露点蒸发冷却装置性能评价指标的研究

吕 静 黄佳豪 徐昊东 徐唐富仪 刘洪芝

(上海理工大学环境与建筑学院 上海 200093)

蒸发冷却技术作为一种绿色环保的制冷技术，不需要消耗压缩功，COP大于传统的机械制冷，十分节能，以自然界大量存在的水为工质，对环境无污染，又能满足空气品质的要求，有着广阔的应用前景，在我国西北气候干燥地区得到了广泛应用。

蒸发冷却装置性能的评价指标，既可以表征装置的冷却性能，又可对装置进行优化。丁杰等[1]通过对比三种不同流动形式的间接蒸发冷却装置的温度分布与火用值变化，分析了有用能的转化与不可逆火用的损失，发现逆流形式传热效率最高，不可逆火用损失最小。A. Hasan[2]基于ε-NTU方法，开发了一种用于查找露点蒸发式冷却器热性能的分析模型。Ren Chengqin等[3]开发了一种新型解析方法，研究了4种不同流量对间接蒸发冷却器性能的影响，提出降低喷水质量流量、改善表面润湿性有助于提高该装置的性能。张旭[4]通过不可逆热力学理论中的熵产单元数方法，分析了直接蒸发冷却与间接蒸发冷却设备不可逆损失的影响因素，并指出提高设备热力学完善度的方向和设备结构优化的基本途径。王玉刚等[5]对传统蒸发冷却系统内有效输出火用与火用损失分布进行研究，发现主要火用损失源于间接蒸发冷却器内的热力过程，并设计了一种新型露点蒸发冷却系统，提高了火用效率与有效输出火用。韩光泽等[6]通过类比电传导定义了一个描述传热能力的新概念：火积，并指出用火积耗散可以衡量传热能力损失的大小，当火积耗散取得极值时传热性能最优。Guo Chunmei等[7]分析了间接蒸发冷却传热效率的评价指标，对比了换热量与传热效率，发现COP与新风换热能力的变化趋势相吻合。褚俊杰等[8]对一新型逆流式露点蒸发冷却器进行了实验研究，在焓差室内模拟了干燥、中等湿度、高湿等不同工况，通过计算湿球效率、露点效率、制冷量，发现其在干球温度为38 ℃、湿球温度为23 ℃地区性能最优。查小波等[9]运用热回收效率、火用利用效率与COP指标对间接蒸发冷却与冷凝除湿新风系统进行分析, 结果表明，在回风量较小时，系统具有较高节能潜力。狄育慧等[10]通过对比综合部分负荷性能系数 (integrated part-load value，IPLV)与性能系数(coefficient of performance，COP)、季节能效比 (seasonal energy efficiency ratio，SEER)、季节部分负荷性能系数(seasonal part-load value，SPLV)，对蒸发冷却空调机组进行能效分析，结果表明，COP不能真实反映该蒸发冷却空调机组实际运行状态。刘玉婷等[11]对一逆流波纹板式露点蒸发冷却器进行了数值模拟，发现随着二次/一次风量比与风速的增加，装置的冷却效率与COP均提高。

不同评价指标用于露点蒸发冷却装置的性能评价均存在优点和不足，甚至会出现相互矛盾的情况。因此，本文基于一台露点蒸发冷却装置的实验数据，分析了进出口温差、制冷量、露点效率、湿球效率、火用效比的优劣，发现蒸发冷却湿通道中潜热交换的强弱与装置的冷却效果一致，因此提出了新的性能评价指标——换热放大系数，以期通过它能够准确、合理地评价蒸发冷却装置的冷却性能。

1 露点蒸发冷却

蒸发冷却分为直接蒸发冷却(direct evaporative cooling，DEC)与间接蒸发冷却(indirect evaporative cooling，IEC)。直接蒸发冷却是通过水与空气直接接触进行热质交换，空气温度降低的同时，含湿量会增加。间接蒸发冷却装置分为干湿通道，在湿通道内水与空气直接接触，水分蒸发吸热，通过壁面导热将冷量传递给干通道内的空气，使空气温度降低而含湿量不变。在理想情况下，干通道出口的空气温度可降至入口状态的湿球温度。

露点蒸发冷却(dew point evaporative cooling，DPEC)属于间接蒸发冷却的一种改进。原理如图1所示[12]，在干湿通道间的隔板上沿流动方向开设多个条缝孔，干通道的部分空气(一次空气)通过条缝进入湿通道(二次空气)，湿通道内二次空气与水进行热质交换，通过壁面吸收干通道内一次空气的热量，一次空气温度不断下降，湿通道入口二次空气的湿球温度不断降低，在理想情况下，干通道出口空气可被降至露点温度。

图1 露点蒸发冷却原理

2 性能评价指标

2.1 进出口温差及制冷量

空气进出口温差可以直观地显示蒸发冷却器对空气的冷却效果，在露点蒸发冷却中Δt为干通道两端的温差。

制冷量是指制冷装置运行时，单位时间内去除的环境热量的总和。蒸发冷却中表示湿通道热质交换传递给干通道的冷量，计算式如下：

Q=m1cp(t1-t2)

(1)

2.2 露点效率与湿球效率

湿球效率为一次空气进出口干球温度差与进口干、湿球温度温度差的比值，表达式为[13]：

(2)

露点效率为一次空气的进出口干球温度差与进口干球、露点温度差的比值，表达式为：

(3)

2.3火用分析

湿空气的火用由热量火用、机械火用和化学火用组成。分别表示湿空气的温度、压力、含湿量与环境状态不平衡时的有用能[14-15]。热量火用、机械火用和化学火用分别如式(4)～式(6)所示：

(4)

(5)

(6)

火用效比定义为付出的火用与收益的火用之比，对于露点蒸发冷却器，收益的火用为一次空气的热能火用增加量，付出的火用为一次空气与二次空气的机械火用损失，水的火用损失很小，忽略不计[16]，则火用效比为：

(7)

2.4 换热放大系数

在露点蒸发冷却过程中，干通道内的制冷量Qa等于湿通道内显热换热量Ql与潜热换热量Qs之和，而潜热换热对装置的冷却效果起决定性作用，潜热换热量越大，降温效果越好。

Qa=Qb=Qb, l+Qb, s

(8)

Qb, l=cbm3(t3-t2)

(9)

Qb, s=m3Δh

(10)

由于湿通道内潜热交换的存在使总换热量大幅提高，本文提出一个新的性能评价指标——换热放大系数ξ，其定义为：干通道内的制冷量与湿通道内的显热换热量之比，数学表达式为：

(11)

湿通道中若空气干燥，其与水表面处水蒸气分压力差大，蒸发的水量大，则潜热换热量大，湿空气从干通道侧吸收的热量更多，换热放大系数ξ越大，制冷效果好。因此，换热放大系数能够反映DPEC的冷却性能，是一个适合用于DPEC性能的评价指标。

3 实验装置与工况

3.1 实验装置

本文设计并搭建了一台水平放置的逆流式露点蒸发冷却装置，如图2所示。由空气预处理段、干湿通道、供水装置、干湿通道间用铝板隔开，湿通道侧铝板上布置多孔纤维膜以提高水的润湿性，干通道末端铝板上打了许多小孔，使部分一次空气流入湿通道。在干通道的入口端与湿通道的出口端装有变频风机，可调节一次/二次空气风速(风量)。干、湿通道的长均为1 m，截面尺寸均为0.10 m×0.01 m。

1变频风机；2空气预处理段；3干通道；4输水小孔；5湿通道；6恒温水浴。

3.2 实验工况

本实验充分考虑干通道入口空气温度、相对湿度、风速对装置性能的影响，由焓差计量实验室提供不同状态的一次空气，通过改变入口风速、控制二次/一次风量比为0.42，湿通道表面膜内水温为16 ℃，由恒温水浴提供。实验工况如表1所示。

表1 干通道入口空气实验参数

3.3 误差分析

本实验中的主要误差来源于实验数据的测量误差，实验使用K型热电偶测量空气温度，使用testo625温湿度计测得出风、排风温度及相对湿度并计算湿球温度，使用热线风速仪测量风速。需要对测量进行不确定度分析，其可以衡量测量值的分散性、准确性和可靠程度，是对测定结果的不肯定程度。通过各相互独立的直接测量量可计算出间接测量量的不确定度，计算式为[17]：

(12)

直接测量量标准不确定度Δx分为A、B两类，其中A类为多次连续测量的不确定度，即为样本标准差；B类为利用仪器的性能资料、测试报告等提供的参数进行计算的不确定度，计算式分别为：

(13)

(14)

实验标准不确定度Δx计算式为：

(15)

各个直接测量量的标准不确定度计算后，即可计算出间接测量量的不确定度。通过进出口温度及风速等直接测量量，可以算出湿球效率、露点效率等间接测量量的不确定度。例如，当t1=40.36 ℃，t2=25.39 ℃，t1, wb=21.92 ℃，t1, dp=11.68 ℃时，湿球效率、露点效率的理论值分别为0.81与0.52，绝对不确定度分别为±0.019与±0.012，相对不确定度分别为±2.34%与±2.31%。

实验记录进出口处空气温湿度及风速情况，对其进行焓值计算，通过对干湿通道内能量变化的计算风速测定的误差。

4 结果分析

4.1 进出口温差与制冷量的分析

图3所示为不同工况下装置进出口温差与制冷量的变化。当干通道入口风速为1.3 m/s时，由图3(a)、图3(b)可知，干通道进口空气的相对湿度一定、温度升高，干通道进出口温差与制冷量均增大；干通道进口空气温度一定、相对湿度降低，进出口温差与制冷量增大。在相对湿度为43%时，进口温度由25 ℃升至35 ℃，进出口温差增加7.8 ℃，制冷量增加34.5 kW；在干通道进口空气温度为40 ℃时，相对湿度由63%降至32%，进出口温差增加5 ℃，制冷量增加22.3 kW。

由图3(c)可知，在相同进口温度与相对湿度下，随着进口风速的增大，进出口温差减小而制冷量增加。如干球温度为22 ℃、相对湿度为22%、进口风速为1 m/s时，进出口温差为8.6 ℃，制冷量为29.5 kW，当风速增至3 m/s时，进出口温差为6.7 ℃，制冷量为69.0 kW。这是由于风速的增大导致空气在湿通道内与水接触不充分，而通道内空气的质量流量增加，两者共同决定了制冷量的变化趋势。

图3 不同工况下装置进出口温差与制冷量的变化

图4 不同工况下装置的露点、湿球效率的变化

4.2 露点效率与湿球效率的分析

图4所示为不同工况下装置的露点、湿球效率的变化。图4所示湿球、露点效率仅适用于入口状态相同的情况，当温湿度变化时，湿球、露点效率的变化趋势无法确定。如进口空气温度为30 ℃、风速为1.3 m/s，相对湿度由63%降至45%，露点效率从22.2%降至17.0%，湿球效率从24.4%降至21.1%，结合图3(b)可知，随着相对湿度的降低，进出口温差与制冷量均增大，露点、湿球效率变化规律与制冷效果不一致。分析焓湿图发现，入口空气温度上升时，干通道进出口空气温差增大，同时进口空气温度与其露点温度温差增大，分子与分母同时变大，无法判断露点效率的变化趋势。入口空气相对湿度上升时，干通道空气进出口温差减小，进口空气温度与其露点温度温差减小，分子与分母同时减小，无法判断露点效率的变化趋势。湿球效率同理。

由图4(c)可知，随着进口风速的增加，露点效率与湿球效率均下降。进口空气温度温度31 ℃、相对湿度39%、进口风速为1 m/s时，露点效率与湿球效率分别为46.6%与69.9%，当风速为3 m/s时，露点、湿球效率分别为33.4%与50.2%。装置冷却效果逐渐降低。

4.3火用效比的分析

图5所示为不同工况下装置火用效比的变化。由图5(a)和图5(b)可知，随着干通道进口温度的上升，火用效比不断上升。当相对湿度为85%、进口温度由25 ℃升至42 ℃时，火用效比由0.01增至17，说明露点蒸发冷却装置的空气进口温度越高越节能。随着干通道进口空气相对湿度的上升，火用效比逐渐下降，进口温度为40 ℃时，当相对湿度从31.6%增至63.2%，火用效比从42.7降至17.4，降幅为59.3%。因为二次空气在湿通道内的传质变弱，传给干通道的冷量也减少，一次空气出口热能火用增量减小。而机械火用损失基本不变，导致火用效比逐渐减小。说明该装置在湿度较高的工况下不节能。

由图5(c)可知，随着干通道进口风速的增加，火用效比逐渐下降，干通道进出口温差小，首先导致一次空气的热能火用减小，风速增大使两个变频风机耗能增加，一次空气入口机械火用与二次空气出口机械火用增大。由火用效比的定义可知，随着风速的增加，冷却空气所需的外界能量增加。

图5 不同工况下装置火用效比的变化

4.4 换热放大系数分析

换热放大系数可直观衡量湿通道侧的蒸发换热强弱，反映逆流式露点蒸发冷却器的冷却性能。

图6所示为不同工况下装置的换热放大系数的变化。由图6(a)和图6(b)可知，随着干通道空气进口温度上升，换热放大系数增大。相对湿度为43%、风速为1.3 m/s，进口温度由25 ℃升至40 ℃，换热放大系数由11增至54。温度上升，湿通道内空气水蒸气分压力与饱和水蒸气分压力均上升，而饱和水蒸气分压力上升幅度更大，空气与水潜热交换剧烈，潜热换热量增大，该装置在高温下冷却性能更好。

随着干通道进口空气相对湿度的上升，换热放大系数减小。当进口温度为40 ℃、风速为1.3 m/s，相对湿度由32%增至63%时，换热放大系数由24降至8.9。相对湿度增加，湿通道入口空气相对湿度也增加，二次空气与水分的水蒸气分压力差减小，传质驱动力减小，湿通道潜热交换变弱。说明该装置在干燥工况下冷却性能更好。

图6 不同工况下装置的换热放大系数的变化

由图6(c)可知，随着干通道进口风速的增加，换热放大系数先增后减。当进口温度为31 ℃、相对湿度为39%，风速由1 m/s增至3 m/s时，换热放大系数先增后减，并在风速为1.8 m/s时达到极值36。风速增大，单位质量流量的空气与湿通道的水膜接触时间变短，同时流过湿通道的空气的质量流量增加，总体上空气与水的热湿交换更剧烈。由于湿通道潜热交换而传递给干通道的冷量增加，装置的制冷效果更好。

5 结论

本文对一逆流式露点蒸发冷却装置进行了实验研究，分析了空气入口温度、湿度和风速对进出口温降、制冷量、露点效率、湿球效率、火用效比和换热放大系数等各性能评价指标的影响，得到如下结论：

1)露点效率与湿球效率在干通道入口空气不同温湿度下，其变化规律与进出口温差和制冷效果不一致，无法准确判断装置冷却效果的优劣。

2)火用效比能从热力学角度分析能量损失的大小，适用于装置的节能性评价，本露点蒸发冷却装置在高温低湿工况下更节能。

3)提出了换热放大系数指标ξ，定义为干通道内的制冷量与湿通道内的显热换热量之比，而两者之差为潜热换热量。潜热换热量越大，ξ越大，装置的制冷效果越好。ξ适合用做露点蒸发冷却装置性能评价指标。

4)ξ随着干通道入口空气温度的升高而增大；随着湿度增加而减小；当风速由1 m/s增至3 m/s，ξ呈先增后减的趋势，存在最佳风速值1.8 m/s，此时ξ达最大值。

符号说明

t——空气温度，℃

T——空气温度，K

m——空气质量流量，kg/s

c——比热容，kJ/(kg·K)

ω——含湿量，g/(kg干空气)

ex——火用，kJ/kg

Ra——气体常数，kJ/(kg·K)

p——压力，Pa

v——进口风速，m/s

EER——能效比

η——效率

ξ——换热放大系数

Δy——绝对不确定度

f——间接测量量的函数关系

Δx——直接测量量的标准不确定度

α——区间的半宽度

k——置信因子，取值2

下标

0——环境状态点

1——干通道进口

2——干通道出口

3——湿通道进口

p——定压

wb——湿球

dp——露点

th——热能

me——机械

ch——化学

a——干通道

b——湿通道

l——显热

s——潜热

os——饱和状态点