褚俊杰 徐 偉 黃 翔 賀紅霞

（1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京，100013；2.西安工程大學(xué)，陜西西安，710048）

1 間接蒸發(fā)冷卻器高效換熱材料

蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)建筑、公共建筑和居住建筑中，在紡織空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用案例也越來越多，越來越受到人們的關(guān)注［1］。在間接蒸發(fā)冷卻的干濕通道中，由于熱濕傳遞過程的不同，對(duì)于材料的要求也不同。正因如此，在對(duì)間接蒸發(fā)冷卻的研究過程中，材料的親水性能一直是研究的重點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者也做了大量的工作。

毛秀明等［2］提出了一種多孔陶瓷間接蒸發(fā)冷卻器，建立試驗(yàn)臺(tái)并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試分析，多孔陶瓷的親水性能有效提高間接蒸發(fā)冷卻器的換熱性能。黃翔等［3］提出在管式間接蒸發(fā)冷卻器的表面包覆一層吸濕性材料，并且進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究，以驗(yàn)證其使用效果。樊麗娟［4］通過對(duì)比分析指出，采用親水鋁箔管材，在管外包覆不銹鋼網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料、金屬纖維織物或丙綸織物，在換熱管外涂敷有機(jī)、無機(jī)復(fù)合親水膜，是幾種行之有效的增強(qiáng)管式間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中換熱管傳熱傳質(zhì)的措施。XU P等［5-7］從各種纖維織物試驗(yàn)測(cè)試中得出，與常用于間接蒸發(fā)冷卻器濕通道表面的介質(zhì)牛皮紙相比，大部分紡織面料在水分毛細(xì)作用下?lián)碛袃?yōu)越的特性、更大的擴(kuò)散系數(shù)和更好的蒸發(fā)能力，基于此開發(fā)了一種超高能效的逆流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器，實(shí)測(cè)間接蒸發(fā)冷卻器C O P（能效比）最高可達(dá)52.5。DUAN Z等［8-9］對(duì)比測(cè)試了多種多孔纖維材料的毛細(xì)芯吸高度隨時(shí)間變化的過程，為間接蒸發(fā)冷卻器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。褚俊杰等［10］通過測(cè)試6種親水性材料樣品的芯吸高度、滴水?dāng)U散性、吸濕放濕性及表面結(jié)構(gòu)，對(duì)材料的親水性能進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比，發(fā)現(xiàn)選用優(yōu)良的親水性材料可大幅挖掘露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的效率潛力。BRUNO F［11］建造了一個(gè)叉流式換熱器，使用一種特殊的介質(zhì)提高濕通道的親水性能且水分不能透過干燥通道，測(cè)試表明這種換熱器的露點(diǎn)效率為75%，在給定的運(yùn)行條件下仍然相對(duì)較低。ELOY V G等［12］進(jìn)行了基于聚碳酸酯的間接蒸發(fā)冷卻熱交換器的試驗(yàn)研究，受益于低成本和低質(zhì)量且沒有腐蝕問題，受低導(dǎo)熱系數(shù)限制板不能太厚。研究表明，過高的室外空氣溫度和空氣流速促進(jìn)了系統(tǒng)冷卻性能的增加。

通過上述文獻(xiàn)可以看出，提高間接蒸發(fā)冷卻器高效換熱材料的親水性，往往采取以下3種方法。一是冷卻器自身采用親水性材料制造，例如用多孔陶瓷制作的冷卻器；二是在冷卻器材料表面涂上親水化學(xué)涂層，例如在金屬材料表面涂上一層親水涂層；三是在冷卻器材料表面附上親水纖維片，例如在冷卻器表面附上一種吸濕快干的纖維材料。

在間接蒸發(fā)冷卻器中，由于其結(jié)構(gòu)緊湊、流道狹窄，冷卻器濕通道表面材料的親水性會(huì)極大地影響冷卻器的冷卻效率和性能。本研究采用的聚丙烯高分子材料、金屬鋁箔材料、植物纖維聚合物材料是間接蒸發(fā)冷卻換熱器中應(yīng)用最普遍的3類材料，通過接觸角、噴霧布水、噴淋布水測(cè)試等方法對(duì)其親水性和布水均勻性進(jìn)行分析與對(duì)比。

2 材料接觸角試驗(yàn)

2.1 材料選擇與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用的材料類型及特征如表1所示。使用OCA型接觸角測(cè)量儀對(duì)材料表面的液滴進(jìn)行角度測(cè)量，通過電腦屏幕將接觸角測(cè)量過程清晰地反映成圖像形式，通過軟件內(nèi)部用Young-Laplace方程擬合計(jì)算接觸角。具體測(cè)試方法：使用SNS052型針頭注射器進(jìn)行滴液，液滴體積控制在2μL～3μL；通過電腦準(zhǔn)確控制液滴體積，出液后按上下移動(dòng)按鈕，使固體材料在載物臺(tái)上移動(dòng)，到達(dá)液滴位置接住液滴；待液滴在固體材料上鋪展平穩(wěn)后，點(diǎn)擊電腦進(jìn)行圖像抓拍，電腦根據(jù)抓拍的圖像自動(dòng)進(jìn)行接觸角計(jì)算。試驗(yàn)準(zhǔn)備的材料如圖1所示。

表1 試驗(yàn)材料類型及特征

圖1 試驗(yàn)準(zhǔn)備的材料

將3種材料裁剪成尺寸均為25 mm×60 mm的試樣，接觸角試驗(yàn)不允許試樣平面影響測(cè)量結(jié)果，對(duì)試樣進(jìn)行平整處理保證平面的水平一致性，最后對(duì)試樣進(jìn)行清洗烘干后使用，試驗(yàn)前不能觸碰試樣表面，對(duì)于植物纖維聚合物材料因其厚度薄，需用載物臺(tái)承載試樣到鏡頭中央。液體試樣為接觸角試驗(yàn)常用的去離子水和甘油（丙三醇），試驗(yàn)環(huán)境溫度20℃。

2.2 結(jié)果與討論

浸潤是液體與固體平面接觸后發(fā)生鋪展或潤濕的動(dòng)態(tài)過程，如果浸潤對(duì)象是固體材料，那么浸潤是固體材料與液體的相互作用，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)液體可以保證固定形狀即為靜態(tài)浸潤［13］。靜態(tài)浸潤存在兩種情況。一種是經(jīng)過一定時(shí)間液體完全附著于固體表面，液體在固體表面沒有任何形狀，此時(shí)接觸角為0°；第二種是液體沒有完全附著于固體表面，而是經(jīng)過一定時(shí)間達(dá)到平衡后以某種形狀存在于固體表面，此時(shí)接觸角為非零接觸角［14］。本試驗(yàn)通過對(duì)3種固體材料與去離子水的接觸角測(cè)量，以接觸角大小來判斷材料親水性的優(yōu)劣。

每種固體材料7個(gè)試樣，共測(cè)試7次，測(cè)試液體滴定量為3μL，固體材料接觸液滴2 s～3 s達(dá)到平衡后開始抓拍，測(cè)量接觸角形式為靜態(tài)接觸角。記錄每次試驗(yàn)取平衡時(shí)間后的30組接觸角數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值，結(jié)果如表2所示。聚丙烯高分子材料接觸角極大值與極小值差為8.81°，金屬鋁箔材料接觸角極大值與極小值差為7.90°。

表2 材料接觸角測(cè)量數(shù)值

分析聚丙烯高分子材料和金屬鋁箔材料的接觸角，聚丙烯高分子材料的接觸角大于90°，為疏水材料，金屬鋁箔材料的接觸角小于90°，為親水材料，金屬鋁箔材料的親水性好于聚丙烯高分子材料，反映出聚丙烯高分子材料親水性差。作為濕通道材料，潤濕性能差，空氣水膜形成慢、消失快，使得空氣與水換熱不充分，影響換熱效率。如果在間接蒸發(fā)冷卻器中使用，可采取通用的親水方法，在聚丙烯高分子材料表面涂抹親水涂層，可以提高表面極性，減小接觸角，增加材料親水性。

植物纖維聚合物材料的接觸角，經(jīng)過測(cè)量發(fā)現(xiàn)，液滴在植物纖維聚合物材料上是完全浸潤的過程，用動(dòng)態(tài)記錄功能設(shè)置記錄為25幀/s，當(dāng)液滴從滴下到與材料接觸再到完全附著，總共記錄17組數(shù)據(jù)，如圖2所示。接觸角無法達(dá)到平衡并形成穩(wěn)定形狀，此時(shí)接觸角為0°，其親水性是3種材料中最好的，應(yīng)用于濕通道會(huì)有較好的換熱效率。

圖2 植物纖維聚合物材料浸潤過程

試驗(yàn)表明，3種材料的接觸角從大到小依次為聚丙烯高分子材料、金屬鋁箔材料、植物纖維聚合物材料，親水性優(yōu)先排序依次為植物纖維聚合物材料、金屬鋁箔材料、聚丙烯高分子材料。

3 噴霧布水試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

噴霧布水試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，包括測(cè)試材料、高壓霧化噴嘴、接水網(wǎng)格、水泵、補(bǔ)水箱和試驗(yàn)臺(tái)。

圖3 噴霧布水試驗(yàn)臺(tái)示意圖

補(bǔ)水箱為塑料水箱，體積25 L，不用在試驗(yàn)過程中頻繁補(bǔ)水；水泵采用BTLN型高壓泵，壓力在0.5 MPa～1.0 MPa，根據(jù)試驗(yàn)取合適壓力；試驗(yàn)材料選擇聚丙烯高分子材料、金屬鋁箔材料、植物纖維聚合物材料；接水網(wǎng)格材質(zhì)為塑料，在試驗(yàn)臺(tái)正下方放置11個(gè)網(wǎng)格盛放淋水。試驗(yàn)所用測(cè)量儀器：FOTRIC JL6928型紅外熱像儀器（測(cè)量范圍-20℃～60℃、精度要求±0.3℃），Testo型溫濕度檢測(cè)儀（溫度測(cè)量范圍0℃～100℃、精度要求±0.5℃，相對(duì)濕度測(cè)量范圍5%～95%、精度要求±3%），量筒（測(cè)量范圍0 mL～25 mL，精度要求0.5 mL）。噴霧布水試驗(yàn)采用陶瓷型噴嘴，型號(hào)有02#、03#、05#，噴嘴孔徑分別是0.15 mm、0.30 mm、0.50 mm，噴霧粒徑分別是2μm、3μm、5μm，霧化角分別為24°26′、36°33′、32°，水泵定壓為0.7 MPa，試驗(yàn)安裝2個(gè)噴嘴。

3.2 結(jié)果與討論

3.2.1 材料潤濕

首先確定02#噴嘴安裝高度220 mm，噴霧時(shí)間為30 s、120 s、300 s，分別對(duì)比進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果通過照片觀察、熱成像圖溫度數(shù)據(jù)分布、接水網(wǎng)格水量分析等3種方式反映。

圖4為噴霧時(shí)間30 s時(shí)3種材料表面潤濕情況。當(dāng)噴霧時(shí)間較短時(shí)，聚丙烯高分子材料表面附著的水滴很少，間距較大，液滴的體積大，布水浸潤性較差。金屬鋁箔材料表面的水滴附著較多，位于噴嘴中心位置的水流量大于周圍，可以看到中間位置水滴有成股流下的跡象，間距適中，附著的水滴體積略大于聚丙烯高分子材料的水滴體積，但周圍的水滴體積較小，分布均勻且密集，可以很好地附著在金屬鋁箔表面，沒有成股流下的趨勢(shì)，這種布水均勻性是最理想的，節(jié)省水流量，還可以使材料表面均勻附著水膜與空氣換熱蒸發(fā)。植物纖維聚合物材料表面則沒有明顯的水滴和水流，噴嘴噴出的霧滴很快被植物纖維聚合物材料浸潤，向材料四周擴(kuò)散，材料表面布水情況沒有明顯的間斷，浸潤性較好，但時(shí)間較短，布水在豎直方向上沒有延伸。通過直觀的照片分析，驗(yàn)證了2.2中得出的材料親水性結(jié)論。

圖4 噴霧30 s后3種材料潤濕情況

3.2.2 布水時(shí)間

對(duì)于02#、03#、05#的噴嘴噴淋3種材料，利用熱成像儀拍攝30 s、120 s、300 s時(shí)材料表面的紅外熱成像圖，將每種材料平均分成12部分，如圖5所示。使用紅外熱成像圖處理AnalyzIR軟件導(dǎo)出表面溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算每部分平均值，對(duì)不同型號(hào)噴嘴噴淋的不同材料表面12個(gè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行處理，得到可靠的溫度分布數(shù)據(jù)圖，進(jìn)行定量分析，進(jìn)一步探究每種材料的最佳布水時(shí)間。

圖5 表面溫度處理點(diǎn)

02#噴嘴對(duì)聚丙烯高分子材料噴霧30 s、120 s、300 s時(shí)的紅外熱成像圖如圖6所示，使用02#、03#、05#噴嘴噴淋聚丙烯高分子材料的表面溫度分布如圖7所示。

圖6 02#噴嘴噴淋聚丙烯高分子材料紅外熱成像圖

圖7 聚丙烯高分子材料表面溫度分布

圖6結(jié)果顯示，02#噴嘴噴淋聚丙烯高分子材料，在30 s和120 s時(shí)布水效果都存在中間布水差的情況。噴霧30 s時(shí)可以明顯看到干點(diǎn)存在，干點(diǎn)集中在兩個(gè)噴嘴之間的位置；噴霧120 s時(shí)可以看出也有干點(diǎn)存在，但是干點(diǎn)的面積明顯減少。03#噴嘴布水效果同02#噴嘴基本一致。分析05#噴嘴30 s和120 s的溫度分布，噴霧30 s時(shí)材料表面頂部溫度偏高，溫度分布不均，噴霧120 s時(shí)材料表面溫度基本均勻，沒有明顯的干點(diǎn)存在。

由圖7可以看出，隨著噴霧時(shí)間的增加溫度適當(dāng)降低，聚丙烯高分子材料表面親水性差，布水時(shí)間長可讓水滴在材料表面更均勻附著。02#、03#噴嘴隨著時(shí)間增加溫度分布更均勻，布水時(shí)間可控制在120 s～300 s。05#噴嘴布水時(shí)間在30 s時(shí)溫度分布高低不均，而120 s、300 s時(shí)相差不多，并且分布均勻，布水時(shí)間可控制在30 s～120 s。

02#噴嘴對(duì)金屬鋁箔材料噴霧30 s、120 s、300 s時(shí)的紅外熱成像如圖8所示，使用02#、03#、05#噴嘴噴淋金屬鋁箔材料的表面溫度分布如圖9所示。

圖8 02#噴嘴噴淋金屬鋁箔材料紅外熱成像圖

圖9 金屬鋁箔材料表面溫度分布

圖8結(jié)果顯示，02#噴嘴噴淋金屬鋁箔材料，在30 s和120 s時(shí)布水效果存在中間布水差的情況。噴霧30 s時(shí)材料表面干點(diǎn)面積較大，主要集中在兩個(gè)噴嘴之間的位置；噴霧120 s時(shí)，可以看出也有干點(diǎn)存在，干點(diǎn)的面積依然很大。03#噴嘴布水效果同02#噴嘴基本一致。分析05#噴嘴30 s、120 s和300 s的溫度分布，噴霧30 s時(shí)材料表面頂部溫度偏高，受金屬鋁箔材料表面凹凸結(jié)構(gòu)影響，整個(gè)材料表面干點(diǎn)較多，噴霧120 s和300 s時(shí)干點(diǎn)依然存在。

由圖9可以看出，金屬鋁箔材料溫度分布規(guī)律性不強(qiáng)，材料親水性較好，表面光滑，水滴滴落速度快。02#噴嘴隨著時(shí)間增加溫度降低且分布均勻，干點(diǎn)逐漸消失，布水時(shí)間可控制在120 s～300 s。03#、05#噴嘴隨著時(shí)間增加溫度沒有降低反而升高，03#噴嘴干點(diǎn)依然存在，05#噴嘴干點(diǎn)減少，但溫度增加，因此布水時(shí)間可控制在30 s～120 s。

02#噴嘴對(duì)植物纖維聚合物材料噴霧30 s、120 s、300 s時(shí)的紅外熱成像圖如圖10所示，使用02#、03#、05#噴嘴噴淋植物纖維聚合物材料的表面溫度分布如圖11所示。

圖10 02#噴嘴噴淋植物纖維聚合物材料紅外熱成像圖

圖11 植物纖維聚合物材料表面溫度分布

植物纖維聚合物材料潤濕性好。由圖10可以看出，02#噴嘴在30 s時(shí)布水，噴嘴正對(duì)下方的溫度與中間干點(diǎn)的溫度存在明顯差異，可以看到底部溫度偏高，兩個(gè)噴嘴周圍存在干點(diǎn)；在120 s時(shí)也有干點(diǎn)存在，但是干點(diǎn)的面積減少，干點(diǎn)區(qū)域溫度降低；在300 s時(shí)布水較為均勻，溫度降低。03#噴嘴在30 s時(shí)材料表面干點(diǎn)主要集中在材料兩側(cè)；在120 s時(shí)可以看出材料表面溫度明顯降低且較為均勻。

由圖11可以看出，02#和03#噴嘴隨著時(shí)間增加植物纖維聚合物的表面溫度明顯降低，布水均勻性有所提高，但03#和05#噴嘴的溫度值沒有02#噴嘴降低的幅度大，因此02#噴嘴布水時(shí)間可控制在120 s～300 s。03#噴嘴布水時(shí)間可控制在30 s～120 s，05#噴嘴整體溫降幅度不大，不建議使用。

4 噴淋布水試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本次噴淋布水試驗(yàn)采用實(shí)心錐型噴嘴，噴嘴到材料上邊緣的距離為100 mm，材料長度400 mm，平均每200 mm布置一個(gè)噴嘴進(jìn)行噴淋，距材料下邊緣50 mm處放置有11個(gè)接水網(wǎng)格，噴淋時(shí)間為8 s，噴淋壓力0.7 MPa，試驗(yàn)臺(tái)與圖3所示相同。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

噴淋布水效果如圖12所示。

圖12 3種材料噴淋布水潤濕情況

由圖12可以看出，金屬鋁箔材料，噴嘴噴淋水滴體積較大，在金屬鋁箔表面可以看到水珠，并有成股流下的痕跡，材料附著能力較強(qiáng)，布水較為均勻。聚丙烯高分子材料布水較為均勻，噴淋布水水量大，材料表面布水效果也較好，可以看出水滴在材料表面附著明顯，但還是存在干點(diǎn)，并且材料底部沒有水滴存在，可能原因是水滴受重力影響，越到低處沖刷力越大，不易附著，也可能是噴淋縱向高度有限，噴淋水沒有落到底部就已經(jīng)擴(kuò)散。底部沒有水滴附著會(huì)影響換熱效果，并且對(duì)冷卻器高度也有限制。植物纖維聚合物材料表面布水情況沒有其他兩種效果好，由于噴嘴噴淋布水水量大，噴淋角度小，植物纖維聚合物材料浸潤性強(qiáng)，短時(shí)間內(nèi)水滴不易成股流下，而是向周圍擴(kuò)散，擴(kuò)散時(shí)間在8 s以上，所以導(dǎo)致沒有水滴滴落的地方存在干點(diǎn)，同樣在材料底部干點(diǎn)較多。

圖13為噴淋布水網(wǎng)格水量。可以看出，金屬鋁箔材料水量最多，兩邊水量較均勻，中間水量較多，曲線光滑，整體布水均勻；聚丙烯高分子材料水量次之，兩端水量遞減，中間水量多；植物纖維聚合物材料水量最少，兩端水量遞減明顯，中間還有峰值，7號(hào)網(wǎng)格水量有減少趨勢(shì)，中間會(huì)存在干點(diǎn)。3種材料整體布水時(shí)間符合要求，植物纖維聚合物材料布水時(shí)間可以增加，或者增加噴嘴去除干點(diǎn)。

圖13 3種材料噴淋布水網(wǎng)格水量

5 結(jié)論

通過針對(duì)聚丙烯高分子、金屬鋁箔、植物纖維聚合物3種材料，采用接觸角測(cè)試、噴霧布水測(cè)試、噴淋布水測(cè)試等3種方法對(duì)其親水性和布水均勻性進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論。

（1）接觸角試驗(yàn)表明，接觸角從大到小依次為聚丙烯高分子材料、金屬鋁箔材料、植物纖維聚合物材料，親水性優(yōu)先排序依次為植物纖維聚合物材料、金屬鋁箔材料、聚丙烯高分子材料。

（2）噴淋布水在間接蒸發(fā)冷卻器中應(yīng)用較多，優(yōu)點(diǎn)是使用成本低，但存在的結(jié)垢問題一直有待解決，并且會(huì)有排風(fēng)側(cè)飄水現(xiàn)象。噴霧布水因其對(duì)水質(zhì)要求高，配備專用凈水裝置，不易結(jié)垢，使用噴霧布水可以解決結(jié)垢問題，提高換熱器效率，還能防止飄水現(xiàn)象，但其初期投資和使用成本較高。本研究中噴霧布水選取型號(hào)為02#、03#、05#噴嘴，噴霧時(shí)間30 s、120 s、300 s，噴淋布水選取實(shí)心錐形噴嘴，噴淋時(shí)間為8 s，通過在3種材料上水滴的鋪展情況判斷布水均勻性，噴嘴的布水均勻性可以提高材料與水的接觸面積，從而使材料換熱能力更強(qiáng)，提高間接蒸發(fā)冷卻器的換熱效率。

（3）噴霧布水試驗(yàn)根據(jù)紅外熱成像圖，分析材料對(duì)于不同噴嘴布水均勻應(yīng)該設(shè)定的噴霧時(shí)間，聚丙烯高分子材料02#、03#噴嘴布水時(shí)間可控制在120 s～300 s，05#噴嘴布水時(shí)間可控制在30 s～120 s。金屬鋁箔材料02#噴嘴布水時(shí)間可控制在120 s～300 s，03#、05#噴 嘴 布 水 時(shí) 間 可 控 制 在30 s～120 s。植物纖維聚合物材料02#噴嘴布水時(shí)間可控制在120 s～300 s，03#噴嘴布水時(shí)間可控制在30 s～120 s，不建議使用05#噴嘴。噴淋布水試驗(yàn)采用實(shí)心錐形噴嘴噴淋8 s時(shí)，聚丙烯高分子材料和金屬鋁箔材料布水較均勻，植物纖維聚合物材料可適當(dāng)延長布水時(shí)間或者增加噴嘴。

綜合考慮，在選用間接蒸發(fā)冷卻器高效換熱材料時(shí)，優(yōu)先推薦采用親水性較好的植物纖維聚合物材料，采用03#噴嘴，噴霧布水時(shí)間可控制在30 s～120 s。采用噴淋布水方式時(shí)，可適當(dāng)增加噴水量，使布水更加均勻。