賀紅霞，黃 翔，張 鴻，孫鐵柱，羅 絨

(西安工程大學 城市規(guī)劃與市政工程學院，陜西 西安 710048)

0 引 言

露點間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)相對普通的間接蒸發(fā)冷卻可以產(chǎn)出更低溫度的冷風和冷水,且產(chǎn)出的空氣不被加濕,被廣泛應用到制冷空調(diào)設備當中[1-2]。提高露點間接蒸發(fā)冷卻器的性能可從流道結(jié)構(gòu)、芯體材料和布水形式等3個方面進行改進。流道結(jié)構(gòu)方面有叉流式[3]、復合式[4]、逆流式[5]等多種形式的露點間接蒸發(fā)冷卻器在國內(nèi)外廣泛應用。芯體材料方面已有對不同種類材料的親水性[6]、吸濕放濕性[7]、芯吸高度[8]等對比研究。不過，露點間接蒸發(fā)冷卻器中不同布水形式的研究較少。布水形式?jīng)Q定了露點間接蒸發(fā)冷卻器的布水均勻性。恰當?shù)牟妓绞浇Y(jié)合材料的存水能力,不僅可以更好地潤濕冷卻器的芯體材料,使水滴與材料充分接觸,提高冷卻器的熱濕交換效率,還能減少冷卻器的耗水量,降低布水系統(tǒng)的能耗。

黃翔[9]、樊麗娟[10]在間接蒸發(fā)冷卻器的噴淋布水器下加裝二次布水網(wǎng)格,提高布水均勻性,此時換熱效率提高5%～10%;在換熱器管外包覆吸水性滌綸針織材料或者包覆親水膜,換熱效率提高5%～8%。王灃浩等[11]對有高親水、儲水特性的多孔陶瓷間接蒸發(fā)冷卻器的噴淋間歇供水及布水能耗進行試驗,150 L/h流速噴淋5 min停100 min 時, 水泵優(yōu)化間歇運行效果最好, 水泵能耗僅為優(yōu)化前的5%。Duan[12]對一種芯體材料為纖維板和鋁箔熱壓而成的露點間接蒸發(fā)冷卻器的布水形式進行優(yōu)化, 采用梳齒式深入布水器以達到充分潤濕纖維材料的目的,提高換熱效率。 本文對不同噴嘴噴淋布水的均勻性及陶瓷管采用軟管布水的存水情況進行實驗,以期對之后布水的研究有所參考。

1 布水形式

制冷設備中應用的布水形式多種多樣,有噴淋布水、滴淋布水、布水縫布水、旋轉(zhuǎn)布水、軟管布水、深入式布水等。噴淋布水應用較為普遍,是將不同的排管布置方式與不同類型的噴嘴相組合,以適應制冷設備的尺寸大小、形狀及功能。如圓形填料塔為使布液均勻,根據(jù)其形狀采用魚骨形排管布置結(jié)合強旋流噴嘴的噴淋布液方式;較小的制冷設備則采用單根布水管結(jié)合錐形或方形噴嘴等噴淋布液方式，以減少布水系統(tǒng)能耗。噴淋布水較為靈活,可適應多種類型的制冷設備,但為保證布水均勻性,需要一定的噴淋高度[9],否則會使布水出現(xiàn)較大空白或重合。這就使得布水系統(tǒng)需要占據(jù)一些空間,不夠輕巧方便,不適用于小型冷卻器。目前，露點間接蒸發(fā)冷卻器的布水形式都是噴淋布水,采用錐形噴嘴。不過，布水面往往會出現(xiàn)大量空白,因此還有優(yōu)化改進的必要。

滴淋布水的實質(zhì)是利用分流,使布水均勻。如蒸發(fā)式冷氣機采用分流凹槽,將水流分為多股滴淋至填料上進行降溫[13],減少了布水系統(tǒng)所占的空間體積,消除漏水現(xiàn)象,適合于小型且不需要較高布水壓力的設備。布水縫布水是在布水管上直接打孔或開縫,方法簡單,但孔縫大小需適中,對水的流速及流量亦不能較好地控制。旋轉(zhuǎn)布水是由轉(zhuǎn)動軸帶動多根布水管或者帶動噴嘴進行旋轉(zhuǎn),布水均勻,但造價較高。軟管布水使水流直接接觸到換熱器芯體材料,節(jié)省布水系統(tǒng)空間體積,但布水效果與材料親水性有關(guān),適合采用親水性纖維材料的設備,如國外應用的叉流式露點間接蒸發(fā)冷卻器[14]就采用了軟管芯吸布水方式。

2 噴淋布水試驗

露點間接蒸發(fā)冷卻器中布水系統(tǒng)的主要作用是將水滴適量且均勻地噴灑在換熱芯體材料上,使?jié)櫇竦膿Q熱器芯體材料與被處理空氣充分接觸而進行熱濕交換,對被處理空氣進行降溫。因此,布水均勻性是評價布水形式的一個重要指標。布水均勻性越好,冷卻器的效率就越高。董曉杰[15]研究了直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻耗水量,發(fā)現(xiàn)同等制冷量下,間接蒸發(fā)冷卻耗水量大于直接蒸發(fā)冷卻耗水量,效率越低耗水量越大,提高間接蒸發(fā)冷卻的布水均勻性有助于提高效率和減少耗水量。目前常用的噴淋布水由于采用的噴嘴形式不同,布水效果也不同。

2.1 試驗裝置

試驗采用噴淋布水的臥式小型露點間接蒸發(fā)冷卻器,其三維示意圖如圖1所示。

圖 1 試驗裝置示意圖Fig.1 The diagram of test device

試驗布置單根布水管,長度1 m,內(nèi)徑30 mm。布水管上均勻布置3個同類型、同規(guī)格的噴嘴,共選取5種常用類型的噴嘴進行對比試驗,噴嘴規(guī)格均為1/4外螺紋。布水管的安裝高度為350 mm。布水管下方平鋪17×9個集水格,每個集水格的上表面即為集水面,尺寸為60 mm×60 mm,深50 mm。所有網(wǎng)格的集水面積為1 020 mm×540 mm,與目前研發(fā)的小型露點間接蒸發(fā)冷卻器的芯體上表面積基本相同。集水格中的布水量用量筒測量。為使噴淋出的水滴便于觀察,在后方鋪設黑色卡紙起顯色反襯作用。布水系統(tǒng)所用水泵為小型潛水泵,并安裝有流量計、壓力表。

2.2 噴嘴類型

試驗用到的5種類型噴嘴實物圖如圖2所示。

圖 2 5種噴嘴實物圖Fig.2 Five kinds of nozzle physical pictures

圖2中由左往右依次為螺旋形、實心錐形、方形、扇形和靶式撞擊形噴嘴。螺旋形噴嘴的結(jié)構(gòu)緊湊,其內(nèi)部螺旋流道為流線型設計,流道暢通,水在流道內(nèi)阻力小。實心錐形噴嘴的噴射面為錐形,內(nèi)部流道中固定有片狀物切割水流,水的阻力較大。方形噴嘴的噴射區(qū)域為正方形,便于重疊,適用于對布水范圍重合要求較高的設備。扇形噴嘴的噴射面呈一條線,適合安裝在換熱器布水系統(tǒng)的角落或?qū)Σ妓瞻讌^(qū)域進行彌補。靶式撞擊形噴嘴的水流由小孔噴出后撞擊到靶板上,水滴阻力較大,易破碎,霧化性能較好。撞擊后的水滴以非常大的角度(接近180°)射出,屬于廣角形噴嘴。

2.3 布水情況對比

在相同水流量、相同水壓情況下測試上述5種不同噴嘴的布水情況并進行對比。在水流量為220 L/h,水壓0.05 MPa,噴水時間為8 s條件下,布水情況如圖3所示。

(a) 螺旋形噴嘴

b.實心錐形噴嘴

(c) 方形噴嘴

(d) 扇形噴嘴

(e) 靶式撞擊形噴嘴圖 3 5種噴嘴布水情況Fig.3 Water distribution of five nozzles

觀察圖3可知,相同實驗條件下,螺旋形噴嘴布水量最大,布水范圍較廣。這是由于水在流道內(nèi)阻力小,故其噴淋出來的水只有一小部分是破碎的水滴,還有一大部分呈水柱狀噴出。 靶式撞擊形噴嘴布水量較小,水流撞擊成水滴狀噴灑,由于噴射角度很大,其布水范圍最廣,幾乎所有集水格中都有水。方形噴嘴的布水量及布水范圍適中。實心錐形噴嘴的布水面為圓形,扇形噴嘴的布水面為線形,兩者的布水量及布水范圍都較小。

2.4 布水均勻性

對上述5種噴嘴在集水格中的布水量進行統(tǒng)計,如圖4所示。其中網(wǎng)格與集水格相對應,橫排集水格17個,豎排集水格9個。網(wǎng)格中數(shù)字及顏色深淺表示布水量大小,空白格表示集水量為0 mL,顏色越深,布水量越大。從圖4可以看出,相同噴水時間下,螺旋形噴嘴的布水量較大,集水格中最大布水量為62 mL,且由顏色過渡深淺可知布水較為均勻;方形噴嘴的布水量次之,集水格中最大布水量為36 mL,布水較為均勻;靶式撞擊形噴嘴每個集水格中的布水量最小,最大僅為12 mL,但由圖中顏色可以看出其布水是最均勻的;實心錐形噴嘴和扇形噴嘴表現(xiàn)不佳,布水均勻性很差。

(a) 螺旋形噴嘴

(b) 實心錐形噴嘴

(c) 方形噴嘴

(d) 扇形噴嘴

(e) 靶式撞擊形噴嘴圖 4 5種噴嘴布水量分布Fig.4 Water distribution of five nozzles

為了更加明確地表示5種噴嘴的布水均勻性,引入噴淋均勻分布系數(shù)(ξ),如式(1)所示。

將每個集水格中的布水量代入式(1),即可得該種類型噴嘴的噴淋均勻分布系數(shù)。分析該式(1)可知,噴淋均勻分布系數(shù)越小,則布水均勻性越好。

在噴水時間8 s,流量220 L/h,水壓0.05 MPa,測試面積 0.5 m2的測試條件下，5種噴嘴的各項噴淋參數(shù)如表1所示。

表 1 5種噴嘴性能參數(shù)匯總

從表1可以看出,相同水流量、水壓及噴水時間情況下,靶式撞擊形噴嘴的噴淋均勻分布系數(shù)、噴淋面積占比及噴射角度都表現(xiàn)最好,其次是螺旋形噴嘴。從圖4的布水量分布來看,靶式撞擊形噴嘴的布水量較小,且實際觀察到噴射出的水滴較細小,受外界條件影響較大。若應用到露點間接蒸發(fā)冷卻器中會被較高的風速吹動,使換熱芯體靠風機一側(cè)的水量較少,而遠離風機一側(cè)的水量較多,也是一種布水不均勻的現(xiàn)象。因此,對于目前的小型露點間接蒸發(fā)冷卻器的噴淋布水形式,將實心錐形噴嘴更換為螺旋形噴嘴,布水效果會更好。

3 軟管布水試驗

露點間接蒸發(fā)冷卻器的換熱芯體材料多為吸濕性好的材料,如聚合物纖維、聚酯纖維等,將細長的布水軟管直接接觸到吸濕性材料上進行布水,利用材料內(nèi)部的毛細現(xiàn)象可使水分擴散均勻。這樣不僅可以節(jié)約布水系統(tǒng)能耗,還能減少噴淋布水過程中由于噴嘴堵塞造成的更換維修費用。

3.1 試驗裝置

由于多孔陶瓷的吸水性較好,本試驗在多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器上進行,試驗樣機如圖5所示。其工作原理為室外一次空氣由冷卻器左側(cè)的一次進風口進入換熱芯體管內(nèi),二次空氣由冷卻器底部的二次進風口進入換熱芯體管外,在管外與水直接接觸,發(fā)生直接蒸發(fā)冷卻,并間接帶走管內(nèi)一次空氣的熱量,被冷卻后的一次空氣產(chǎn)出至空調(diào)區(qū)域。

布水方式為將布水軟管蛇形鋪設在管式換熱芯體上方,布水軟管為PVC透明軟管。布水軟管與最上層陶瓷管接觸，固定成蛇形分布。布水軟管上等間距打孔,打孔方式為細小圓孔。水在水泵的壓力下由軟管的小孔流出,成股地滴落在換熱芯體表面。當換熱芯體上方的陶瓷管吸飽水后,多余的水分在重力作用下落到下方的陶瓷管上,陶瓷管由上往下一級一級的潤濕。

圖 5 多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器Fig.5 Indirect evaporative cooler of porous ceromic tube

3.2 布水情況

采用軟管布水的多孔陶瓷管式換熱芯體布水情況如圖6所示。隨著布水時間的推移,陶瓷管干燥的表面上逐漸有豎向的局部水流;之后上方的陶瓷管吸飽水,多余水分溢出,出現(xiàn)柱狀水流;再過一段時間后,由于多孔陶瓷內(nèi)部的毛細現(xiàn)象,水分開始沿著管橫向擴散,最終使換熱芯體表面完全布滿水。

由此可知,在管外布水越充分，水分覆蓋程度越大的情況下,二次空氣與管外表面水膜發(fā)生的直接蒸發(fā)冷卻過程越充分,間接地使管內(nèi)一次空氣的溫度更低。因此，多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器的效率與其布水情況息息相關(guān)。為提高冷卻器的效率,需要了解軟管布水的間歇性布水時間,即換熱芯體中陶瓷管外表面全部被潤濕需要的時間，不補充水分的情況下陶瓷管所蓄水量完全蒸發(fā)需要的時間。

(a) 干燥表面 (b) 局部布水

(c) 局部柱狀水流 (d)水分蔓延圖 6 軟管布水在換熱芯體上的布水過程Fig.6 Water distribution process of hose water distribution on heat exchange core

3.3 間歇性布水時間

多孔陶瓷管式換熱芯體達到蓄水極限的時間即布水時間。在達到其蓄水極限時,陶瓷管外表面都被潤濕,多余的水分會從換熱芯體下表面滴落在水箱。由于換熱芯體內(nèi)的陶瓷管是交錯布置,且實際過程中會出現(xiàn)局部布水,因此在換熱芯體下方緊湊的鋪設一層集水網(wǎng)格,當集水網(wǎng)格中都有水滴落時,表明達到蓄水極限,結(jié)束計時,這一時間即為布水時間。實際測試結(jié)果為5 min。

多孔陶瓷管是一個天然的蓄水器,在達到其蓄水極限后停止布水可以節(jié)約冷卻器的布水能耗,停止布水的時間即為間歇性時間。在冷卻器正常運行的情況,觀察陶瓷管外表面的水分分布,當管外逐漸干燥時,就需要及時地補充水,實際測試結(jié)果間歇性時間為1 h。間歇性布水可使管外充分潤濕，足夠的噴停時間使得水在管壁充分蒸發(fā)，在保證換熱效率的同時可節(jié)約水量。

4 結(jié) 論

(1) 布水與存水影響著露點間接蒸發(fā)冷卻器的效率。不同的布水形式?jīng)Q定了露點間接蒸發(fā)冷卻器的布水均勻性,不同材料的存水能力影響著冷卻器內(nèi)布水系統(tǒng)的能耗。針對露點間接蒸發(fā)冷卻器內(nèi)換熱芯體材料,選擇合適的布水形式,將布水與存水相結(jié)合，在很大程度上可以提高露點間接蒸發(fā)冷卻器的效率。

(2) 噴淋布水應用廣泛,較為方便,但需要占一定的布水空間。靶式撞擊形噴嘴和螺旋形噴嘴的噴射角度、噴淋面積及布水均勻性較好,而螺旋形噴嘴的布水量更大,更適用于露點間接蒸發(fā)冷卻器中。

(3) 多孔陶瓷管式間歇蒸發(fā)冷卻器采用軟管布水，將布水與存水結(jié)合可有效提高換熱效率，節(jié)約能源；采用間歇性布水時間為噴5 min停1 h,足夠的噴停時間使得水在管外充分蒸發(fā)，提高傳熱傳質(zhì)。