再生式蒸发冷却降温系统的实验研究

(上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海200240)

空调系统已广泛应用于商用和民用建筑中[1]，而常规压缩式空调制冷系统消耗大量电能，因此必须寻找简易、可靠、节能的空气调节方法。在高温低湿地区蒸发冷却系统提供了良好的选择，该系统依靠水的蒸发冷却原理实现降温，当处理空气湿球温度较低时，具有较好的冷却降温能力，可替代传统空调。蒸发冷却系统无需使用化学制冷剂和压缩机，相对于传统空调而言，其结构简单、节能环保，只需传统空调1/4的电能[2]。蒸发冷却通常可以分为3种：直接蒸发冷却、间接蒸发冷却和露点蒸发冷却。

直接蒸发冷却是一种简单的蒸发冷却技术，利用水与干燥空气接触会蒸发吸热的原理，如图1(a)所示，热力学过程如图1(b)所示，空气从工况点1经过等焓过程达到工况点2，温度下降，同时湿度上升，其理论极限是湿球温度T1,wet。

图1 直接蒸发冷却原理及热力过程Fig.1 Principle and thermodynamic process of of direct evaporation cooling

间接蒸发冷却通常具有干湿两个分离的通道，优点在于干通道气体湿度不会变化，如图2(a)所示。但由于湿通道的蒸发冷却过程仍然受空气T1,wet的限制，因而干通道温度也无法

图2 间接蒸发冷却原理及热力过程Fig.2 Principle and thermodynamic process of indirect evaporation cooling

露点蒸发冷却由干湿两个通道构成，是一种间接蒸发冷却的改进技术，在合理的设计下，可以突破直接蒸发冷却和间接蒸发冷却的温降极限，将干通道湿度降至T1,wet以下[3-5]，且不增加干通道空气湿度。典型露点蒸发冷却方案有再生式蒸发冷却循环和M循环两种，其结构原理及热力过程如图3所示。再生式蒸发冷却循环结构较为简单，空气在干通道出口处分流，一部分作为新风排出，另一部分作为再生风进入湿通道蒸发冷却[5]。

图3 露点蒸发冷却原理及热力过程Fig.3 Principle and thermodynamic process of dew point evaporation cooling

再生式蒸发冷却循环结构相对简单，国内外对再生式蒸发冷却效率的实验和数值研究较多[5-7]。在相同实验条件和相似物理尺寸条件下，对流式热交换器相对于交叉流式换热器具有更好的冷却能力(约提升20%)，更好的露点效率和湿球效率，但交叉流换热器相对具有更高的COP[8]。B. Riangvilaikul等[9]搭建了一个对流式结构露点蒸发系统，且对出口空气和系统在不同空气条件(温度、湿度、速度)下的湿球效率进行了探究，研究表明：在进气风速<2.5 m/s，通道间隙<5 mm，通道高度>1 m，空气比例约为35～60%时，所有典型进气条件下的湿球效率均>100%[10]。Zhao X. 等[11-12]对对流式露点蒸发系统的热质交换进行了详细的数值分析，表明露点蒸发系统在一定条件下可以达到130%的湿球效率和90%的露点效率。J. Lee等[13]设计制作了翅片管式的露点蒸发系统，对系统中工作气体分离比例、通道压降、供水情况进行了探究。Lin J. 等[3]提出了一种改进的对流式单级露点蒸发制冷器的数学模型，考虑了纵向热传导、气流的质量扩散、通道壁和水薄膜及其温差等因素。通道高度和环境温湿度对制冷效率有较大影响[14]，较大的通道高度降温效率会下降，但风压会变小，可用于大风量需求场景[7]。目前，露点蒸发系统仍具有对环境条件要求较高和几何尺寸较大等缺点，若要达到较好的降温效果和理想的尺寸，还需要与其他设备联合使用[14-15]。

综上所述，目前针对再生式蒸发冷却的研究仍集中于一定的结构和工况下对其可获得低于湿球温度送风的验证，而对影响再生式蒸发冷却的结构和运行参数影响分析较少。因此，本文通过实验台测试和分析研究供水水温、新风温度、干通道风速、新风湿度对再生式蒸发冷却效率的影响。

1 实验系统介绍

本文搭建了一套对流式再生蒸发冷却系统，系统主要由供水系统、换热器核心、新风系统3个子系统构成，其中换热器核心是最主要部件。换热器核心由50个逆流布置的干/湿通道组成(图4(a))，干通道和湿通道均使用铝板和有机玻璃制作，其详细参数如表1所示。将干通道与湿通道用胶水贴合便可以得到换热器核心(图4(b))，新风从下方入口通道进入干通道，送风从上方出口吹出，图5所示为实验设备中换热器核心的实物图。供水系统主要由水泵和喷头组成，新风系统包括可变速风机和阀门，所用设备型号如表2所示。

表1 换热器尺寸Tab.1 The geometric dimensions of heat exchanger

表2 实验设备零部件型号Tab.2 The model of test equipment parts

整个实验设备在焓差实验室中进行实验，设备有一个进风口和两个出风口(再生风和送风)。空气由进风口进入，通过干通道以后分为再生风和新风两部分，再生风进入湿通道进行蒸发冷却，新风作为目标空气吹出，如图6所示。新风风速可以通过风机控制，再生风风速可以通过阀门控制，干通道风速由新风和再生风共同决定。设备送风出口和新风入口安装有温湿度传感器。

图4 再生式换热器的干/湿通道与空气流向Fig.4 Dry/wet channels and air flow direction of regenerative heat exchanger

图5 实验设备中的再生式换热器Fig.5 Regenerative heat exchanger in experimental equipment

图6 再生式蒸发冷却系统Fig.6 Regenerative evaporative cooling system

2 实验测量及误差分析

实验中需要采集的数据包括干球温度、相对湿度和及风速，通过安装在干通道进/出风口的传感器检测进/出口温度和湿度，通过热敏风速风量计测量进/出口风速，实验装置如图7所示。实验中采集数据的实验装置参数如表3所示。

空气温降：

T=Tin-Td

(1)

湿球效率[9]：

(2)

露点效率[9]：

(3)

式中：Tin为新风口温度，℃；Td为干通道出风口温度，℃；Tw为湿球温度，℃。

实验结果绝对误差[16]：

(4)

实验结果相对误差[16]：

(5)

实验中测量的Tin、Td的绝对误差为±0.2干球温度(℃)，相对误差小于±0.6%。T的绝对误差为±0.28 ℃，相对误差小于±4%。εw绝对误差小于±0.03，相对误差小于±3.4%。εd的绝对误差小于±0.23，相对误差小于±2.4%。

图7 再生式蒸发冷却实验设备Fig.7 The experimental equipment of Regenerative evaporative cooling

3 结果分析与讨论

为了探究再生式蒸发冷却最合适的使用场景，本文搭建了对流式再生式蒸发冷却系统，用实验的方式对再生式蒸发冷却循环的部分影响因子进行了研究。对于一个既定的再生式蒸发冷却循环系统，其可变的外部因子主要有供水温度Tw、新风温度Tia、新风相对湿度RH和干通道风速Vd，以上4个影响因子也是使用场景的主要变量，本文主要对以上4个因子对再生式蒸发冷却系统的影响进行实验研究。

本文以进出口温降T、系统湿球效率εw、系统露点效率εd为基础衡量系统制冷效果。

3.1 供水水温对系统制冷效率的影响

影响系统换热效率的内部因子主要是供水体积流量、供水水温、新风风速，外部因子主要是新风温湿度。图8所示为供水水温分别为13、18、24、28、31 ℃时，进出口空气温差随时间的变化，其他影响因子参数如表4(a)所示。

实验结果显示，当供水水温为13 ℃时，T≈6.5 ℃，εw=95%，εd=72%；当供水水温为31 ℃时，T=3.3 ℃，εw=48%，εd=36.7%。在环境和设备其他条件不变的情况下，随着供水水温的上升，T变小，系统制冷效率下降。

表3 数据采集设备参数Tab.3 Parameters of data collection equipment

该再生式蒸发冷却系统在水温恒定的情况下，存在显热温降和潜热温降两个热力学过程。在潜热温降过程中，湿通道的水薄膜蒸发冷却，从而冷却所接触空气，将冷量传递给干通道，此过程依靠水薄膜的潜热降温；在显热温降过程中，由于水薄膜温度<干通道空气温度，水薄膜显热变化进一步降低了干通道空气温度。因此空气的温降(T)等于显热降温(TS)和潜热降温(TL)之和，即T=TS+TL。若将本系统的喷水系统设计为循环系统，将供水系统喷出的水收集起来再次用于喷水而不断循环，则水温随着系统稳定且逐渐稳定在30 ℃左右，此时系统T=3.5 ℃，这也是该系统的潜热降温。当水温低于仅进行潜热交换时的稳态水温时，显热温降过程中的水薄膜吸收干通道的热量，使新风温度更低；当水温高于仅进行潜热交换时的稳态水温时，显热降温过程中的水薄膜会传递多余热量给干通道，使新风温度更高。

表4 主要实验工况Tab.4 Main experimental conditions

图8 不同水温的温降曲线Fig.8 The curves of temperature drop with different water temperatures

由图8可知，在工作开始至15 min以内，温降持续增加，且水温越低，降温越快。系统工作约25 min以后，系统基本处于稳态。表5汇总了不同水温下进出口温降稳定的时间。表5和图8表明，水温在13～31 ℃时，系统稳定的时间基本没有变化。

表5 不同工作时间下的温降情况Tab.5 Temperature drops at different working hours

3.2 湿度对系统制冷效率的影响

新风相对湿度是系统换热性能的关键因素之一。本文研究了系统在新风相对湿度分别为31.5%、35.5%、40%、50%、60%时的性能，其他影响因子参数如表4(b)所示。图9所示为新风相对湿度与温降和湿球效率的变化，图10所示为新风相对湿度与温降和露点效率的变化。由图9和图10可知，在RH=31.5%条件下，T可达5.6 ℃，εw=47.45%、εd=29.87%；而在RH=60%条件下，T≈3.4 ℃，但εw可达54%，εd=39.47%。因此，随着RH的升高，系统εd和εd逐渐增大，但T逐渐减小。

图9 新风相对湿度与湿球效率/温降的关系Fig.9 The relationship between relative humidity of fresh air and wet bulb efficiency/temperature drop

图10 新风相对湿度与露点效率/温降的关系Fig.10 The relationship between relative humidity of fresh air and dew bulb efficiency/temperature drop

数据表明：在供水温度恒定情况下，新风相对湿度对进/出口温降的绝对值和系统湿球/露点效率的影响是相反的。在相对湿度较低的环境中，空气中的水蒸气分压较小，在此条件下水更容易蒸发进入空气，从而蒸发吸热制冷，T更大。在低温环境下空气的湿球温度更低，由于本文实验系统引入了水薄膜的显热温降过程，使系统湿球温度下降的幅度大于制冷系统制冷效果提高的幅度，因此εw逐渐降低。

3.3 风速对系统制冷效率的影响

风速是系统制冷效率的关键因素，为探究风速的影响，对Vd=1.5、2.6 m/s的系统分别进行实验，实验具体参数如表4(c-d)所示，实验结果如图11所示。由图11可知：当Vd=1.5 m/s时，T=6.1 ℃，可得εw=55%，εd=38%；当Vd=2.6 m/s时，T=5.8 ℃，可得εw=52%，εd=36%。风速对系统的影响主要有：1)风速增大，稳态下温降数值变小，同时制冷效率下降；2)在系统运行初始阶段，风速越大，温度下降速度越快。

图11 风速与温降的关系Fig.11 The relationship between wind speed and temperature drop

风速过大使湿通道的蒸发冷却效率下降，影响稳定状态下的温降效果。同时，风速增大使传热效率更高，从而降温速度更快。

图12 新风温度与温降和制冷效率的关系Fig.12 The relationship between temperature of fresh air and temperature drop/refrigeration efficiency

3.4 新风温度对制冷湿球效率的影响

图12所示为新风温度分别为26、28、30、33、35 ℃时，系统温降和湿球/露点效率的变化，其他实验参数如表4(e)所示。由图12可知，新风温度为26 ℃时，T=3.0 ℃，εw=37%,εd=24%；新风温度为35 ℃时，T=5.2 ℃，εw=51.87%,εd=36.93%。在环境相对湿度恒定条件下，制冷系统的进出口平均温降随着环境温度的升高而逐渐增大，εw和εd也逐渐升高。

在相对湿度恒定情况下，空气温度升高，则空气中蒸汽分压力和饱和蒸汽分压力均会升高，且饱和蒸汽分压力升高的幅度大于蒸汽分压力的提升，因而空气的吸湿性更强，水薄膜更容易蒸发到空气中。水薄膜的蒸发能力会直接影响制冷系统的制冷效果，因此相对湿度不变的情况下，制冷系统的制冷效率会随着空气温度的上升而升高。

4 结论

本文使用铝板制作了对流式再生蒸发冷却系统并进行了实验研究，研究新风温湿度、干通道风速等影响因子对系统冷却能力的影响，得到如下结论：

1)当供水水温在15～30 ℃之间，新风温度为35 ℃，供水体积流量为0.27 L/min，相对湿度为60%，新风风速为1.5 m/s时，系统进/出口温降在前15 min内温降速度较快，且系统在25 min左右达到稳定状态。再生式蒸发冷却系统的降温速度较快，实际应用效果较好。

2)供水水温越低，系统显热温降的效果更明显，系统总体降温效果越好；在实际应用中，适当降低供水水温可得到较好的制冷效果。

3)随着新风相对湿度的提高，温降数值变小，但湿球效率变大。当供水水温为24 ℃，新风温度为35 ℃，供水体积流量为0.27 L/min，新风风速为1.5 m/s，而新风相对湿度从31.5%增至60%时，进/出口温降从5.6 ℃降至3.4 ℃，湿球效率从47.45%增至54%。

4)干通道风速越大，制冷效果越差，但温降速度更快。当供水水温为24 ℃，新风温度为35 ℃，供水体积流量为0.27 L/min，新风相对湿度为40%，而新风风速从1.5 m/s增至2.6 m/s时，进/出口温降从6.1 ℃降至5.8 ℃，但温降时间缩短。

5)新风温度越高，系统湿球效率越高，温降越大。当供水水温为24 ℃，供水体积流量为0.27 L/min，新风相对湿度为45%，新风风速为1.5 m/s，而新风温度从26 ℃增至35 ℃时，进/出口温降从3.0 ℃增至5.2 ℃。

6)对于可以提供恒定水温的再生式蒸发冷却系统，降低风速和水温可以提高系统的制冷效果，但可以通过提高风速达到更快的降温速度。同时，在高温低湿的环境下再生式蒸发冷却系统的效果最好。

本文受上海市浦江计划课题(18PJD021)项目资助。(The project was supported by the Shanghai Pujiang Project(No.18PJD02).)