淡水与海水对蒸发冷却性能影响的试验研究

龙国庆，闫明暄，何锁盈，徐梦菲，孙奉仲

（1.中国能源建设集团 广东省电力设计研究院有限公司，广州 510660；2.山东大学 能源与动力工程学院，济南 250061）

0 引言

蒸发冷却技术利用水蒸发吸热制冷的原理，在不需要提供其它热源的条件下，水与空气进行热量交换，将空气中的显热传递给水，从而实现空气温度的下降。对于直接蒸发冷却技术而言，由于水的蒸发，会致使空气的含湿量增加，而且进入空气的水蒸气又带回汽化潜热，理论上蒸发冷却过程为近似等焓过程，过程中空气的湿球温度近似不变（如图1所示）［1］。只要空气不饱和，利用循环水直接喷淋空气（或通过填料层）就可获得降温的效果，蒸发冷却技术已经在全球范围内有广泛的应用。蒸发冷却技术在生产、生活中的应用主要集中在电力工程（如冷却塔）、人居环境（如蒸发冷却空调、数据中心机房冷却）、纺织行业（如纺织厂内加湿、降温）、地铁建设及农牧业（如养殖场、温室大棚内的降温加湿）等［2-7］。随着经济的快速发展，对能源的清洁、可持续利用提出了新的要求。蒸发冷却技术作为人类最古老的冷却方法之一，由于其节能、环保、经济的特点，被研究人员日益重视［8-10］。

图1 直接蒸发冷却过程Fig.1 Direct evaporative cooling process

蒸发冷却技术是利用水蒸发吸热的原理实现冷却，在冷却过程中将会有水的蒸发耗损。对于淡水资源匮乏的地区，探究利用海水替代淡水进行蒸发冷却，以缓解淡水资源紧缺的压力，将是一个非常重要的探索。

本研究旨在探究利用海水替代淡水进行蒸发冷却的可行性。论文对厚度为100 mm的CELdek7060填料进行了蒸发冷却试验，分别研究了淡水以及不同海水浓度（0.5倍、1倍和1.5倍海水浓度）下的蒸发冷却性能，该研究将为海水替代淡水的可行性提供初步的探索，为蒸发冷却技术的进一步推广奠定基础。

1 海水物性

海水的成分较为复杂，已经测定发现的元素就高达80多种，这些元素的存在状态也非常多样，大多以离子、离子对、分子、悬浮颗粒、胶体等形式存在［11］。组成海水主要元素的溶解成分包括 Na+、Mg2+、Ca2+、K+、Sr2+等 5 种阳离子，以及 Cl-、SO42-、HCO3-、Br-、F-等 5 种阴离子，还有H3BO3分子，这些成分占海水溶质含量的99.9%以上［12］。

在相同的温度以及压力下，海水与淡水主要物理性质的差异包括：

（1）海水密度较大；

（2）海水饱和蒸气压小于淡水饱和蒸气压；

（3）海水比热容小于淡水比热容。此外，我国海域的海水含盐量一般为3.5%左右，但是随着地域、季节和岸边相距长短等因素的变化，含盐量也会略有改变［13］。

本文选用与文献［14］同一型号的海水素进行海水的配制，该海水素配制的样本水能较好地接近实际海水。配制方法是将海水素用一定比例的自来水进行稀释，并用盐度计进行校准，试验分别配制了0.5倍、1倍以及1.5倍海水浓度。每次试验之前都对海水进行校准，以确保试验所用海水浓度与设计浓度一致。淡水则直接采用自来水。

2 试验方法

2.1 填料选取

填料是蒸发冷却系统的核心，填料主要分为点滴式、薄膜式和点滴薄膜式［1］。在蒸发预冷过程中，填料有2个作用：（1）提供了较大的接触面积，使得水和空气有足够的空间去进行换热；（2）延长了空气和水的接触时间，以便空气和水有足够的时间去进行换热，HE 等［1，15］对填料进行了详细的对比研究，根据HE的研究，本文选取CELdek7060型薄膜式填料进行淡水、海水性能的试验研究，CELdek填料及配水板如图2所示。

图2 CELdek填料及配水板示意Fig.2 Schematic diagram of CELdek fill and distribution pad

CELdek填料是由纤维素制作而成，具有高冷却效率、低压降、防腐蚀和堵塞以及寿命长等优点。本试验选用的填料尺寸为100 mm×600 mm×600 mm，填料的横截面积与风洞试验段的横截面积一致，以便在风洞内进行试验。CELdek配水板可均匀地将水布置在填料顶部，其尺寸为100 mm×600 mm×50 mm。

2.2 试验装置

本文在小型开式风洞中进行蒸发冷却试验，试验装置如图3所示。风洞置于室内，风洞全长为4 750 mm，其中试验段长为1 500 mm，试验段截面积为600 mm×600 mm，与填料的迎风面积一致。配水系统的淋水密度可调节，调节范围为30～70 L/（min·m2），风洞内空气的风速可调范围为 0.5～20 m/s。

图3 试验装置示意Fig.3 Schematic diagram of the test system

试验装置主要由风洞、空气系统、水循环系统以及测量系统组成。风洞由稳流段、收缩段、试验段和扩张段组成。空气系统内，空气的流动主要由功率为4 kW的轴流风机驱动，可调节风机的转速实现风洞内风速大小的调节，转速范围为0～1 450 r/min。水循环系统内，配水装置由一根直径为32 mm的PVC布水管组成，布水管开有直径为6 mm的小圆孔以均匀布水（小圆孔的间距为40 mm）。水从水箱内经一台550 W水泵输送至配水装置，配水装置的布水管将水喷淋至50 mm厚的CELdek配水板，经配水板均匀地将水布置在填料顶部，在重力和毛细作用下，水均匀润湿填料，空气流经填料时，水与空气进行热质交换后，未蒸发的水在填料底部收集，并返回水箱进行循环。

测量系统主要包括温度传感器、湿度传感器、热线风速仪、压差传感器、皮托管、数据采集系统等，测量的主要参数包括填料迎风侧温度、湿度、风速，经填料蒸发冷却后空气的温度和湿度，填料引起的空气侧压降等。温度传感器采用PT100，测量范围为 -50～300 ℃，精度为 ±0.2 ℃；HSTL-106WS湿度传感器的测量范围为0～100%RH，精度为±3.5%；AR866A手持式热线风速仪的测量范围为0.3～30 m/s，精度为1%满量程；压差由两根皮托管结合一个压差传感器进行测量，压差传感器的测量范围为0～200 Pa，精度为±1%满量程；数据采集系统由数据采集仪采集数据，并传输至电脑记录。

2.3 试验过程

每组试验前，水箱都加满淡水或者配制好的海水，避免试验进行过程中加水影响水箱内的水温。试验时固定水流量为62 L/（min·m2），此流量为制造商建议的水流量［16］。试验开始时，固定水流量并在空气风速0.5 m/s下，持续运行30 min以保证填料完全湿润。之后，依次增大空气风速至 1，1.5，2，2.5，3 m/s，每增大一次风速，至少等待5 min以达到稳定状态，然后再测量和记录数据。

3 试验结果

3.1 填料压降分析

在填料蒸发冷却过程中，填料会引起空气侧压损，对于机械通风的设备来说，此部分压损对系统性能的影响不大，如蒸发冷却空调系统采用风机进行通风，可以通过调节风机的频率来增大通风能力；对于自然通风系统，如填料蒸发预冷自然通风空冷塔的进风系统，填料引入的压损会在一定程度上减小空冷塔内的通风量，进而影响空冷塔的冷却效果［1］。因此，填料引起的空气侧压损对蒸发冷却应用于部分系统至关重要。

图4示出了淡水以及0.5倍，1倍和1.5倍海水浓度在水流量为62 L/（min·m2）时空气侧压降随速度的变化趋势。由图4可知，随着风速的增大，淡水和各个浓度的海水工况下，空气侧压降均呈现增大的趋势。一定风速下，淡水以及海水浓度对空气侧压降的影响不明显，这是由于影响空气侧压降的主要因素是风速、填料种类和厚度、水流量［1，17］。在图4中的风速范围内，淡水时的空气侧压降为0.4～27.8 Pa，0.5倍浓度海水的空气侧压降为0.6～29.9 Pa，1.0倍浓度海水的空气侧压降为0.55～30.1 Pa，1.5倍浓度海水的空气侧压降为0.5～29.1 Pa。

图4 淡水及不同浓度海水对空气侧压降的影响Fig.4 Effects of freshwater and seawater of different concentrations on air side pressure drop

3.2 冷却效率分析

冷却效率是填料蒸发冷却系统的重要衡量指标，其代表进口空气经蒸发冷却后达到饱和的程度，冷却效率越高，说明蒸发冷却效果越好。冷却效率的定义式为［18-21］：

式中 η ——冷却效率，%；

Ta1——进口空气干球温度，K；

Ta2——出口空气干球温度，K；

Twb——进口空气湿球温度，K。

进口空气湿球温度可通过测量干球温度和相对湿度获得。

图5示出了淡水以及0.5倍，1倍和1.5倍海水浓度在水流量为62 L/min/m2时冷却效率随速度的变化趋势。由图5可知，随着风速的增大，冷却效率呈现出下降的趋势；以淡水为例，在风速为0.49 m/s，冷却效率最高为73.0%，在2.81 m/s时，冷却效率最低为56.5%。这是由于，风速增大时，空气与水的换热时间缩短，传热传质效果变差。从图5还可看出，在一定风速下，淡水的冷却效率高于海水的冷却效率，且随着海水浓度的升高冷却效率降低，即淡水的冷却效率最高，0.5倍海水浓度的冷却效率紧次之，1.0倍海水浓度的次之，1.5倍海水浓度的最小。对图5中，不同风速下的冷却效率进行拟合，可以得到冷却效率与风速之间的关系式：

式中 a，b，c ——常数；

u ——风速，%；

图5 淡水及不同浓度海水对冷却效率的影响Fig.5 Effects of freshwater and seawater of different concentrations on cooling efficiency

拟合数值见表1。

表1 冷却效率拟合公式（2）中的待定常数Tab.1 Constants to be determined in Equation (2) for cooling efficiency fitting

蒸发冷却系统的常见风速范围为0.5～3.0 m/s，对于典型风速1 m/s时，淡水的冷却效率比0.5倍、1倍和1.5倍海水浓度的冷却效率分别高了1.9%，5.0%，7.4%；对于典型风速2 m/s时，淡水的冷却效率比0.5倍、1倍和1.5倍海水浓度的冷却效率分别高了1.4%，3.6%，5.7%。

虽然海水蒸发冷却在实际应用时会存在一定的问题，例如填料堵塞、腐蚀以及海水过滤处理等费用，但是用海水代替淡水进行蒸发冷却仍然具有一定的现实意义。（1）海水蒸发冷却经过长时间运行，会出现盐分沉积在填料表面，使填料发生堵塞现象，从而影响换热效率；建议定期利用高压、大流量水冲刷填料，避免盐分沉积造成填料堵塞；（2）当前来看，海水替代淡水进行蒸发冷却主要可以应用于工业冷却，例如电力工业冷却塔，其应用时可以做防腐处理；此外，电力工业常用的自然通风冷却塔内的常见风速范围为0.5～3.0 m/s，风速较小，从填料中吹出的海水较少；（3）工业应用时，蒸发冷却过程耗水量非常巨大，如果能够用海水替代淡水进行蒸发冷却，在很大程度上能够节约淡水资源，虽然其应用过程中会增加一些额外的费用，如海水过滤处理等费用，但是随着技术发展和成本的降低，海水蒸发冷却是沿海地区节约淡水资源以及减低海洋热污染（与海水直流冷却相比）的有效途径。

4 结论

（1）在水流量一定的情况下，淡水与不同浓度的海水用于蒸发冷却时，填料引起的空气压降几乎相同；

（2）淡水的冷却效率高于海水的冷却效率，且随着海水浓度的升高冷却效率降低；在典型风速1，2 m/s时，淡水的冷却效率分别比实际海水（即试验配制的1倍浓度海水）的高5.0%和3.6%。

（3）综合而言，用海水替代淡水进行蒸发冷却时，其引起的空气侧压降几乎无变化，冷却效率降低较少，可以用海水替代淡水进行蒸发冷却，实现节省淡水资源的目标。