宋祥龍 黃 翔 黃 萍

（1.西安航空學(xué)院能源與建筑學(xué)院 西安 710077；2.西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院 西安 710048；3.陜西金翼通風(fēng)科技有限公司 咸陽 712021）

0 引言

蒸發(fā)冷卻空調(diào)利用空氣的干濕球溫差（干空氣能）實(shí)現(xiàn)對空氣的降溫，無需壓縮機(jī)，制冷劑為水，節(jié)能環(huán)保，廣泛應(yīng)用于較為干燥的西北地區(qū)及高顯熱的工業(yè)場所[1-4]。間接蒸發(fā)冷卻器主要有板翅式、臥管式等，直接蒸發(fā)冷卻主要有填料滴淋式、噴水室噴淋式、高壓微霧式。由于西北地區(qū)風(fēng)沙天氣多、工業(yè)場所含塵濃度高，導(dǎo)致蒸發(fā)冷卻空調(diào)在工程應(yīng)用中存在易堵且不便于清洗、冷卻效率衰減、設(shè)備壽命短、更換頻繁等問題。據(jù)此，針對傳統(tǒng)臥管式間接蒸發(fā)冷卻器以及直接蒸發(fā)冷卻填料在實(shí)際使用中存在的不足，提出一種立管間接-靶式噴嘴復(fù)合蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組，制作出試驗(yàn)樣機(jī)，并測試其降溫性能[5,6]。

1 立管間接-靶式噴嘴復(fù)合蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組

立管間接-靶式噴嘴復(fù)合蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組，采用間接+直接兩級蒸發(fā)冷卻降溫，第一級為間接蒸發(fā)冷卻段，采用立管式間接蒸發(fā)冷卻器，第二級為直接蒸發(fā)冷卻段，采用流體動力室噴水室，噴嘴為帶有增壓腔的靶式撞擊流噴嘴。

1.1 立管式間接蒸發(fā)冷卻器

與傳統(tǒng)臥管式間接蒸發(fā)冷卻器不同，立管式間接蒸發(fā)冷卻器一次空氣（被降溫空氣）流經(jīng)換熱管外側(cè)，二次空氣（工作空氣）與循環(huán)水流經(jīng)換熱管內(nèi)，相較于臥管式而言，由于其管道為立式布置，管外流道較寬易于清掃，管內(nèi)由于循環(huán)水自上而下的自沖刷作用，換熱管內(nèi)的堵塞問題大大緩解。為保證管內(nèi)形成均勻的貼附水膜，有充分的熱質(zhì)交換空間，換熱管采用直徑為30mm的圓管。同時，換熱器采用立式結(jié)構(gòu)可縮小設(shè)備在水平方向尺寸，減小機(jī)組占地面積[7]。其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示。

圖1 立管式間接蒸發(fā)冷卻器Fig.1 Vertical tube-type indirect evaporative cooler

間接蒸發(fā)冷卻降溫極限為二次空氣的濕球溫度，其濕球效率計(jì)算公式為：

式中，t1為一次空氣干球溫度（冷卻前），℃；t2為一次空氣干球溫度（冷卻后），℃；tS為二次空氣濕球溫度，℃

由于換熱器材質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及使用場所的差異，間接蒸發(fā)冷卻器濕球效率不盡相同，一般均可保持在50%～70%之間。

1.2 帶有增壓腔的靶式撞擊流噴嘴

流體動力式噴水室的核心部件為靶式噴嘴，帶有增壓腔的靶式撞擊流噴嘴，其霧化機(jī)理與現(xiàn)有靶式噴嘴霧化機(jī)理相同，利用高壓水流與靶板的相向撞擊，產(chǎn)生的超聲波對水流進(jìn)行霧化，霧化效果好，霧化角為180°，節(jié)省噴嘴使用量，防堵省材[8]。然而與現(xiàn)有靶式撞擊流噴嘴結(jié)構(gòu)不同，帶有增壓腔的靶式撞擊流噴嘴采用單面連桿，連桿為尖頭尖尾的異形斷面，有效緩解了霧化盲區(qū)的產(chǎn)生。同時，噴嘴端蓋與內(nèi)腔組成突擴(kuò)增壓腔，高速的水流進(jìn)入增壓腔后流速減慢、動壓減小、靜壓增大，水流在高靜壓作用下噴出并與靶板發(fā)生撞擊，達(dá)到更好的霧化效果。其結(jié)構(gòu)及霧化效果如圖2所示。

圖2 帶有增壓腔的靶式撞擊流噴嘴Fig.2 Target type impinging stream nozzle with pressurized cavity

試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)與實(shí)物分別如圖3、圖4所示，樣機(jī)按額定處理風(fēng)量為10000～15000m3/h 設(shè)計(jì)制作，下面對機(jī)組的降溫性能進(jìn)行測試并分析。

圖3 立管間接-靶式噴嘴復(fù)合蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)組成Fig.3 Structural components of the vertical tube indirect-target type nozzle compound evaporative air conditioning unit

圖4 立管間接-靶式噴嘴復(fù)合蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組實(shí)物Fig.4 The vertical tube indirect-target type nozzle compound evaporative air conditioning unit

2 測試結(jié)果與分析

對機(jī)組進(jìn)行立管式間接蒸發(fā)冷卻降溫性能測試、最佳淋水密度測試、流體動力室噴水室降溫加濕性能測試及整機(jī)性能測試。測試儀器主要采用testo480 多功能測量儀、testo 溫濕度自記儀，測試地點(diǎn)為陜西咸陽，測試時間為夏季7月～8月，機(jī)組測點(diǎn)布置及測試內(nèi)容如圖5、表1所示。

圖5 試驗(yàn)樣機(jī)測點(diǎn)布置Fig.5 Arrangement of measuring points

2.1 立管式間接蒸發(fā)冷卻器測試

（1）降溫性能測試與分析[9]

首先對立管式間接蒸發(fā)冷卻器的降溫性能進(jìn)行測試，測試其在不同處理風(fēng)量、不同二次/一次風(fēng)量比下的降溫性能，分析變化規(guī)律。表2 統(tǒng)計(jì)出當(dāng)一次風(fēng)量為7200m3/h 時，立管式間接蒸發(fā)冷卻器在不同二次/一次風(fēng)量比下的空氣處理溫降及濕球效率，圖6 反映了隨著風(fēng)量比的變化，冷卻器降溫性能變化規(guī)律。

表2 一次風(fēng)量7200m3/h，不同風(fēng)量比下冷卻器的降溫效果Table 2 7200 m3/h product air，cooling effect with different air volume ratio

圖6 一次風(fēng)量7200m3/h，冷卻器降溫效果隨風(fēng)量比變化關(guān)系Fig.6 7200 m3/h product air，cooling effect with different air volume ratio

根據(jù)表2 及圖6 可得，在測試工況下，進(jìn)口溫度在40 ℃以上，立管式間接蒸發(fā)冷卻器冷卻降溫保持在10℃以上，濕球效率在60%以上，降溫效果較好。并且，隨著二次/一次風(fēng)量比的增加，降溫效果及效率升高，呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。因?yàn)殡S著二次風(fēng)量的增大，促進(jìn)了管內(nèi)二次空氣與循環(huán)水的熱質(zhì)交換，進(jìn)而提高了冷卻器的降溫效果及效率。

表3、表4、表5 分別統(tǒng)計(jì)了當(dāng)一次風(fēng)量為11000m3/h、15000m3/h、20000m3/h 時，立管式間接蒸發(fā)冷卻器在不同的風(fēng)量比下的降溫效果；圖7匯總了在不同的一次風(fēng)量下，隨著二次/一次風(fēng)量比的變化，立管式間接蒸發(fā)冷卻器降溫規(guī)律變化情況。

圖7 不同一次風(fēng)量下，冷卻器濕球效率隨風(fēng)量比變化關(guān)系Fig.7 Cooling effect with different air volume ratio and product air

表3 一次風(fēng)量11000m3/h，不同風(fēng)量比下冷卻器的降溫效果Table 3 11000 m3/h product air，cooling effect with different air volume ratio

表4 一次風(fēng)量15000m3/h，不同風(fēng)量比下冷卻器的降溫效果Table 4 15000 m3/h product air，cooling effect with different air volume ratio

表5 一次風(fēng)量20000m3/h，不同風(fēng)量比下冷卻器的降溫效果Table 5 20000 m3/h product air，cooling effect with different air volume ratio

由各表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可得，立管式間接蒸發(fā)冷卻器在不同的處理風(fēng)量、不同風(fēng)量比以及不同的進(jìn)風(fēng)參數(shù)下，其濕球效率均可保持在54%～70%之間，甚至優(yōu)于傳統(tǒng)臥管式間接蒸發(fā)冷卻器在中等濕度地區(qū)的效率（55%～60%）；同時，即使在進(jìn)風(fēng)溫度低于34℃的工況下，立管式間接蒸發(fā)冷卻器空氣溫降仍可保持在6℃以上，降溫效果較好。

從圖7 可以得出，隨著一次風(fēng)量的減小，立管式間接蒸發(fā)冷卻器的濕球效率逐漸升高，這是因?yàn)殡S著一次風(fēng)量減小，空氣與換熱管的接觸時間延長，降溫效果越好。同時，風(fēng)量比越大，濕球效率越高，但風(fēng)量比不能無限制增大，一是由于風(fēng)量比的增大會增加二次風(fēng)機(jī)能耗，二是因?yàn)槎慰諝怙L(fēng)量無限加大，管內(nèi)風(fēng)速過快，破壞換熱管內(nèi)壁均勻的貼附水膜，造成飄水現(xiàn)象，反而會降低換熱效率。

（2）淋水密度測試與分析[10]

間接蒸發(fā)冷卻器降溫驅(qū)動勢為二次空氣與循環(huán)水的直接蒸發(fā)冷卻，因此最佳淋水密度會隨二次空氣風(fēng)量的不同而不同，二次風(fēng)量越大，最佳淋水密度也較大。同時最佳淋水密度也與換熱管尺寸相關(guān)，管內(nèi)循環(huán)水量過多，形成“水橋”造成二次空氣流道阻力增大，增大了循環(huán)水泵及二次風(fēng)機(jī)能耗；淋水密度過小，管內(nèi)壁不能形成均勻穩(wěn)定的貼附水膜，甚至出現(xiàn)“干斑”，降低換熱效率。因此，針對該立管式間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行最佳淋水密度的測試。

測試過程中將一次空氣風(fēng)機(jī)關(guān)閉，二次空氣與循環(huán)水在換熱管內(nèi)進(jìn)行直接蒸發(fā)冷卻，通過計(jì)算直接蒸發(fā)冷卻效率來尋求最佳淋水密度。試驗(yàn)了三組二次空氣流量4000m3/h、7000m3/h、10000m3/h，以及五組淋水密度251kg/（m·h）、349kg/（m·h）、460kg/（m·h）、551kg/（m·h）、667kg/（m·h），共十五種工況，換熱管內(nèi)直接蒸發(fā)冷卻效率隨淋水密度的變化關(guān)系如圖8所示。

圖8 換熱管內(nèi)直接蒸發(fā)冷卻效率隨淋水密度的變化關(guān)系Fig.8 The relationship between the direct evaporative cooling efficiency and the water density

由圖8 可以看出，隨著淋水密度的增加，直接蒸發(fā)冷卻效率先升高，而后趨于平緩。二次空氣流量為4000m3/h 時，最佳淋水密度范圍為460～550kg/（m·h）；二次空氣流量為7000m3/h 時，最佳淋水密度范圍為550～660g/（m·h）；二次空氣流量為10000m3/h 時，最佳淋水密度范圍為660kg/（m·h）。

2.2 流體動力式噴水室降溫性能測試

單獨(dú)對流體動力式噴水室的降溫加濕性能進(jìn)行測試，分別測量了處理風(fēng)量為7200m3/h、11000m3/h、15000m3/h 時的降溫加濕效果，如表8及圖9所示。

表8 不同處理風(fēng)量下，流體動力式噴水室降溫效果Table 8 Cooling effect of pneumatic spray chamber with different air volume

圖9 不同處理風(fēng)量下，流體動力式噴水室降溫效果Fig.9 Cooling effect of pneumatic spray chamber with different air volume

由表8 及圖9 得出，只要在設(shè)計(jì)風(fēng)量范圍內(nèi)，流體動力式噴水室降溫加濕性能穩(wěn)定，空氣處理溫降在10℃以上，加濕（濕球）效率保持在96%以上，帶有增壓腔的靶式撞擊流噴嘴霧化效果較好。

2.3 整機(jī)測試

同時開啟立管式間接蒸發(fā)冷卻器及流體動力室噴水室，對整機(jī)降溫加濕性能進(jìn)行測試。以處理額定風(fēng)量15000m3/h、二次/一次風(fēng)量比0.8 為例，機(jī)組各功能段溫濕度參數(shù)及效率見表9、變化規(guī)律見圖10。機(jī)組進(jìn)風(fēng)平均干球35.3℃、平均濕球23.4℃，立管式間接蒸發(fā)冷卻器濕球效率為60.6%、平均溫降7.2℃；流體動力式噴水室濕球效率為89.1%，平均溫降6.4℃，露點(diǎn)室空氣相對濕度95.2%；實(shí)驗(yàn)過程中整機(jī)平均溫降13.6℃，濕球效率為113%。

表9 處理風(fēng)量為15000m3/h、風(fēng)量比為0.8 時，機(jī)組各段空氣參數(shù)表Table 9 Air parameters of unit in the cases of 15000 m3/h product air,air volume ratio 0.8

圖10 處理風(fēng)量為15000m3/h、風(fēng)量比為0.8 時，機(jī)組各段空氣參數(shù)變化趨勢Fig.10 Air parameters change of unit in the cases of 15000 m3/h product air,air volume ratio 0.8

3 總結(jié)

針對傳統(tǒng)臥管式間接蒸發(fā)冷卻器及直接蒸發(fā)冷卻填料在西北地區(qū)及工業(yè)場所易堵、難以清洗、壽命短、占地面積大等不足，提出立管間接-靶式噴嘴復(fù)合蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組，分析了機(jī)組的緩堵結(jié)構(gòu)性能，制作樣機(jī)并進(jìn)行測試。通過測試，該機(jī)組性能略優(yōu)于傳統(tǒng)蒸發(fā)冷卻設(shè)備。在測量工況下，立管式間接蒸發(fā)冷卻器降溫保持在6℃以上，濕球效率保持在54%以上，略優(yōu)于臥管式間接蒸發(fā)冷卻器在中等濕度地區(qū)的降溫效果，并測量得出不同風(fēng)量下的最佳淋水密度；流體動力室噴水室降溫加濕效果較好，加濕后空氣相對濕度保持在95%以上；整機(jī)溫降13℃、濕球效率113%。同時，相對于傳統(tǒng)臥管式間接蒸發(fā)冷卻器，立管式間接蒸發(fā)冷卻器也存在管內(nèi)布水不均勻、換熱管內(nèi)氣流阻力較大，以及占用高度空間大的缺陷。機(jī)組的結(jié)構(gòu)以及降溫性能有待更進(jìn)一步工程應(yīng)用檢驗(yàn)。

通過樣機(jī)的提出、制作、測試與分析，為蒸發(fā)冷卻這一環(huán)保節(jié)能的空調(diào)技術(shù)推廣應(yīng)用提供一種參考借鑒。