露点间接蒸发冷却器中布水与存水的试验研究

贺红霞，黄 翔，张 鸿，孙铁柱，罗 绒

(西安工程大学 城市规划与市政工程学院，陕西 西安 710048)

0 引 言

露点间接蒸发冷却技术相对普通的间接蒸发冷却可以产出更低温度的冷风和冷水,且产出的空气不被加湿,被广泛应用到制冷空调设备当中[1-2]。提高露点间接蒸发冷却器的性能可从流道结构、芯体材料和布水形式等3个方面进行改进。流道结构方面有叉流式[3]、复合式[4]、逆流式[5]等多种形式的露点间接蒸发冷却器在国内外广泛应用。芯体材料方面已有对不同种类材料的亲水性[6]、吸湿放湿性[7]、芯吸高度[8]等对比研究。不过，露点间接蒸发冷却器中不同布水形式的研究较少。布水形式决定了露点间接蒸发冷却器的布水均匀性。恰当的布水方式结合材料的存水能力,不仅可以更好地润湿冷却器的芯体材料,使水滴与材料充分接触,提高冷却器的热湿交换效率,还能减少冷却器的耗水量,降低布水系统的能耗。

黄翔[9]、樊丽娟[10]在间接蒸发冷却器的喷淋布水器下加装二次布水网格,提高布水均匀性,此时换热效率提高5%～10%;在换热器管外包覆吸水性涤纶针织材料或者包覆亲水膜,换热效率提高5%～8%。王沣浩等[11]对有高亲水、储水特性的多孔陶瓷间接蒸发冷却器的喷淋间歇供水及布水能耗进行试验,150 L/h流速喷淋5 min停100 min 时, 水泵优化间歇运行效果最好, 水泵能耗仅为优化前的5%。Duan[12]对一种芯体材料为纤维板和铝箔热压而成的露点间接蒸发冷却器的布水形式进行优化, 采用梳齿式深入布水器以达到充分润湿纤维材料的目的,提高换热效率。 本文对不同喷嘴喷淋布水的均匀性及陶瓷管采用软管布水的存水情况进行实验,以期对之后布水的研究有所参考。

1 布水形式

制冷设备中应用的布水形式多种多样,有喷淋布水、滴淋布水、布水缝布水、旋转布水、软管布水、深入式布水等。喷淋布水应用较为普遍,是将不同的排管布置方式与不同类型的喷嘴相组合,以适应制冷设备的尺寸大小、形状及功能。如圆形填料塔为使布液均匀,根据其形状采用鱼骨形排管布置结合强旋流喷嘴的喷淋布液方式;较小的制冷设备则采用单根布水管结合锥形或方形喷嘴等喷淋布液方式，以减少布水系统能耗。喷淋布水较为灵活,可适应多种类型的制冷设备,但为保证布水均匀性,需要一定的喷淋高度[9],否则会使布水出现较大空白或重合。这就使得布水系统需要占据一些空间,不够轻巧方便,不适用于小型冷却器。目前，露点间接蒸发冷却器的布水形式都是喷淋布水,采用锥形喷嘴。不过，布水面往往会出现大量空白,因此还有优化改进的必要。

滴淋布水的实质是利用分流,使布水均匀。如蒸发式冷气机采用分流凹槽,将水流分为多股滴淋至填料上进行降温[13],减少了布水系统所占的空间体积,消除漏水现象,适合于小型且不需要较高布水压力的设备。布水缝布水是在布水管上直接打孔或开缝,方法简单,但孔缝大小需适中,对水的流速及流量亦不能较好地控制。旋转布水是由转动轴带动多根布水管或者带动喷嘴进行旋转,布水均匀,但造价较高。软管布水使水流直接接触到换热器芯体材料,节省布水系统空间体积,但布水效果与材料亲水性有关,适合采用亲水性纤维材料的设备,如国外应用的叉流式露点间接蒸发冷却器[14]就采用了软管芯吸布水方式。

2 喷淋布水试验

露点间接蒸发冷却器中布水系统的主要作用是将水滴适量且均匀地喷洒在换热芯体材料上,使润湿的换热器芯体材料与被处理空气充分接触而进行热湿交换,对被处理空气进行降温。因此,布水均匀性是评价布水形式的一个重要指标。布水均匀性越好,冷却器的效率就越高。董晓杰[15]研究了直接蒸发冷却和间接蒸发冷却耗水量,发现同等制冷量下,间接蒸发冷却耗水量大于直接蒸发冷却耗水量,效率越低耗水量越大,提高间接蒸发冷却的布水均匀性有助于提高效率和减少耗水量。目前常用的喷淋布水由于采用的喷嘴形式不同,布水效果也不同。

2.1 试验装置

试验采用喷淋布水的卧式小型露点间接蒸发冷却器,其三维示意图如图1所示。

图 1 试验装置示意图Fig.1 The diagram of test device

试验布置单根布水管,长度1 m,内径30 mm。布水管上均匀布置3个同类型、同规格的喷嘴,共选取5种常用类型的喷嘴进行对比试验,喷嘴规格均为1/4外螺纹。布水管的安装高度为350 mm。布水管下方平铺17×9个集水格,每个集水格的上表面即为集水面,尺寸为60 mm×60 mm,深50 mm。所有网格的集水面积为1 020 mm×540 mm,与目前研发的小型露点间接蒸发冷却器的芯体上表面积基本相同。集水格中的布水量用量筒测量。为使喷淋出的水滴便于观察,在后方铺设黑色卡纸起显色反衬作用。布水系统所用水泵为小型潜水泵,并安装有流量计、压力表。

2.2 喷嘴类型

试验用到的5种类型喷嘴实物图如图2所示。

图 2 5种喷嘴实物图Fig.2 Five kinds of nozzle physical pictures

图2中由左往右依次为螺旋形、实心锥形、方形、扇形和靶式撞击形喷嘴。螺旋形喷嘴的结构紧凑,其内部螺旋流道为流线型设计,流道畅通,水在流道内阻力小。实心锥形喷嘴的喷射面为锥形,内部流道中固定有片状物切割水流,水的阻力较大。方形喷嘴的喷射区域为正方形,便于重叠,适用于对布水范围重合要求较高的设备。扇形喷嘴的喷射面呈一条线,适合安装在换热器布水系统的角落或对布水空白区域进行弥补。靶式撞击形喷嘴的水流由小孔喷出后撞击到靶板上,水滴阻力较大,易破碎,雾化性能较好。撞击后的水滴以非常大的角度(接近180°)射出,属于广角形喷嘴。

2.3 布水情况对比

在相同水流量、相同水压情况下测试上述5种不同喷嘴的布水情况并进行对比。在水流量为220 L/h,水压0.05 MPa,喷水时间为8 s条件下,布水情况如图3所示。

(a) 螺旋形喷嘴

b.实心锥形喷嘴

(c) 方形喷嘴

(d) 扇形喷嘴

(e) 靶式撞击形喷嘴图 3 5种喷嘴布水情况Fig.3 Water distribution of five nozzles

观察图3可知,相同实验条件下,螺旋形喷嘴布水量最大,布水范围较广。这是由于水在流道内阻力小,故其喷淋出来的水只有一小部分是破碎的水滴,还有一大部分呈水柱状喷出。 靶式撞击形喷嘴布水量较小,水流撞击成水滴状喷洒,由于喷射角度很大,其布水范围最广,几乎所有集水格中都有水。方形喷嘴的布水量及布水范围适中。实心锥形喷嘴的布水面为圆形,扇形喷嘴的布水面为线形,两者的布水量及布水范围都较小。

2.4 布水均匀性

对上述5种喷嘴在集水格中的布水量进行统计,如图4所示。其中网格与集水格相对应,横排集水格17个,竖排集水格9个。网格中数字及颜色深浅表示布水量大小,空白格表示集水量为0 mL,颜色越深,布水量越大。从图4可以看出,相同喷水时间下,螺旋形喷嘴的布水量较大,集水格中最大布水量为62 mL,且由颜色过渡深浅可知布水较为均匀;方形喷嘴的布水量次之,集水格中最大布水量为36 mL,布水较为均匀;靶式撞击形喷嘴每个集水格中的布水量最小,最大仅为12 mL,但由图中颜色可以看出其布水是最均匀的;实心锥形喷嘴和扇形喷嘴表现不佳,布水均匀性很差。

(a) 螺旋形喷嘴

(b) 实心锥形喷嘴

(c) 方形喷嘴

(d) 扇形喷嘴

(e) 靶式撞击形喷嘴图 4 5种喷嘴布水量分布Fig.4 Water distribution of five nozzles

为了更加明确地表示5种喷嘴的布水均匀性,引入喷淋均匀分布系数(ξ),如式(1)所示。

将每个集水格中的布水量代入式(1),即可得该种类型喷嘴的喷淋均匀分布系数。分析该式(1)可知,喷淋均匀分布系数越小,则布水均匀性越好。

在喷水时间8 s,流量220 L/h,水压0.05 MPa,测试面积 0.5 m2的测试条件下，5种喷嘴的各项喷淋参数如表1所示。

表 1 5种喷嘴性能参数汇总

从表1可以看出,相同水流量、水压及喷水时间情况下,靶式撞击形喷嘴的喷淋均匀分布系数、喷淋面积占比及喷射角度都表现最好,其次是螺旋形喷嘴。从图4的布水量分布来看,靶式撞击形喷嘴的布水量较小,且实际观察到喷射出的水滴较细小,受外界条件影响较大。若应用到露点间接蒸发冷却器中会被较高的风速吹动,使换热芯体靠风机一侧的水量较少,而远离风机一侧的水量较多,也是一种布水不均匀的现象。因此,对于目前的小型露点间接蒸发冷却器的喷淋布水形式,将实心锥形喷嘴更换为螺旋形喷嘴,布水效果会更好。

3 软管布水试验

露点间接蒸发冷却器的换热芯体材料多为吸湿性好的材料,如聚合物纤维、聚酯纤维等,将细长的布水软管直接接触到吸湿性材料上进行布水,利用材料内部的毛细现象可使水分扩散均匀。这样不仅可以节约布水系统能耗,还能减少喷淋布水过程中由于喷嘴堵塞造成的更换维修费用。

3.1 试验装置

由于多孔陶瓷的吸水性较好,本试验在多孔陶瓷管式间接蒸发冷却器上进行,试验样机如图5所示。其工作原理为室外一次空气由冷却器左侧的一次进风口进入换热芯体管内,二次空气由冷却器底部的二次进风口进入换热芯体管外,在管外与水直接接触,发生直接蒸发冷却,并间接带走管内一次空气的热量,被冷却后的一次空气产出至空调区域。

布水方式为将布水软管蛇形铺设在管式换热芯体上方,布水软管为PVC透明软管。布水软管与最上层陶瓷管接触，固定成蛇形分布。布水软管上等间距打孔,打孔方式为细小圆孔。水在水泵的压力下由软管的小孔流出,成股地滴落在换热芯体表面。当换热芯体上方的陶瓷管吸饱水后,多余的水分在重力作用下落到下方的陶瓷管上,陶瓷管由上往下一级一级的润湿。

图 5 多孔陶瓷管式间接蒸发冷却器Fig.5 Indirect evaporative cooler of porous ceromic tube

3.2 布水情况

采用软管布水的多孔陶瓷管式换热芯体布水情况如图6所示。随着布水时间的推移,陶瓷管干燥的表面上逐渐有竖向的局部水流;之后上方的陶瓷管吸饱水,多余水分溢出,出现柱状水流;再过一段时间后,由于多孔陶瓷内部的毛细现象,水分开始沿着管横向扩散,最终使换热芯体表面完全布满水。

由此可知,在管外布水越充分，水分覆盖程度越大的情况下,二次空气与管外表面水膜发生的直接蒸发冷却过程越充分,间接地使管内一次空气的温度更低。因此，多孔陶瓷管式间接蒸发冷却器的效率与其布水情况息息相关。为提高冷却器的效率,需要了解软管布水的间歇性布水时间,即换热芯体中陶瓷管外表面全部被润湿需要的时间，不补充水分的情况下陶瓷管所蓄水量完全蒸发需要的时间。

(a) 干燥表面 (b) 局部布水

(c) 局部柱状水流 (d)水分蔓延图 6 软管布水在换热芯体上的布水过程Fig.6 Water distribution process of hose water distribution on heat exchange core

3.3 间歇性布水时间

多孔陶瓷管式换热芯体达到蓄水极限的时间即布水时间。在达到其蓄水极限时,陶瓷管外表面都被润湿,多余的水分会从换热芯体下表面滴落在水箱。由于换热芯体内的陶瓷管是交错布置,且实际过程中会出现局部布水,因此在换热芯体下方紧凑的铺设一层集水网格,当集水网格中都有水滴落时,表明达到蓄水极限,结束计时,这一时间即为布水时间。实际测试结果为5 min。

多孔陶瓷管是一个天然的蓄水器,在达到其蓄水极限后停止布水可以节约冷却器的布水能耗,停止布水的时间即为间歇性时间。在冷却器正常运行的情况,观察陶瓷管外表面的水分分布,当管外逐渐干燥时,就需要及时地补充水,实际测试结果间歇性时间为1 h。间歇性布水可使管外充分润湿，足够的喷停时间使得水在管壁充分蒸发，在保证换热效率的同时可节约水量。

4 结 论

(1) 布水与存水影响着露点间接蒸发冷却器的效率。不同的布水形式决定了露点间接蒸发冷却器的布水均匀性,不同材料的存水能力影响着冷却器内布水系统的能耗。针对露点间接蒸发冷却器内换热芯体材料,选择合适的布水形式,将布水与存水相结合，在很大程度上可以提高露点间接蒸发冷却器的效率。

(2) 喷淋布水应用广泛,较为方便,但需要占一定的布水空间。靶式撞击形喷嘴和螺旋形喷嘴的喷射角度、喷淋面积及布水均匀性较好,而螺旋形喷嘴的布水量更大,更适用于露点间接蒸发冷却器中。

(3) 多孔陶瓷管式间歇蒸发冷却器采用软管布水，将布水与存水结合可有效提高换热效率，节约能源；采用间歇性布水时间为喷5 min停1 h,足够的喷停时间使得水在管外充分蒸发，提高传热传质。