氣液介質(zhì)通過泡沫陶瓷填料層時(shí)氣相所克服的阻力。由圖8可知，兩種流道形式填料的壓降均隨進(jìn)風(fēng)量的增大而增大，且折線型填料的壓降整體高于直線型。對(duì)于折線型流道而言，其局部阻力系數(shù)大，使得空氣在流道中所需克服的沿程阻力和局部阻力變大。從另一方面也變相增加了風(fēng)機(jī)的能耗。

圖8 進(jìn)風(fēng)量對(duì)兩種流道形式泡沫陶瓷填料壓降的影響Fig.8 Effect of Inlet Air Volume on pressure drop of two kinds of foam Ceramic packing

4 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種流道形式泡沫陶瓷填料的直接蒸發(fā)冷卻效率隨淋水密度的增加均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在西安工況下，折線流道形式泡沫陶瓷填料的最佳淋水密度為10.0kg/(m·h)，直線流道形式為6.7kg/(m·h)。

（2）相同實(shí)驗(yàn)條件下，折線型流道形式填料的最佳進(jìn)口風(fēng)速和壓降都要高于直線型流道。在烏魯木齊、西安、常州工況下折線型流道形式填料的最佳進(jìn)口風(fēng)速分別為1.6、1.4、1.2m/s，直接蒸發(fā)冷卻效率可達(dá)83.01%、70.74%、67.43%；而直線型流道在3 種工況下的最佳進(jìn)口風(fēng)速均為1.0m/s，直接蒸發(fā)冷卻效率分別為77.68%、68.56%、64.23%。兩種流道形式泡沫陶瓷填料在烏魯木齊工況下的制冷性能達(dá)到最高水平，表明蒸發(fā)冷卻技術(shù)在干燥地區(qū)更加具有節(jié)能潛力與應(yīng)用前景。

（3）隨著進(jìn)口空氣干濕球溫差的減小和空氣質(zhì)量流量的增大，兩種流道形式泡沫陶瓷填料的直接蒸發(fā)冷卻效率均有下降的趨勢(shì)。但折線型流道相比于直線型流道而言，不易受風(fēng)量變化影響，空氣進(jìn)出口溫降穩(wěn)定，更加適用于各種不同風(fēng)量大小的蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，應(yīng)用范圍廣泛。但也需適當(dāng)考慮風(fēng)機(jī)能耗問題。