宋祥龍 黃翔 李鑫 張璐瑤 邱佳

西安工程大學環(huán)境與化學工程學院

立管式間接蒸發(fā)冷卻器實驗初探

宋祥龍 黃翔 李鑫 張璐瑤 邱佳

西安工程大學環(huán)境與化學工程學院

利用現(xiàn)有的臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器搭建了模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器實驗臺，并進行相關(guān)測試，在標準實驗工況下，該模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器最大溫降9.2℃，最高換熱效率62.4%，最佳一次空氣流量為2000～2500m3/h，最佳二次/一次風量比為0.7，最佳淋水密度1197kg/(m·h)。與臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器性能進行對比，該模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器換熱效率略低，二次空氣側(cè)阻力較大?？偨Y(jié)出實際的立管式間接蒸發(fā)冷卻器應(yīng)設(shè)計為大管徑、圓形換熱管，布水方式采用管內(nèi)直接布水。

立管式間接蒸發(fā)冷卻器 臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器 換熱效率 二次/一次風量比 淋水密度 阻力

近年來，管式間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)日益成熟，其產(chǎn)品憑借著換熱效率穩(wěn)定，空氣流動阻力小，成本低及加工工藝簡單等優(yōu)勢，在實際工程中得到廣泛應(yīng)用[1]。但在風沙嚴重的地區(qū)以及含塵濃度較高的部分工藝車間，空氣品質(zhì)較差，在使用管式間接蒸發(fā)冷卻器一段時間后，易發(fā)生換熱管內(nèi)壁結(jié)垢甚至堵塞現(xiàn)象，降低冷卻器換熱效率，縮短使用壽命。而立管式間接蒸發(fā)冷卻器，一次空氣流經(jīng)換熱管外側(cè)，二次空氣與循環(huán)水流經(jīng)換熱管內(nèi)，由于管外較寬的空氣流道以及管內(nèi)循環(huán)水的自沖刷作用，換熱器的堵塞問題大大緩解，同時采用立管式可縮小間接蒸發(fā)冷卻器在水平方向尺寸，減小機組占地面積，因此對立管式間接蒸發(fā)冷卻器的實驗研究具有重要的理論與現(xiàn)實意義。為初步探索立管式間接蒸發(fā)冷卻器的降溫效果，并為今后的設(shè)計提供參考依據(jù)，筆者利用現(xiàn)有的臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器搭建了模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器實驗臺，并進行了相關(guān)的實驗測試。

1 模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器實驗臺

該模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器實驗臺采用的換熱器為現(xiàn)有的額定風量為3000m3/h的臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器，實物如圖1，外形尺寸長×寬×高為：350mm×690mm×1000mm，換熱管為橢圓管，長軸25mm、短軸20mm，共226根，管長1m，管材為金屬鋁箔[2]。為使換熱管內(nèi)壁形成均勻的貼附水膜[3]，實驗中將換熱管內(nèi)原有的螺旋擾流線抽出。

圖1 模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器

實驗臺采用單風機壓入式，其結(jié)構(gòu)示意如圖2，室外空氣經(jīng)壓入式送風機進入進風管，并分為兩部分，一部分作為一次空氣流經(jīng)換熱管外側(cè)，另一部分作為二次空氣進入換熱管內(nèi)側(cè)。實驗臺實物如圖3。

圖2 模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器實驗臺結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器實驗臺實物圖

本次實驗的地點為陜西咸陽，測試時間為9月。實驗采用全新風，共布置六個測點：①風機后；②循環(huán)水箱；③模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器二次空氣進口；④模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器二次空氣出口；⑤一次空氣送風管；⑥二次空氣送風管。通過測量空氣的溫度、相對濕度、循環(huán)水水溫以及風壓，得出模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器換熱效率、空氣阻力。實驗測試儀器如表1所示。

表1 實驗測試儀器及測量內(nèi)容

與板翅式、管式間接蒸發(fā)冷卻器的性能評價相同，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器的換熱效率[4]為：

式中：tg1為空氣進口干球溫度，℃；tg2為空氣出口干球溫度，℃；ts1為空氣進口濕球溫度，℃。

調(diào)節(jié)一、二次空氣調(diào)節(jié)閥的開度以及風機頻率，測量在不同風量下立管式間接蒸發(fā)冷卻器的換熱效率，得出實驗工況下最佳系能參數(shù)。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 最佳一次空氣流量測試

測試過程中，空氣進口干球溫度變化范圍32.0～ 35.0℃、濕球溫度變化范圍21～22.2℃，屬干燥地區(qū)工況。當二次/一次風量比β分別為0.5，0.7，1，1.2，1.5時，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器換熱效率隨一次空氣流量的變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 換熱效率隨一次空氣流量的變化關(guān)系

從圖4可以看出，在不同的二次/一次風量比下，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器的換熱效率隨著一次空氣流量的增加均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。當一次空氣流量較小時，風速較低，貼近換熱管的部分一次空氣包覆在換熱管外壁形成穩(wěn)定的層流區(qū)甚至滯留區(qū)，影響外側(cè)空氣與換熱管的熱量交換；當一次空氣流量較大時，風速較高，空氣與換熱管接觸時間較短，換熱不充分。因此模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器存在最佳一次空氣流量，由圖4可得，在實驗工況下，最佳一次空氣流量集中在2000～2500m3/h之間，略低于臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器的的額定風量3000m3/h。當二次/一次風量比為1.5、一次空氣流量為2000 m3/h時，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器換熱效率達到最高的62.4%，此時溫降7.1℃。由于進風參數(shù)的波動性，當二次/一次風量比為1.0、一次空氣流量為2500m3/h時，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器溫降最大，達9.2℃，此時換熱效率為61.2%。

2.2 最佳二次/一次風量比測試

根據(jù)得出的最佳一次空氣流量范圍，實驗測試一次空氣流量為2000m3/h、2500m3/h、3000m3/h時，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器的換熱效率隨二次/一次風量比β的變化關(guān)系，如圖5所示。

圖5 換熱效率隨二次/一次風量比β的變化關(guān)系

由圖5可以看出，在不同的一次空氣流量下，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器換熱效率隨二次/一次風量比β的增大而升高，并最終趨于平緩。當β值較小時，二次空氣流量較小，與管內(nèi)壁貼附的循環(huán)水膜熱濕交換不充分，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器換熱效率較低，隨著二次空氣流量的增大，換熱效率不斷升高，當二次空氣流量過大時，由于風速過高，造成嚴重的排風帶水現(xiàn)象，管內(nèi)壁無法形成均勻的貼附水膜，影響實驗的進行[5]。因此，基于本次實驗的測試范圍內(nèi)，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器換熱效率隨二次/一次風量比β的增大而升高，當β值大于0.7時，效率增加緩慢，并最終趨于平緩，因此考慮經(jīng)濟因素，該模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器最佳二次/一次風量比為0.7，與臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器的測試結(jié)果相同[6]。

2.3 最佳淋水密度測試

模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器，循環(huán)水貼附在換熱管內(nèi)壁與二次空氣進行熱濕交換降溫，淋水密度的不同直接影響間接蒸發(fā)冷卻器的換熱效率。因此本實驗對該模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器的最佳淋水密度進行測試，測試過程中將一次空氣調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，使二次空氣與循環(huán)水在換熱管內(nèi)接觸進行直接蒸發(fā)冷卻，通過計算出的直接蒸發(fā)效率來間接尋求模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器的最佳淋水密度。

圖6 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

根據(jù)得出最佳一次空氣流量及最佳二次/一次風量比，實驗選取兩組二次空氣流量2000m3/h、2500m3/h及五組淋水密度706kg/(m·h)、1009kg/(m·h)、1197kg/ (m·h)、1609kg/(m·h)、2057kg/(m·h)、2637kg/(m·h)，共十種工況，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6。

從圖6可以看出，隨著淋水密度的增大，直接蒸發(fā)冷卻效率先升高而后趨于平緩。當淋水密度較小時，水量不足，換熱管內(nèi)壁存在“干斑”，效率較低。隨著淋水密度增大，直接蒸發(fā)冷卻效率逐漸升高，當管內(nèi)壁形成均勻的貼附水膜時，繼續(xù)增大淋水密度，直接蒸發(fā)冷卻效率并無明顯改善[7]。因此本著節(jié)水、減小空氣阻力的原則，當換熱管內(nèi)壁形成均勻貼附水膜時對應(yīng)的淋水密度即為該模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器的最佳淋水密度，由圖6可得，在實驗工況下，該模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器最佳淋水密度為1197kg/(m·h)。

2.4 阻力測試

當風量為2000m3/h、2500m3/h、3000m3/h時，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器管外一次空氣流道及管內(nèi)二次空氣流道的阻力如表2所示，其中二次空氣流道阻力測試過程中淋水密度為1714kg/(m·h)。

表2 不同風量下立管式間接蒸發(fā)冷卻器空氣流道阻力

一次空氣流經(jīng)管外，流道較寬且空氣流程較短，僅350mm，因此模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器一次空氣流道阻力較小，在測試風量范圍內(nèi)不超過25Pa。二次空氣流經(jīng)管內(nèi)，由于管徑較小，管型為橢圓管且管內(nèi)噴淋循環(huán)水，因此二次空氣流道阻力較大，在實驗測試工況下，二次空氣流量為3000m3/h時空氣阻力達565Pa，遠超過同等風量下臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器管內(nèi)空氣阻力154Pa[8]。

2.5 與臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器性能對比

實驗中采用的模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器，在近似相同的進風參數(shù)下，其降溫性能與作為臥式使用的降溫性能對比如表3所示[9]。

由表3可以看出，在相同進風參數(shù)、相同二次/一次風量比下，該模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器空氣處理溫降、換熱效率均略低于其作為臥式使用的效果，因此實際的立管式間接蒸發(fā)冷卻器應(yīng)根據(jù)其換熱機理進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計。

表3 立式使用與臥式使用降溫效果對比

3 結(jié)論

1）為探索立管式間接蒸發(fā)冷卻器降溫潛力，利用現(xiàn)有臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器搭建了模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器實驗臺。經(jīng)測試，在干燥地區(qū)氣象參數(shù)下，該模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器具有良好的降溫性能，最大溫降9.2℃，最高換熱效率62.4%；最佳一次空氣流量在2000～2500m3/h之間；最佳二次/一次風量比為0.7，最佳淋水密度1197kg/(m·h)。

2）相同的間接蒸發(fā)冷卻器，通過其作為立式使用與臥式使用時的降溫性能對比可得，兩者最佳二次/一次風量比相同，但其作為立管式間接蒸發(fā)冷卻器使用時，降溫換熱系能略低，最佳一次空氣流量較小，管內(nèi)空氣阻力較大。

3）鑒于實驗使用的模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器為臥式管式間接蒸發(fā)冷卻器，換熱管管徑較小，管型為異型管（橢圓管），因此空氣阻力較大，管內(nèi)壁無法形成均勻的貼附水膜，模擬立管式間接蒸發(fā)冷卻器的換熱性能略低。今后在實際的立管式間接蒸發(fā)冷卻器設(shè)計中建議為大管徑，圓形換熱管，并采用管內(nèi)直接布水方式?？傊诒緦嶒炈鶞y換熱效果的基礎(chǔ)上，可以預測，實際的立管式間接蒸發(fā)冷卻器將具有更好的降溫效果和更小的水平尺寸，彌補間接蒸發(fā)冷卻器在使用中存在的易堵、占地面積大等不足，這將在后續(xù)的研究中進一步通過實驗來加以驗證。

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The Pre lim ina ry Expe rim e nta l Study on Ve rtic a l Tube-Type Indire c t Eva pora tive Coole r

SONG Xiang-long,HUANG Xiang,LI Xin,ZHANG Lu-yao,QIU Jia
College of Environmental and Chemical Engineering,Xi’an Polytechnic University

Using the horizontal tubular indirect evaporative cooler to set up vertical tube-type indirect evaporative cooler test bench,it is concluded that the vertical tube-type cooler can reduce the temperature about 9.2℃with 62.4% efficiency.The best product air flow is 2000～2500m3/h,and the best working/product air ratio is 0.7,and the best water pouring density is 1197kg/(m·h).By comparing with horizontal tubular cooler,the vertical tubular cooler has a lower efficiency and a higher air resistance,and the real vertical tubular indirect evaporative cooler should have a rounded, heavy caliber heat exchanger tube,spray water in the tube directly.

vertical tube-type indirect evaporative cooler,heat exchange efficiency,working/product air flow ratio, optimal spraying consistency

1003-0344（2015）03-052-4

2013-12-17

宋祥龍（1989～），男，碩士研究生；陜西省西安市金花南路19號西安工程大學（710048）；E-mail:lelexianglong@163.com

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目（2011KTCQ01-10）