非饱和蒸发式冷却器传热性能实验研究

李雪玲 朱冬生 郑伟业 周洪剑

(1 华东理工大学机械与动力工程学院 上海 200237；2 上海市宝丰机械制造有限公司 上海 200444)

蒸发式冷却器是一种将水冷与空冷、传热与传质过程融为一体且兼有两者之长的高效节能冷却设备，具有节能、节水、结构紧凑、易安装维护、运行费用低等优点[1-3]。近十年的研究、开发和推广的实践证明，蒸发冷却技术不仅可以广泛应用于暖通空调制冷领域[4-7]，单独地或与其他制冷方式相结合去面对环保、节能、经济及室内空气品质的联合挑战,而且在炼油、冶金、电力、轻工等工业领域中也有着广阔的应用前景[8-10]。

图1 测试用蒸发式冷却器结构简图Fig.1 Structure diagram of envaperative cooler tested

1 蒸发式冷却器概况

1.1 工作原理简介

蒸发式冷却器主要利用自然条件中空气的干湿球湿度差使水蒸发来移除被冷却工艺流体热量。图1为上海某公司生产的蒸发式冷却器的典型形式。它主要由冷却盘管、水循环系统及风机三部分组成。循环水用循环水泵压送到换热盘管的上方，经喷嘴或其它喷淋装置喷洒到盘管表面，当高温冷却水进入盘管 ，循环水连续不断的喷淋在盘管表面，形成水膜流下，水膜通过壁面吸收热量后，在与水膜表面空气焓差推动作用下，部分水蒸发为蒸汽，被快速流动的空气带走，这样就有效的利用水的蒸发潜热，以较少的水达到高温冷却水快速冷却的目的，增强传热效果。

1.2 性能影响因素

国内外不少学者对蒸发式冷却器的传热传质机理进行了研究，研究普遍认为除了被冷却工艺流体的设计参数外，风量、喷淋水量、喷淋水水温、外界空气的干湿球温度等运行参数对蒸发式冷却器的性能都有影响[11-12]，且这些因素是相互关联，如蒸发式冷却器内风速与喷淋密度。由于蒸发式冷却器的换热过程涉及质扩散和气液两相流，其性能涉及的相关因素太多。所以这里针对一套完整的蒸发式冷却器系统进行性能测试，以分析这些因素对蒸发式冷却器性能的影响。

2 实验台概述

测试用蒸发式冷却器其外形如图2所示，其结构形式与图1相同。换热面积为31.2m2，椭圆管尺寸Ф31.8mm×21.6mm×1.5mm，一组共37根，长1.25m，8层叉排分布，整体热浸锌。蒸发式冷却器外形尺寸为1420×1140×3398mm3。风机额定功率3kW，水泵额定功率5.5kW。

图2 蒸发式冷却器现场测试图Fig.2 Field test diagram of envaperative cooler

风量调节由西门子变频器控制，并通过风速仪监测风速。管内冷却水流量及喷淋水流量由阀门控制，其流量通过LDB电磁流量计监测。温度监测通过PT热电阻测量，包括冷却水进出口温度、水膜温度、水槽温度、空气出口温度的监测。出口空气湿度由湿度传感器测量，精度±2%。进口空气状态由testo625监测。热电阻及湿度传感器与Agilent-34970模块采集，并与计算机通讯实 采集现场数据。具体仪表见表1。

表1 蒸发式冷却器测试具体仪表Tab.1 Speci fi c instruments evaporative cooler test

实验前通过标准温度计对温度传感器进行标定，使之误差控制在0.35%以内。

3 实验分析

3.1 管内冷却水流量的影响

实验在进风湿球温度为23℃，喷淋密度为0.04kg/(m.s)，进口风速为2.89m/s的情况下，依次调节冷却水进口阀门，使之流量由小到大增加，且冷却水进口温度为60℃。在这种工况下，绘制冷却水出口温度、水膜平均温度及出口空气焓值的影响曲线如图3。

图3 冷却水出口温度、水膜温度、出口空气焓值与冷却水流量的关系Fig.3 The relation cooling water outlet temprature, water fi lm temprature, air outlet enthalpy and cooling water fl ow

由图3可知，随着管内冷却水流量的增加，冷却水出口温度升高，平均水膜温度升高，且出口空气焓值升高。

式中：tc,in—管内流体入口温度，℃；tc,out—管内流体出口温度，℃；ta,wet—入口湿空气的湿球温度，℃。

此外，对管内冷却水流量进行调节，得到冷却效率随流量变化的曲线，如图4所示。

图4 冷却效率随管内冷却水流量的变化曲线Fig.4 The relation cooling ef fi ciency and cooling water fl ow

由图4可知，管式蒸发式冷却器的冷却效率随冷却水流量的增加而降低。

3.2 空气流量的影响

图5 冷却水出口温度、水膜温度、出口空气焓值与空气流量的关系Fig.5 The relation cooling water outlet temprature, water fi lm temprature, air outlet enthalpy and air fl ow

图6 冷却效率随空气流量的变化曲线Fig.6 The relation cooling ef fi ciency and air fl ow

在管内冷却水流量为20m3/h、喷淋密度为0.04kg/(m.s)、湿球温度为23℃的情况下，分别调节风机频率，依次改变风量。在这种工况下，绘制冷却水出口温度、水膜平均温度及出口空气焓值的影响曲线如图5所示。

乡村旅游与精准扶贫融合发展模式，是不断探索、发展、创新、完善的迭代过程。很多贫困乡村地区由于信息交流不畅、地域相隔较远等原因，至今没有形成产业融合发展意识，主要体现在：乡村政府宣传不到位，引导力有限，内部分工也不明确，乡村旅游电子商务发展思路不清晰等。与此同时，乡村旅游与精准扶贫融合发展过程中还存在诸多问题，如资本限制、资金限制、权利限制、信息限制、人口素质限制、发展限制、基础设施限制等问题。这些都是由于乡村地区缺乏联动性造成的。

由图5可知，随着风量的增加，冷却水出口温度降低，平均水膜温度降低，且出口空气焓值降低。

冷却效率随风量变化曲线如图6所示，蒸发式冷却器冷却效率随风量的增加而增加，且增加趋势显著。

3.3 喷淋水流量的影响

图7 冷却水出口温度、水膜温度、出口空气焓值与喷淋水流量的关系Fig.7 The relation cooling water outlet temprature, water fi lm temprature, air outlet enthalpy and sprayed water fl ow

图8 冷却效率随喷淋水流量的变化曲线Fig.8 The relation cooling ef fi ciency and sprayed water fl ow

在管内冷却流量在20m3/h、进口温度为60℃、风机频率固定为50Hz、环境湿球温度为23℃的情况下进行实验，绘制冷却水出口温度、水膜平均温度及出口空气焓值的影响曲线如图7所示。

由图7可知，随着喷淋水流量的增加，冷却水出口温度降低，但是从13m3/h至20m3/h之间，出口温度随喷淋水流量的增加并不明显。水膜温度呈现微弱的上升趋势，空气出口焓增加。冷却效率随喷淋水流量的变化曲线如图8所示。

由图8可知，虽然喷淋水流量增加，蒸发式冷却器冷却效率提高，但变化并不显著，由此可见，蒸发式冷却器可以在较小的喷淋水流量下进行冷却，以节省水泵功耗。

3.4 环境湿球温度的影响

对蒸发式冷却器在不同天气情况进行实验，保持管内冷却水流量为20m3/h，喷淋密度0.04 kg/(m.s)、风机频率为50Hz，冷却水进口温度仍为60℃，得到若干组数据，绘制冷却水出口温度、水膜平均温度及出口空气焓值的曲线如图9所示。

图9 冷却水出口温度、水膜温度、出口空气焓值与环境湿球温度的关系Fig.9 The relation cooling water outlet temprature,water fi lm temprature, air outlet enthalpy and wet bulb tempreture

图10 冷却效率随环境湿球温度的变化曲线Fig.10 The relation cooling ef fi ciency and wet bulb tempreture

冷却效率随环境湿球温度的变化曲线如图10所示。随着环境湿球温度的升高，蒸发式冷却器的冷却效率也随之升高，这是由于冷却水出口温度的tc,out变化小于环境湿球温度ta,wet的变化。

4 结论

1)将管内冷却水流量由30m3/h降至10m3/h，冷却水出口温度降低9.3℃及水膜温度降低5.2℃，并提高蒸发式冷却器的冷却效率约20%。

2)增加风量和喷淋水流量，可以降低冷却水出口温度及水膜温度，提高蒸发式冷却器的冷却效率。从实验来看，风量的影响要远大于喷淋水流量的影响，达到最佳喷淋密度后，再增加喷淋水流量对提高蒸发式冷却器的性能并无明显作用，将喷淋水流量由7.5m3/h增至20m3/h，冷却效率仅提高约4%。实验测得最佳喷淋水量为12m3/h～14m3/h，最佳风速为5m/s左右。

3)环境湿球温度的增加虽然会提高冷却水出口温度，但冷却效率仍呈现上升趋势。因为冷却水出口温度tc,out的变化小于环境湿球温度twet的变化。

通过对蒸发式冷却器的性能进行研究，实验结果为蒸发式冷却器运行参数的调整提供了参考依据，并对理论模型的解析结果[13]进行了验证。还需进行大量的工作进一步研究环境湿球温度对蒸发式冷却器性能的影响。

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