(上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海200240)

空調(diào)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于商用和民用建筑中[1]，而常規(guī)壓縮式空調(diào)制冷系統(tǒng)消耗大量電能，因此必須尋找簡易、可靠、節(jié)能的空氣調(diào)節(jié)方法。在高溫低濕地區(qū)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)提供了良好的選擇，該系統(tǒng)依靠水的蒸發(fā)冷卻原理實現(xiàn)降溫，當(dāng)處理空氣濕球溫度較低時，具有較好的冷卻降溫能力，可替代傳統(tǒng)空調(diào)。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)無需使用化學(xué)制冷劑和壓縮機(jī)，相對于傳統(tǒng)空調(diào)而言，其結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能環(huán)保，只需傳統(tǒng)空調(diào)1/4的電能[2]。蒸發(fā)冷卻通?？梢苑譃?種：直接蒸發(fā)冷卻、間接蒸發(fā)冷卻和露點蒸發(fā)冷卻。

直接蒸發(fā)冷卻是一種簡單的蒸發(fā)冷卻技術(shù)，利用水與干燥空氣接觸會蒸發(fā)吸熱的原理，如圖1(a)所示，熱力學(xué)過程如圖1(b)所示，空氣從工況點1經(jīng)過等焓過程達(dá)到工況點2，溫度下降，同時濕度上升，其理論極限是濕球溫度T1,wet。

圖1 直接蒸發(fā)冷卻原理及熱力過程Fig.1 Principle and thermodynamic process of of direct evaporation cooling

間接蒸發(fā)冷卻通常具有干濕兩個分離的通道，優(yōu)點在于干通道氣體濕度不會變化，如圖2(a)所示。但由于濕通道的蒸發(fā)冷卻過程仍然受空氣T1,wet的限制，因而干通道溫度也無法

圖2 間接蒸發(fā)冷卻原理及熱力過程Fig.2 Principle and thermodynamic process of indirect evaporation cooling

露點蒸發(fā)冷卻由干濕兩個通道構(gòu)成，是一種間接蒸發(fā)冷卻的改進(jìn)技術(shù)，在合理的設(shè)計下，可以突破直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻的溫降極限，將干通道濕度降至T1,wet以下[3-5]，且不增加干通道空氣濕度。典型露點蒸發(fā)冷卻方案有再生式蒸發(fā)冷卻循環(huán)和M循環(huán)兩種，其結(jié)構(gòu)原理及熱力過程如圖3所示。再生式蒸發(fā)冷卻循環(huán)結(jié)構(gòu)較為簡單，空氣在干通道出口處分流，一部分作為新風(fēng)排出，另一部分作為再生風(fēng)進(jìn)入濕通道蒸發(fā)冷卻[5]。

圖3 露點蒸發(fā)冷卻原理及熱力過程Fig.3 Principle and thermodynamic process of dew point evaporation cooling

再生式蒸發(fā)冷卻循環(huán)結(jié)構(gòu)相對簡單，國內(nèi)外對再生式蒸發(fā)冷卻效率的實驗和數(shù)值研究較多[5-7]。在相同實驗條件和相似物理尺寸條件下，對流式熱交換器相對于交叉流式換熱器具有更好的冷卻能力(約提升20%)，更好的露點效率和濕球效率，但交叉流換熱器相對具有更高的COP[8]。B. Riangvilaikul等[9]搭建了一個對流式結(jié)構(gòu)露點蒸發(fā)系統(tǒng)，且對出口空氣和系統(tǒng)在不同空氣條件(溫度、濕度、速度)下的濕球效率進(jìn)行了探究，研究表明：在進(jìn)氣風(fēng)速<2.5 m/s，通道間隙<5 mm，通道高度>1 m，空氣比例約為35～60%時，所有典型進(jìn)氣條件下的濕球效率均>100%[10]。Zhao X. 等[11-12]對對流式露點蒸發(fā)系統(tǒng)的熱質(zhì)交換進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值分析，表明露點蒸發(fā)系統(tǒng)在一定條件下可以達(dá)到130%的濕球效率和90%的露點效率。J. Lee等[13]設(shè)計制作了翅片管式的露點蒸發(fā)系統(tǒng)，對系統(tǒng)中工作氣體分離比例、通道壓降、供水情況進(jìn)行了探究。Lin J. 等[3]提出了一種改進(jìn)的對流式單級露點蒸發(fā)制冷器的數(shù)學(xué)模型，考慮了縱向熱傳導(dǎo)、氣流的質(zhì)量擴(kuò)散、通道壁和水薄膜及其溫差等因素。通道高度和環(huán)境溫濕度對制冷效率有較大影響[14]，較大的通道高度降溫效率會下降，但風(fēng)壓會變小，可用于大風(fēng)量需求場景[7]。目前，露點蒸發(fā)系統(tǒng)仍具有對環(huán)境條件要求較高和幾何尺寸較大等缺點，若要達(dá)到較好的降溫效果和理想的尺寸，還需要與其他設(shè)備聯(lián)合使用[14-15]。

綜上所述，目前針對再生式蒸發(fā)冷卻的研究仍集中于一定的結(jié)構(gòu)和工況下對其可獲得低于濕球溫度送風(fēng)的驗證，而對影響再生式蒸發(fā)冷卻的結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)影響分析較少。因此，本文通過實驗臺測試和分析研究供水水溫、新風(fēng)溫度、干通道風(fēng)速、新風(fēng)濕度對再生式蒸發(fā)冷卻效率的影響。

1 實驗系統(tǒng)介紹

本文搭建了一套對流式再生蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由供水系統(tǒng)、換熱器核心、新風(fēng)系統(tǒng)3個子系統(tǒng)構(gòu)成，其中換熱器核心是最主要部件。換熱器核心由50個逆流布置的干/濕通道組成(圖4(a))，干通道和濕通道均使用鋁板和有機(jī)玻璃制作，其詳細(xì)參數(shù)如表1所示。將干通道與濕通道用膠水貼合便可以得到換熱器核心(圖4(b))，新風(fēng)從下方入口通道進(jìn)入干通道，送風(fēng)從上方出口吹出，圖5所示為實驗設(shè)備中換熱器核心的實物圖。供水系統(tǒng)主要由水泵和噴頭組成，新風(fēng)系統(tǒng)包括可變速風(fēng)機(jī)和閥門，所用設(shè)備型號如表2所示。

表1 換熱器尺寸Tab.1 The geometric dimensions of heat exchanger

表2 實驗設(shè)備零部件型號Tab.2 The model of test equipment parts

整個實驗設(shè)備在焓差實驗室中進(jìn)行實驗，設(shè)備有一個進(jìn)風(fēng)口和兩個出風(fēng)口(再生風(fēng)和送風(fēng))。空氣由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，通過干通道以后分為再生風(fēng)和新風(fēng)兩部分，再生風(fēng)進(jìn)入濕通道進(jìn)行蒸發(fā)冷卻，新風(fēng)作為目標(biāo)空氣吹出，如圖6所示。新風(fēng)風(fēng)速可以通過風(fēng)機(jī)控制，再生風(fēng)風(fēng)速可以通過閥門控制，干通道風(fēng)速由新風(fēng)和再生風(fēng)共同決定。設(shè)備送風(fēng)出口和新風(fēng)入口安裝有溫濕度傳感器。

圖4 再生式換熱器的干/濕通道與空氣流向Fig.4 Dry/wet channels and air flow direction of regenerative heat exchanger

圖5 實驗設(shè)備中的再生式換熱器Fig.5 Regenerative heat exchanger in experimental equipment

圖6 再生式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)Fig.6 Regenerative evaporative cooling system

2 實驗測量及誤差分析

實驗中需要采集的數(shù)據(jù)包括干球溫度、相對濕度和及風(fēng)速，通過安裝在干通道進(jìn)/出風(fēng)口的傳感器檢測進(jìn)/出口溫度和濕度，通過熱敏風(fēng)速風(fēng)量計測量進(jìn)/出口風(fēng)速，實驗裝置如圖7所示。實驗中采集數(shù)據(jù)的實驗裝置參數(shù)如表3所示。

空氣溫降：

T=Tin-Td

(1)

濕球效率[9]：

(2)

露點效率[9]：

(3)

式中：Tin為新風(fēng)口溫度，℃；Td為干通道出風(fēng)口溫度，℃；Tw為濕球溫度，℃。

實驗結(jié)果絕對誤差[16]：

(4)

實驗結(jié)果相對誤差[16]：

(5)

實驗中測量的Tin、Td的絕對誤差為±0.2干球溫度(℃)，相對誤差小于±0.6%。T的絕對誤差為±0.28 ℃，相對誤差小于±4%。εw絕對誤差小于±0.03，相對誤差小于±3.4%。εd的絕對誤差小于±0.23，相對誤差小于±2.4%。

圖7 再生式蒸發(fā)冷卻實驗設(shè)備Fig.7 The experimental equipment of Regenerative evaporative cooling

3 結(jié)果分析與討論

為了探究再生式蒸發(fā)冷卻最合適的使用場景，本文搭建了對流式再生式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，用實驗的方式對再生式蒸發(fā)冷卻循環(huán)的部分影響因子進(jìn)行了研究。對于一個既定的再生式蒸發(fā)冷卻循環(huán)系統(tǒng)，其可變的外部因子主要有供水溫度Tw、新風(fēng)溫度Tia、新風(fēng)相對濕度RH和干通道風(fēng)速Vd，以上4個影響因子也是使用場景的主要變量，本文主要對以上4個因子對再生式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的影響進(jìn)行實驗研究。

本文以進(jìn)出口溫降T、系統(tǒng)濕球效率εw、系統(tǒng)露點效率εd為基礎(chǔ)衡量系統(tǒng)制冷效果。

3.1 供水水溫對系統(tǒng)制冷效率的影響

影響系統(tǒng)換熱效率的內(nèi)部因子主要是供水體積流量、供水水溫、新風(fēng)風(fēng)速，外部因子主要是新風(fēng)溫濕度。圖8所示為供水水溫分別為13、18、24、28、31 ℃時，進(jìn)出口空氣溫差隨時間的變化，其他影響因子參數(shù)如表4(a)所示。

實驗結(jié)果顯示，當(dāng)供水水溫為13 ℃時，T≈6.5 ℃，εw=95%，εd=72%；當(dāng)供水水溫為31 ℃時，T=3.3 ℃，εw=48%，εd=36.7%。在環(huán)境和設(shè)備其他條件不變的情況下，隨著供水水溫的上升，T變小，系統(tǒng)制冷效率下降。

表3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備參數(shù)Tab.3 Parameters of data collection equipment

該再生式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在水溫恒定的情況下，存在顯熱溫降和潛熱溫降兩個熱力學(xué)過程。在潛熱溫降過程中，濕通道的水薄膜蒸發(fā)冷卻，從而冷卻所接觸空氣，將冷量傳遞給干通道，此過程依靠水薄膜的潛熱降溫；在顯熱溫降過程中，由于水薄膜溫度<干通道空氣溫度，水薄膜顯熱變化進(jìn)一步降低了干通道空氣溫度。因此空氣的溫降(T)等于顯熱降溫(TS)和潛熱降溫(TL)之和，即T=TS+TL。若將本系統(tǒng)的噴水系統(tǒng)設(shè)計為循環(huán)系統(tǒng)，將供水系統(tǒng)噴出的水收集起來再次用于噴水而不斷循環(huán)，則水溫隨著系統(tǒng)穩(wěn)定且逐漸穩(wěn)定在30 ℃左右，此時系統(tǒng)T=3.5 ℃，這也是該系統(tǒng)的潛熱降溫。當(dāng)水溫低于僅進(jìn)行潛熱交換時的穩(wěn)態(tài)水溫時，顯熱溫降過程中的水薄膜吸收干通道的熱量，使新風(fēng)溫度更低；當(dāng)水溫高于僅進(jìn)行潛熱交換時的穩(wěn)態(tài)水溫時，顯熱降溫過程中的水薄膜會傳遞多余熱量給干通道，使新風(fēng)溫度更高。

表4 主要實驗工況Tab.4 Main experimental conditions

圖8 不同水溫的溫降曲線Fig.8 The curves of temperature drop with different water temperatures

由圖8可知，在工作開始至15 min以內(nèi)，溫降持續(xù)增加，且水溫越低，降溫越快。系統(tǒng)工作約25 min以后，系統(tǒng)基本處于穩(wěn)態(tài)。表5匯總了不同水溫下進(jìn)出口溫降穩(wěn)定的時間。表5和圖8表明，水溫在13～31 ℃時，系統(tǒng)穩(wěn)定的時間基本沒有變化。

表5 不同工作時間下的溫降情況Tab.5 Temperature drops at different working hours

3.2 濕度對系統(tǒng)制冷效率的影響

新風(fēng)相對濕度是系統(tǒng)換熱性能的關(guān)鍵因素之一。本文研究了系統(tǒng)在新風(fēng)相對濕度分別為31.5%、35.5%、40%、50%、60%時的性能，其他影響因子參數(shù)如表4(b)所示。圖9所示為新風(fēng)相對濕度與溫降和濕球效率的變化，圖10所示為新風(fēng)相對濕度與溫降和露點效率的變化。由圖9和圖10可知，在RH=31.5%條件下，T可達(dá)5.6 ℃，εw=47.45%、εd=29.87%；而在RH=60%條件下，T≈3.4 ℃，但εw可達(dá)54%，εd=39.47%。因此，隨著RH的升高，系統(tǒng)εd和εd逐漸增大，但T逐漸減小。

圖9 新風(fēng)相對濕度與濕球效率/溫降的關(guān)系Fig.9 The relationship between relative humidity of fresh air and wet bulb efficiency/temperature drop

圖10 新風(fēng)相對濕度與露點效率/溫降的關(guān)系Fig.10 The relationship between relative humidity of fresh air and dew bulb efficiency/temperature drop

數(shù)據(jù)表明：在供水溫度恒定情況下，新風(fēng)相對濕度對進(jìn)/出口溫降的絕對值和系統(tǒng)濕球/露點效率的影響是相反的。在相對濕度較低的環(huán)境中，空氣中的水蒸氣分壓較小，在此條件下水更容易蒸發(fā)進(jìn)入空氣，從而蒸發(fā)吸熱制冷，T更大。在低溫環(huán)境下空氣的濕球溫度更低，由于本文實驗系統(tǒng)引入了水薄膜的顯熱溫降過程，使系統(tǒng)濕球溫度下降的幅度大于制冷系統(tǒng)制冷效果提高的幅度，因此εw逐漸降低。

3.3 風(fēng)速對系統(tǒng)制冷效率的影響

風(fēng)速是系統(tǒng)制冷效率的關(guān)鍵因素，為探究風(fēng)速的影響，對Vd=1.5、2.6 m/s的系統(tǒng)分別進(jìn)行實驗，實驗具體參數(shù)如表4(c-d)所示，實驗結(jié)果如圖11所示。由圖11可知：當(dāng)Vd=1.5 m/s時，T=6.1 ℃，可得εw=55%，εd=38%；當(dāng)Vd=2.6 m/s時，T=5.8 ℃，可得εw=52%，εd=36%。風(fēng)速對系統(tǒng)的影響主要有：1)風(fēng)速增大，穩(wěn)態(tài)下溫降數(shù)值變小，同時制冷效率下降；2)在系統(tǒng)運行初始階段，風(fēng)速越大，溫度下降速度越快。

圖11 風(fēng)速與溫降的關(guān)系Fig.11 The relationship between wind speed and temperature drop

風(fēng)速過大使?jié)裢ǖ赖恼舭l(fā)冷卻效率下降，影響穩(wěn)定狀態(tài)下的溫降效果。同時，風(fēng)速增大使傳熱效率更高，從而降溫速度更快。

圖12 新風(fēng)溫度與溫降和制冷效率的關(guān)系Fig.12 The relationship between temperature of fresh air and temperature drop/refrigeration efficiency

3.4 新風(fēng)溫度對制冷濕球效率的影響

圖12所示為新風(fēng)溫度分別為26、28、30、33、35 ℃時，系統(tǒng)溫降和濕球/露點效率的變化，其他實驗參數(shù)如表4(e)所示。由圖12可知，新風(fēng)溫度為26 ℃時，T=3.0 ℃，εw=37%,εd=24%；新風(fēng)溫度為35 ℃時，T=5.2 ℃，εw=51.87%,εd=36.93%。在環(huán)境相對濕度恒定條件下，制冷系統(tǒng)的進(jìn)出口平均溫降隨著環(huán)境溫度的升高而逐漸增大，εw和εd也逐漸升高。

在相對濕度恒定情況下，空氣溫度升高，則空氣中蒸汽分壓力和飽和蒸汽分壓力均會升高，且飽和蒸汽分壓力升高的幅度大于蒸汽分壓力的提升，因而空氣的吸濕性更強(qiáng)，水薄膜更容易蒸發(fā)到空氣中。水薄膜的蒸發(fā)能力會直接影響制冷系統(tǒng)的制冷效果，因此相對濕度不變的情況下，制冷系統(tǒng)的制冷效率會隨著空氣溫度的上升而升高。

4 結(jié)論

本文使用鋁板制作了對流式再生蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)并進(jìn)行了實驗研究，研究新風(fēng)溫濕度、干通道風(fēng)速等影響因子對系統(tǒng)冷卻能力的影響，得到如下結(jié)論：

1)當(dāng)供水水溫在15～30 ℃之間，新風(fēng)溫度為35 ℃，供水體積流量為0.27 L/min，相對濕度為60%，新風(fēng)風(fēng)速為1.5 m/s時，系統(tǒng)進(jìn)/出口溫降在前15 min內(nèi)溫降速度較快，且系統(tǒng)在25 min左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。再生式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的降溫速度較快，實際應(yīng)用效果較好。

2)供水水溫越低，系統(tǒng)顯熱溫降的效果更明顯，系統(tǒng)總體降溫效果越好；在實際應(yīng)用中，適當(dāng)降低供水水溫可得到較好的制冷效果。

3)隨著新風(fēng)相對濕度的提高，溫降數(shù)值變小，但濕球效率變大。當(dāng)供水水溫為24 ℃，新風(fēng)溫度為35 ℃，供水體積流量為0.27 L/min，新風(fēng)風(fēng)速為1.5 m/s，而新風(fēng)相對濕度從31.5%增至60%時，進(jìn)/出口溫降從5.6 ℃降至3.4 ℃，濕球效率從47.45%增至54%。

4)干通道風(fēng)速越大，制冷效果越差，但溫降速度更快。當(dāng)供水水溫為24 ℃，新風(fēng)溫度為35 ℃，供水體積流量為0.27 L/min，新風(fēng)相對濕度為40%，而新風(fēng)風(fēng)速從1.5 m/s增至2.6 m/s時，進(jìn)/出口溫降從6.1 ℃降至5.8 ℃，但溫降時間縮短。

5)新風(fēng)溫度越高，系統(tǒng)濕球效率越高，溫降越大。當(dāng)供水水溫為24 ℃，供水體積流量為0.27 L/min，新風(fēng)相對濕度為45%，新風(fēng)風(fēng)速為1.5 m/s，而新風(fēng)溫度從26 ℃增至35 ℃時，進(jìn)/出口溫降從3.0 ℃增至5.2 ℃。

6)對于可以提供恒定水溫的再生式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，降低風(fēng)速和水溫可以提高系統(tǒng)的制冷效果，但可以通過提高風(fēng)速達(dá)到更快的降溫速度。同時，在高溫低濕的環(huán)境下再生式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的效果最好。

本文受上海市浦江計劃課題(18PJD021)項目資助。(The project was supported by the Shanghai Pujiang Project(No.18PJD02).)