王 庚 張小松 陳 瑤 徐國英

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京210096)

在直接蒸發(fā)冷卻過程中，水中的水分蒸發(fā)進(jìn)入空氣，空氣含濕量增大;空氣因提供水分蒸發(fā)所需潛熱，其干球溫度將降低.蒸發(fā)冷卻利用天然工質(zhì)——水的蒸發(fā)來產(chǎn)生冷量.因此，蒸發(fā)冷卻裝置除了具有良好的熱質(zhì)交換特性，被用來強(qiáng)化換熱［1］和能量回收［2］外，還作為一種行之有效且節(jié)能環(huán)保的制冷方式而獲得了越來越廣泛的應(yīng)用［3-5］.

空氣和水在填料的表面發(fā)生熱質(zhì)交換，填料的選擇對蒸發(fā)冷卻裝置的整體性能起著重要的作用.業(yè)內(nèi)人士嘗試采用多種材料作為填料［6-10］進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，已取得了一系列有價(jià)值的成果.

金屬陶瓷泡沫具有良好的耐腐蝕性、熱物性和機(jī)械特性，是醫(yī)學(xué)［11］、化學(xué)工業(yè)［12-13］、太陽能利用［14］等領(lǐng)域的一種常用材料.而且其網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)帶來的高孔隙率以及較大的比表面積［15］，能夠?yàn)榭諝夂退峁└蟮臒豳|(zhì)交換界面，以及更長的接觸時(shí)間，從而能夠發(fā)生更加充分的熱質(zhì)交換.因此，采用金屬陶瓷泡沫作為蒸發(fā)冷卻裝置填料可以為強(qiáng)化蒸發(fā)冷卻效果創(chuàng)造有利的條件［2，6，16］，具有較大的應(yīng)用潛力.目前，針對金屬陶瓷泡沫在蒸發(fā)冷卻領(lǐng)域的應(yīng)用研究還較少.

本文提出采用金屬陶瓷泡沫作為蒸發(fā)冷卻裝置的新型填料，實(shí)驗(yàn)研究了逆流條件下采用不同厚度填料及在不同進(jìn)口空氣狀況下的熱質(zhì)交換特性，以及水與空氣的質(zhì)量流量比對該裝置熱質(zhì)交換性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)陶瓷泡沫填料

以每英寸長度內(nèi)的小孔數(shù)(pores per inch，PPI)分類，常用的陶瓷泡沫的PPI數(shù)在10～45之間［17］.本文選用30 PPI的氧化鋁(Al2O3)陶瓷泡沫塊作為蒸發(fā)冷卻器的填料，實(shí)驗(yàn)所用陶瓷泡沫填料實(shí)物及其微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示.每塊填料的底面尺寸為 0.3 m ×0.3 m，頂面尺寸為 0.275 m ×0.275 m，高度為0.05 m，孔隙率為85%.

圖1 實(shí)驗(yàn)陶瓷泡沫填料

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及系統(tǒng)工作流程

本研究搭建的陶瓷泡沫填料蒸發(fā)冷卻實(shí)驗(yàn)臺以及系統(tǒng)圖如圖2所示.實(shí)驗(yàn)裝置主要包括:1個(gè)蒸發(fā)冷卻器(長×寬×高尺寸為0.5 m×0.5 m×1.6 m，里面放置泡沫陶瓷填料)，1個(gè)循環(huán)水泵，2個(gè)儲水桶，1個(gè)水加熱器，1個(gè)水流量計(jì)，以及相關(guān)聯(lián)的水管、閥門、過濾器等.蒸發(fā)冷卻器頂部設(shè)有一個(gè)布水槽，槽底按0.02 m×0.02 m的間隔打孔，以利于循環(huán)水的均勻下落.蒸發(fā)冷卻器四周及下部集水槽的外部貼有保溫材料，以最大限度減少其與外界之間的熱交換.蒸發(fā)冷卻器的一個(gè)側(cè)面是可拆卸的，可以在實(shí)驗(yàn)中改變陶瓷泡沫填料的層數(shù).

圖2 陶瓷泡沫填料蒸發(fā)冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作流程如下:實(shí)驗(yàn)時(shí)，開啟閥門V5，V10～ V7，V2，關(guān)閉閥門 V1，V3，V4，V6.循環(huán)泵將水從儲水桶1的底部抽出送至蒸發(fā)冷卻器上部，經(jīng)布水槽后均勻下落，流經(jīng)陶瓷泡沫填料時(shí)與空氣接觸，在蒸發(fā)冷卻器下部的集水槽底部匯流至儲水桶2;空氣從蒸發(fā)冷卻器下部側(cè)面進(jìn)口進(jìn)入，向上流過陶瓷泡沫的孔隙時(shí)與水膜發(fā)生熱質(zhì)交換，然后從上部側(cè)面出口離開，此時(shí)水和空氣形成逆流的關(guān)系.

2 直接蒸發(fā)冷卻熱質(zhì)傳遞模型

為了得到冷卻效率和加濕量的解析解，根據(jù)空氣與水表面發(fā)生熱質(zhì)交換的基本理論［18］，針對微元填料建立數(shù)學(xué)模型.假設(shè)空氣在填料中通過距離dx時(shí)，溫度變化為dt，含濕量變化為dw，則空氣和水之間的顯熱交換量dQx為

式中，ma為空氣流量;cp，a為空氣定壓比熱;ts為空氣的濕球溫度;t為空氣的干球溫度;h為空氣和水膜的對流換熱系數(shù);α為填料的比表面積;a和b為空氣流向上填料的長和寬.

潛熱交換量dQq為

式中，r為水的汽化潛熱;kw為質(zhì)傳遞系數(shù);ds為空氣在ts溫度下的飽和含濕量.

根據(jù)直接蒸發(fā)冷卻為等焓過程的特性，可得

則

基于逆流的邊界條件，對于進(jìn)口空氣而言，x=0時(shí)，t=t1;x=L時(shí)，t=t2.對方程組進(jìn)行求解，可以分別得到直接蒸發(fā)冷卻效率η和加濕量Δw的計(jì)算式為

式中，L為填料厚度;ρ為空氣密度;u為空氣流速.

3 實(shí)驗(yàn)方法及性能評價(jià)指標(biāo)

3.1 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

為了保證蒸發(fā)冷卻器進(jìn)口空氣參數(shù)的穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)在人工環(huán)境艙中進(jìn)行.可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要調(diào)整并維持環(huán)境艙內(nèi)(即蒸發(fā)冷卻器進(jìn)口)空氣的干球溫度T1及濕球溫度T1s，其工作原理見圖3.蒸發(fā)冷卻器進(jìn)口配置的空氣取樣裝置1負(fù)責(zé)采集蒸發(fā)冷卻器進(jìn)口空氣干球溫度T1及濕球溫度T1s.蒸發(fā)冷卻器的出口通過保溫的風(fēng)管道與環(huán)境艙本體的進(jìn)口相連，通過引風(fēng)機(jī)帶動環(huán)境艙內(nèi)空氣流經(jīng)蒸發(fā)冷卻器后，進(jìn)入環(huán)境艙本體進(jìn)口.此時(shí)，本體內(nèi)的空氣取樣裝置2采集的是蒸發(fā)冷卻器出口空氣參數(shù)(T2，T2s).通過改變引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動頻率可以改變流經(jīng)蒸發(fā)冷卻器的風(fēng)量ma，從而實(shí)現(xiàn)對空氣質(zhì)量流量的調(diào)節(jié).

圖3 人工環(huán)境艙

空氣取樣裝置1內(nèi)配有2個(gè)Pt-100鉑電阻，其中一個(gè)被蒸餾水浸潤的濕球紗布包裹，充當(dāng)濕球溫度計(jì);另一個(gè)充當(dāng)干球溫度計(jì).空氣取樣裝置2的配置和空氣取樣裝置1的完全相同.Pt-100鉑電阻的測量范圍為0～100℃，精度為0.1℃.

流過蒸發(fā)冷卻器的風(fēng)量ma可利用測得的環(huán)境艙本體內(nèi)噴嘴前后壓差和噴嘴前的壓力計(jì)算得出.測量噴嘴前后壓差的壓差變送器精度為±0.3%，測量噴嘴前壓力的壓力變送器精度為 ±0.5%.

以上所有測量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集儀每30 s采集1次得到，最終采用的計(jì)算數(shù)據(jù)是在15 min內(nèi)穩(wěn)定工況的平均值.

通過調(diào)整水管路閥門來控制水量mw，并由流量計(jì)來測量(精度為±10 L/h);水溫Tw由溫控器和加熱器來控制.

3.2 性能評價(jià)指標(biāo)

1)冷卻效率η

由于蒸發(fā)冷卻器進(jìn)口空氣干球溫度T1到達(dá)出口時(shí)降為T2，且極限情況下，T2等于進(jìn)口空氣的濕球溫度T1s，所以一般采用空氣實(shí)際溫降ΔT1與最大可能溫降ΔT2的比值即冷卻效率η來衡量實(shí)驗(yàn)工況下的熱傳遞效果，其計(jì)算式為

2)加濕量Δw

空氣的含濕量w表示對應(yīng)于1 kg干空氣的濕空氣中的水分含量.本文將采用蒸發(fā)冷卻器出口空氣的含濕量w2和進(jìn)口空氣含濕量w1的差值即加濕量Δw來衡量實(shí)驗(yàn)工況下的加濕情況，其質(zhì)傳遞效果為

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 進(jìn)口空氣干球溫度T1的影響

對采用1層填料和2層填料的蒸發(fā)冷卻器的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)過程中，調(diào)整加濕量，使空氣進(jìn)入蒸發(fā)冷卻器時(shí)的濕球溫度 T1s穩(wěn)定在22.6℃，空氣流量 ma恒定為280 m3/h，水量 mw為120 L/h以保證填料表面得到充分的濕潤.選用不同進(jìn)口空氣干球溫度T1時(shí)，冷卻效率η的變化情況如圖4(a)所示.

圖4 不同進(jìn)口空氣干球溫度時(shí)的熱質(zhì)傳遞特性

在以上的實(shí)驗(yàn)條件下，采用1層陶瓷泡沫填料時(shí)冷卻效率η和加濕量Δw最高分別為58%和1.64 g/kg，2層陶瓷泡沫填料的對應(yīng)值分別為73%和2.89 g/kg.如圖4(a)所示，采用1層和2層泡沫陶瓷填料的蒸發(fā)冷卻器的冷卻效率η在進(jìn)口干球溫度T1升高時(shí)，都呈下降趨勢.溫度T1從29℃上升至37℃，采用1層時(shí)η由58%降至47%，采用2層時(shí)η由73%減少為67%.這是因?yàn)殡S著T1的升高，進(jìn)口空氣干球溫度T1和濕球溫度T1s差值ΔT2變大.雖然ΔT1也變大，但沒有ΔT2變化幅度大，所以得到的冷卻效率η呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢(見圖4(b)).

加濕量Δw的變化如圖4(c)所示.在采用1層或者2層填料時(shí)，蒸發(fā)冷卻器的加濕量Δw都隨著進(jìn)口空氣干球溫度T1的增加而呈現(xiàn)出上升的趨勢.這是因?yàn)樵跐袂驕囟认嗤瑫r(shí)，干球溫度升高后，空氣中水蒸氣分壓力變小，傳質(zhì)動力增大，有利于水面的水分蒸發(fā)進(jìn)入空氣.可以看到，當(dāng)溫度由29℃升至37℃時(shí)，采用1層和2層填料的蒸發(fā)冷卻器的加濕量Δw分別由0.36和0.89 g/kg增加到1.64 和 2.89 g/kg.

采用2層陶瓷泡沫填料總是可以獲得比1層陶瓷泡沫填料更好的蒸發(fā)冷卻效果，前者冷卻效率η平均高于后者17%左右，加濕量Δw平均多于后者約1 g/kg.顯然這是因?yàn)榍罢吆穸却笥诤笳?，可以為空氣和水提供更大的接觸面積和更長的接觸時(shí)間，使水中有更多的水分蒸發(fā)至空氣流中，熱質(zhì)交換更充分.但是，采用2層填料時(shí)的冷卻效率η和加濕量Δw并沒有達(dá)到采用1層填料時(shí)的2倍，這是因?yàn)殡S著蒸發(fā)冷卻的進(jìn)行，空氣中含濕量增大，水蒸氣分壓力升高，在第2層填料中的蒸發(fā)冷卻過程中水分遷移的驅(qū)動力低于在第1層中蒸發(fā)冷卻剛開始發(fā)生時(shí)的驅(qū)動力.

4.2 進(jìn)口空氣濕球溫度T1s的影響

分別對1層填料和2層填料的蒸發(fā)冷卻器的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)過程中，進(jìn)口空氣的干球溫度T1保持35℃不變，空氣流量 ma恒定為280 m3/h，水量mw保持為120 L/h.蒸發(fā)冷卻的冷卻效率η和加濕量Δw的變化如圖5所示.

2層陶瓷泡沫填料的進(jìn)口空氣濕球溫度為21.6℃時(shí)，冷卻效率達(dá)到了88%，空氣從蒸發(fā)冷卻器流出時(shí)，含濕量比在蒸發(fā)冷卻器進(jìn)口時(shí)增加了3.15 g/kg，獲得了非常理想的蒸發(fā)冷卻效果.與其他填料相比［7-8］，泡沫陶瓷是一種理想的蒸發(fā)冷卻填料.在進(jìn)口空氣濕球溫度為21.2℃時(shí)，1層陶瓷泡沫填料的冷卻效率η和加濕量Δw最高分別可以達(dá)到 62.7%和 2.31 g/kg.

圖5 不同空氣進(jìn)口濕球溫度T1s時(shí)的熱質(zhì)傳遞特性

對于1層或者2層填料而言，在進(jìn)口空氣濕球溫度T1s增加時(shí)，冷卻效率η和加濕量Δw都呈現(xiàn)出下降的趨勢.這是因?yàn)?，在干球溫度確定的情況下，濕球溫度的增加必然引起空氣中水蒸氣分壓力的增加，填料上水膜表面飽和空氣的水蒸氣分壓力和過流空氣中水蒸氣分壓力之差變小，水中水分蒸發(fā)驅(qū)動力減小，導(dǎo)致熱質(zhì)傳遞效果變差.

同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)口濕球溫度從21℃左右增加到29℃左右時(shí)，采用2層陶瓷泡沫填料時(shí)的蒸發(fā)冷卻效率η和加濕量Δw仍然是高于1層的，這說明增加填料的厚度加強(qiáng)了蒸發(fā)冷卻效果.

4.3 水和空氣質(zhì)量流量比R(mw/ma)的影響

實(shí)驗(yàn)過程中，蒸發(fā)冷卻器空氣進(jìn)口處的空氣干球溫度T1為35℃，濕球溫度Ts1為22.6℃，水量mw為120 L/h時(shí)，通過改變空氣流量ma來改變水和空氣的質(zhì)量流量比R.實(shí)驗(yàn)仍然分別采用1層填料和2層填料的蒸發(fā)冷卻器作為研究對象.不同R工況下，冷卻效率η和加濕量Δw的變化如圖6所示.

圖6 不同R時(shí)的熱質(zhì)傳遞特性

當(dāng)R較小，即空氣流量ma相對較大時(shí)，蒸發(fā)冷卻的冷卻效果較差，冷卻效率η和加濕量Δw都較小.在R=0.17時(shí)，1層泡沫陶瓷填料對應(yīng)的冷卻效率η和加濕量Δw分別為62%和1.78 g/kg，2層泡沫陶瓷填料對應(yīng)的冷卻效率η和加濕量Δw分別為73%和2.62 g/kg.這是因?yàn)榭諝饬髁孔兇髸r(shí)，空氣流速變大，空氣來不及和水充分地進(jìn)行熱質(zhì)交換就離開了陶瓷泡沫填料，導(dǎo)致了η和Δw的下降.說明在進(jìn)行蒸發(fā)冷卻實(shí)驗(yàn)時(shí)，風(fēng)量不宜選擇過大.水和空氣質(zhì)量流量比較大即空氣流量ma較小的情況下，熱質(zhì)交換條件有所改善，冷卻效率η和加濕量Δw取得了較大的值.可以看到，2層填料的熱質(zhì)傳遞效果仍然都優(yōu)于1層的.

4.4 實(shí)驗(yàn)可靠性分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中測得的蒸發(fā)冷卻器進(jìn)、出口空氣的干、濕球溫度，計(jì)算其各自的焓值.在理想狀況下，空氣和水接觸后發(fā)生的直接蒸發(fā)冷卻過程是一個(gè)等焓的過程，蒸發(fā)冷卻器進(jìn)口和出口的空氣焓值應(yīng)該相等.為了考察本文所做實(shí)驗(yàn)的精確性，將實(shí)驗(yàn)中各種工況下，相對應(yīng)的蒸發(fā)冷卻器進(jìn)、出口空氣焓值表示在圖7中加以比較.可以看出，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)的進(jìn)、出口空氣的焓值差都在10%之內(nèi)，說明實(shí)驗(yàn)裝置是可靠的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可以接受的.

5 結(jié)論

1)氧化鋁陶瓷泡沫填料的冷卻效率可以達(dá)到0.8以上，是一種性能良好的蒸發(fā)冷卻備選填料.

2)在相同實(shí)驗(yàn)條件下，2層陶瓷泡沫的熱質(zhì)傳遞效果優(yōu)于1層，前者的冷卻效率、加濕量都高于后者.

3)進(jìn)口干球溫度升高時(shí)，陶瓷泡沫冷卻效率逐漸減小，加濕量逐漸增加.濕球溫度或者空氣流量的增加，對熱質(zhì)交換的進(jìn)行起著反作用.

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