褚俊杰，黃 翔，孫鐵柱

（西安工程大學(xué)，陜西西安 710048）

1 前言

2003年Valeriy Maisotenko教授提出一種新的間接蒸發(fā)冷卻熱力循環(huán)形式［1］，它可以使任何一種氣體或者液體冷卻到濕球溫度以下，直至逼近露點溫度。國際上稱這種熱力循環(huán)為M－循環(huán)，由于它自身就是一種結(jié)構(gòu)更加緊湊、換熱效率更高的間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)形式，因此，國內(nèi)學(xué)者更多地稱之為露點間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)。露點間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的提出在蒸發(fā)冷卻研發(fā)進(jìn)程中具有跨時代的意義。它幾乎顛覆了人們對傳統(tǒng)蒸發(fā)冷卻技術(shù)體積大、效率低的認(rèn)知，露點間接蒸發(fā)冷卻具有可以提供逼近露點等濕冷卻后的產(chǎn)出空氣，占地面積小，安裝形式靈活等特點。因此，日益受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的重視，也是蒸發(fā)冷卻技術(shù)研究的主要方向。

2 露點間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理

在間接蒸發(fā)冷卻過程（圖1）中往往有2股空氣流，一次空氣和二次空氣。在濕通道中，二次空氣與水膜邊界層接觸發(fā)生直接蒸發(fā)冷卻，二次空氣的顯熱通過水膜的蒸發(fā)而被吸收并轉(zhuǎn)化為潛熱。在干通道中，空氣被等濕冷卻后送入需要的空間。可見，間接蒸發(fā)冷卻中，干濕通道或者說冷熱通道之間的換熱溫差為一次空氣的干球溫度與二次空氣的濕球溫度之差。

圖1 間接蒸發(fā)冷卻示意

而在露點間接蒸發(fā)冷卻器中，在干濕通道側(cè)的薄板上打上小孔（圖2），或者在干通道的末端打孔，使得部分一次空氣被引入濕通道（圖3）中。這樣二次空氣往往是一次空氣的一部分，二次空氣在進(jìn)入濕通道之前就已經(jīng)在換熱器芯體內(nèi)部被預(yù)先冷卻，冷卻以后的二次空氣的濕球溫度會進(jìn)一步降低，拉大了干濕通道的換熱溫差，使得干通道內(nèi)的一次空氣降溫幅度會增大，可以突破自身的濕球溫度達(dá)到亞濕球溫度［2］。

圖2 叉流式露點間接蒸發(fā)冷卻示意

圖3 逆流式露點間接蒸發(fā)冷卻示意

露點間接蒸發(fā)冷卻在焓濕圖（圖4）上的表示為一次空氣1進(jìn)入換熱器干通道內(nèi)，等濕降溫，狀態(tài)從點1→2（接近1dp），突破了進(jìn)口空氣濕球溫度，達(dá)到亞濕球溫度。部分冷卻后的一次空氣作為二次空氣被引入濕通道，沿途與水膜發(fā)生熱質(zhì)交換，狀態(tài)從點2→2wb→3。

圖4 露點間接蒸發(fā)冷卻焓濕

3 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值模擬

對于以水的蒸發(fā)冷卻為驅(qū)動勢的冷卻器來說，冷卻器的干濕通道中的換熱效果往往受到多個因素的影響，進(jìn)口空氣參數(shù)的改變，進(jìn)入濕通道的空氣進(jìn)行蒸發(fā)冷卻熱質(zhì)交換過程，水膜的狀態(tài)變化等等。因此，研究冷卻器芯體中的氣體、水膜、壁板、氣體的傳熱傳質(zhì)過程，往往需要從建立數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬計算的角度對露點蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行計算、分析及優(yōu)化設(shè)計。

Zhao等采用二維數(shù)值模擬的方法對一種新型的逆流間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了研究［3］，對蒸發(fā)冷卻器的幾何尺寸和操作條件進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。Riangvilaikul等對一種逆流式露點蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗研究，研究結(jié)果表明，在炎熱和潮濕的氣候條件中，該逆流式露點蒸發(fā)冷卻器也有著非常好的使用效果［4］。Lee等也提出了一種逆流式露點蒸發(fā)冷卻器形式，并且進(jìn)行了試驗分析和數(shù)值模擬研究［5］。Zhan對叉流式露點間接蒸發(fā)冷卻器的熱性能進(jìn)行了數(shù)值分析［6，7］，該數(shù)值模型使用有限元方法建立產(chǎn)品和工作空氣之間熱和質(zhì)量傳遞的耦合控制方程。Duan對三角形通道的逆流式露點蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了數(shù)值模擬研究［8］，認(rèn)為在間接蒸發(fā)冷卻中對流傳熱是熱傳遞的主要機(jī)制，而通道壁是不能傳質(zhì)的，并使用EES軟件對建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解計算。Jradi和Riffat等使用Matlab為交叉流交換器開發(fā)了一種用于能量核心的詳細(xì)數(shù)值模型［9］，并使用有限差分法來解決熱質(zhì)傳遞耦合的方程，以預(yù)測整個干通道和濕通道的空氣溫度和濕度分布。Hasan提出了一種使用ε－NTU方法、空氣的焓關(guān)系建立了數(shù)學(xué)分析模型［10］，研究表明，當(dāng)通過重新定義潛熱梯度、傳遞系數(shù)和熱容量速率參數(shù)時，該數(shù)學(xué)模型可以很好的分析露點間接蒸發(fā)冷卻器。Anisimov和Pandelidis等對叉流式和逆流式露點間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了研究［11～15］，開發(fā)了二維熱質(zhì)傳遞模型，以及使用基于修改的ε－NTU方法開發(fā)了數(shù)值模型以執(zhí)行間接蒸發(fā)冷卻過程的熱計算，從而量化上對蒸發(fā)冷卻器總體性能進(jìn)行了優(yōu)化。Heidarinejad G，Moshari S考慮了壁縱向熱傳導(dǎo)和冷卻器表面噴淋水溫變化的影響［16］，建立了數(shù)學(xué)模型，使用有限差分法對傳熱傳質(zhì)方程離散化，并且使用迭代法進(jìn)行求解。J.Lin和K.Thu提出了一種單級逆流式露點蒸發(fā)冷卻器的改進(jìn)數(shù)學(xué)模型［17］，模型中考慮了氣流、通道板和水膜的縱向熱擴(kuò)散和質(zhì)量擴(kuò)散，以及通道板和水膜之間的溫差。Cui X等通過將模擬無量綱出口溫度擬合為每個無量綱組的函數(shù)來確定相關(guān)性的經(jīng)驗常數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬［18］，改變每個無量綱組的值進(jìn)行模擬，同時保持其它參數(shù)的恒定值，通過將計算結(jié)果與試驗結(jié)果以及從文獻(xiàn)獲得的公開的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來驗證相關(guān)性。

4 試驗結(jié)果

在試驗分析方面，國內(nèi)外對于露點蒸發(fā)冷卻器的流道形式、換熱芯體尺寸、運行條件、冷卻效果等進(jìn)行了大量的研究。

Riangvilaikul等各種進(jìn)口空氣參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素對熱力性能的影響，針對一種逆流式露點間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了試驗，濕球效率為106%－109%，露點效率為 65%～86%［4］。

Zhan等在相同的幾何尺寸和運行條件下對叉流換熱器和逆流換熱器對比分析，并進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)法研究，其中叉流式露點間接蒸發(fā)冷卻器的濕球效率為116%，逆流式露點間接蒸發(fā)冷卻器的露點效率為 80%～90%［6，7］。Lee等主要在不同的運行條件下，對放置于人工環(huán)境實驗室的一種逆流式加肋片露點蒸發(fā)冷卻器的性能進(jìn)行分析，試驗結(jié)果表明，其濕球效率為118%～122%，露點效率為75%～90%［5］。Sergey等主要針對叉流露點蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了性能評價，對比了試驗和數(shù)值模擬的的結(jié)果，進(jìn)一步分析提高制冷量和效率的方法，以空氣含濕量25 g/kg為例，冷卻器濕球效率為90%～110%，露點效率為63%～68%之間［15］。Rogdakis ED等討論了在希臘地區(qū)不同氣象條件和二次空氣與一次空氣風(fēng)量比值對一種叉流式露點冷卻器冷卻性能和水耗量的影響，試驗結(jié)果顯示，該露點間接蒸發(fā)冷卻器的濕球效率在 97%～115% 之間［17］。X. Cui等主要討論了空氣進(jìn)口參數(shù)、室內(nèi)空氣作為回風(fēng)、幾何尺寸、加肋片對冷卻器性能的影響，試驗結(jié)果為，冷卻器濕球效率在122%～132%之間，露點效率在81%～93%之間［20］。劉佳莉等在高濕度地區(qū)對一種復(fù)合式露點間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的風(fēng)壓、效率、二次/一次風(fēng)量比、淋水量、耗水量等性能參數(shù)進(jìn)行實際測試［21］，測試結(jié)果顯示，在室外高濕條件下，該機(jī)組的濕球效率最高可在103%。宋姣姣等使用一種交叉式露點蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在模擬的數(shù)據(jù)機(jī)房中進(jìn)行試驗測試分析，測試結(jié)果顯示，該機(jī)組的濕球效率為91%［22］。蔣小強(qiáng)等設(shè)計了一種新型的露點蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組，搭建試驗平臺對其進(jìn)行試驗測試分析，測試結(jié)果顯示，該新型空調(diào)機(jī)組的濕球效率為126%［23］。王玉剛等建立了一種新型的露點間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，并且在8種不同氣候條件下，通過試驗?zāi)M的方法進(jìn)行研究［24］。其中機(jī)組風(fēng)量150 m3/h的條件下，濕球效率在80%～99%之間，露點效率在50%～75%之間。

5 材料的研究

在間接蒸發(fā)冷卻的干濕通道中，由于熱濕傳遞過程的不同，對于材料的要求也是不同的。在濕通道中，由于水膜的存在，一種親水性能好，傳熱效果好，擴(kuò)散性好，強(qiáng)度大的材料也成為露點間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)研究的重點。

黃翔等提出了一種多孔陶瓷露點間接蒸發(fā)冷卻器，并建立了試驗臺對其性能進(jìn)行了測試分析［25］；另外還提出在管式間接蒸發(fā)冷卻器的表面包覆一層吸濕性的材料［26］，并且對這一層吸濕性材料進(jìn)行了理論和試驗研究，以驗證其使用效果。Xu P等從各種纖維編織試驗測試中可以得出［27］，各種面料（紡織品）與已經(jīng)通常用于間接蒸發(fā)冷卻器中濕通道表面介質(zhì)的牛皮紙相比，可以發(fā)現(xiàn)大部分的紡織面料在水分毛細(xì)作用下?lián)碛袃?yōu)越的特性，更大的擴(kuò)散系數(shù)和更好的蒸發(fā)能力。Bruno建造一個平板錯流熱質(zhì)交換器［28］，使用了一種特殊的介質(zhì)提高濕通道的親水性能，同時水分不能透過的干燥通道，測試表明，這種換熱器的露點效率為75%，再給定的運行條件下仍然相對較低。Velasco等進(jìn)行了基于聚碳酸酯的間接蒸發(fā)冷卻熱交換器的試驗研究［29］。受益于低成本和低重量，以及沒有腐蝕問題，限制由低導(dǎo)熱系數(shù)引起的減少板的厚度。結(jié)果表明，過高的室外空氣溫度或空氣流率促進(jìn)了獲得系統(tǒng)的冷卻性能。

6 實際商業(yè)產(chǎn)品

6.1 國外露點間接蒸發(fā)冷卻商業(yè)化產(chǎn)品

（1）美國的Coolerado公司是是專門致力于M循環(huán)蒸發(fā)冷卻技術(shù)的生產(chǎn)商，為推廣M循環(huán)技術(shù)做出了很大貢獻(xiàn)。該公司利用其專利穿孔板式叉流換熱器生產(chǎn)了一系列空調(diào)器，如M30、M50、C60，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 Coolerado空調(diào)器各項參數(shù)

圖5為Coolerado公司H80空調(diào)機(jī)組，該機(jī)組為露點蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷復(fù)合一體化空調(diào)機(jī)組，其中露點間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體為機(jī)組的核心功能段，額定風(fēng)量2700 m3/h，EER（能效比）為21～51，高于標(biāo)準(zhǔn)條件，COP（制冷系數(shù)）為 6～15。主要用于商業(yè)建筑，可以給280m2提供制冷量。該機(jī)組有全新風(fēng)和混合風(fēng)2種運行模式。根據(jù)加州大學(xué)戴維斯分校等單位的測試結(jié)果顯示［30］，測試期間的9月份，H80被發(fā)現(xiàn)使用大約1500 kW·h的電力，并且與常規(guī)空調(diào)相比節(jié)省30%的能量。以每kW·h節(jié)省14美元，這相當(dāng)于9月份節(jié)省90美元。按此速率的年節(jié)約將是每年1080美元。每年節(jié)省超過1000美元，這種機(jī)組的節(jié)能潛力還是較為可觀的。

圖5 Coolerado H80 空調(diào)機(jī)組運行模式

（2）ISAW TAC－150和TAC－2000系列是由英國CET公司研發(fā)的一系列蒸發(fā)式空調(diào)器。它們的核心部件是一種叉流式露點間接蒸發(fā)冷卻器，生產(chǎn)商的數(shù)據(jù)表明，該換熱器的濕球效率和露點效率可分別能達(dá)到110%～120%和55%～85%。其具體參數(shù)如表2所示。

表2 ISAW蒸發(fā)式空調(diào)器各項參數(shù)

（3）OASys是戴維斯能源組織開發(fā)的蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組，如圖6所示，第一級為逆流式間接蒸發(fā)冷卻段，對空氣進(jìn)行預(yù)冷，第二級為直接蒸發(fā)冷卻段。室外空氣通過壓入式風(fēng)機(jī)進(jìn)入逆流式露點間接蒸發(fā)冷卻段，其中30%的空氣作為工作空氣通過板上的穿孔進(jìn)入相鄰濕通道內(nèi)，與水膜熱濕交換以后排入室外，剩余空氣作為產(chǎn)出空氣在干通道內(nèi)被等濕降溫后，通過填料加濕冷卻溫度進(jìn)一步降低，最后送入房間。

圖6 間接－直接蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)示意

戴維斯能源組織對此蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組進(jìn)行了試驗測試［31］，結(jié)果表明，OASys系統(tǒng)每年耗電135 kW·h，峰值用電 0.52 kW，與機(jī)械制冷空調(diào)系統(tǒng)相比每年耗電量和峰值用電可分別減少93%和83%。

（4）Climate Wizard間接蒸發(fā)空調(diào)機(jī)組是由澳大利亞Seeley International公司研發(fā)的空調(diào)產(chǎn)品，如圖7所示。該空調(diào)機(jī)組的核心部件為逆流式露點間接蒸發(fā)冷卻器，與機(jī)械制冷空調(diào)系統(tǒng)相比可節(jié)能80%左右。其具體參數(shù)如表3所示。

圖7 Climate Wizard間接蒸發(fā)空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)示意

表3 Climate Wizard空調(diào)機(jī)組各項參數(shù)

太平洋煤氣與電力公司（Pacific Gas and Electric Company）2009年曾對該間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在實驗室條件下進(jìn)行了測試［32］。在試驗測試條件下，空調(diào)機(jī)組送風(fēng)干球溫度可以達(dá)到18.9～27.2 ℃，濕球效率為 89%～112%。

6.2 國內(nèi)露點間接蒸發(fā)冷卻商業(yè)化產(chǎn)品

（1）復(fù)合式露點間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組

如圖8所示，該機(jī)組將直接蒸發(fā)冷卻與叉流式露點間接蒸發(fā)冷卻相結(jié)合，室外新鮮的空氣從機(jī)組入口進(jìn)入換熱芯體干通道，一部分降溫的空氣經(jīng)過通道壁面孔口，進(jìn)入另一側(cè)的濕通道，作為工作氣流與噴淋水熱濕交換，在排風(fēng)機(jī)的作用下排出室外；另一部分降溫的空氣沿著干通道繼續(xù)往前運動，在送風(fēng)機(jī)的牽引作用下，穿過通道壁面的孔口進(jìn)入濕通道，與噴淋水直接接觸，發(fā)生熱濕交換，溫度降低后作為產(chǎn)出氣流［19］。

圖8 復(fù)合式露點間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)示意

（2）交叉式露點間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組

如圖9所示，機(jī)組工作空氣通過芯體下部的干通道，被前一級濕側(cè)蒸發(fā)冷卻帶走顯熱，焓值降低，實現(xiàn)預(yù)冷之后，經(jīng)過節(jié)流孔進(jìn)入另一側(cè)垂直的濕通道進(jìn)行絕熱加濕，然后排出機(jī)組。產(chǎn)出氣流通過芯體上部的干通道，絕對含濕量不變，干球溫度被另一側(cè)交叉布置的多級濕通道依次降溫，然后送入房間［20］。

圖9 交叉式露點間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組結(jié)構(gòu)示意

（3）數(shù)據(jù)中心專用露點間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組

如圖10所示，該空調(diào)機(jī)組工作空氣為室外新鮮空氣，首先全部被帶到干通道，通過設(shè)計的小孔，工作空氣被逐漸轉(zhuǎn)移到濕通道，干通道的空氣被濕通道的高濕低溫冷卻，然后在下一階段進(jìn)一步分離，干通道的空氣進(jìn)一步被冷卻，即產(chǎn)出空氣沿著流動路徑被冷卻，直至接近露點溫度。而對于室內(nèi)回風(fēng)來說上進(jìn)上出，在芯體膜內(nèi)外與低溫高濕的新風(fēng)進(jìn)行間接熱交換［22］。

圖10 數(shù)據(jù)中心專用露點機(jī)組結(jié)構(gòu)示意

（4）露點間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組

如圖11所示，該空調(diào)機(jī)組由進(jìn)風(fēng)段、混合段、表冷段、間接段、直接段等功能段組成，空調(diào)機(jī)組的核心部件為叉流式露點間接蒸發(fā)冷卻器。機(jī)組有著多種尺寸，風(fēng)量從3000 m3/h到20000 m3/h。該空調(diào)機(jī)組也已經(jīng)在大型公共建筑、工業(yè)建筑中得到了實際的應(yīng)用。

圖11 露點間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)示意

7 結(jié)論

（1）露點間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)是蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的最重要的研究方向之一，通過對產(chǎn)出空氣的不斷冷卻，從而獲得逼近空氣露點溫度的出風(fēng)和出水產(chǎn)品。

（2）露點間接蒸發(fā)冷卻器中空氣與水的流程更為多變和復(fù)雜，隨著研究的深入，相關(guān)數(shù)學(xué)模型的建立也是越來越完善，其數(shù)值計算結(jié)果也已經(jīng)與試驗結(jié)果較好地吻合。

（3）多孔陶瓷、聚合物材料、紡織布料等已經(jīng)應(yīng)用的蒸發(fā)冷卻器的研究當(dāng)中。尋找一種親水性好、導(dǎo)熱系數(shù)高、強(qiáng)度高的濕通道材料也是露點間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的研究重點。

（4）蒸發(fā)冷卻空調(diào)商業(yè)化產(chǎn)品主要為產(chǎn)出介質(zhì)為冷風(fēng)的機(jī)組。其結(jié)構(gòu)簡單，效率較高，在測試條件下濕球效率和露點效率可以達(dá)到預(yù)期要求，有較好的節(jié)能效果。

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