靳如意 黃 翔 王 穎 羅杰任

（1.西安工程大學城市規(guī)劃與市政工程學院 西安 710048；2.西安交通大學 西安 710049）

0 引言

蒸發(fā)冷卻技術以干空氣能為驅動勢，利用空氣與水在填料中的熱濕交換進行冷卻降溫。因此填料是實現(xiàn)熱質傳遞的媒介物質，填料的材質和結構形式對冷卻效果有著決定性的影響[1]。對于節(jié)能低碳環(huán)保的蒸發(fā)冷卻空調而言，更加要求填料能夠盡可能把水變成細小的水滴或水膜，使其均勻鋪在表面，降低淋水密度的同時提高潤濕率。填料的內部結構還應能保障空氣與水在填料中的接觸時間要長，空氣的流動阻力要小，以減少風機的功耗。目前工程應用的填料主要有植物纖維材料、金屬材料、PVC 材料等。泡沫陶瓷是由陶瓷拋光廢渣二次燒制而成，是一類具有功能和結構雙重屬性的新型多孔材料，化學性能穩(wěn)定，物理和力學性能優(yōu)異[2]。將其升級制備為陶瓷填料，應用到制冷空調領域，解決城市工業(yè)垃圾的同時，也為尋找新型蒸發(fā)冷卻換熱填料創(chuàng)造條件。泡沫陶瓷填料因其特有的高孔隙率、低密度、大比表面積和高熱導率等特點，可以從根本上提高表面親水性、增加空氣與水膜間的傳熱傳質面積、同時多孔結構可作為儲水裝置，有效的降低淋水密度和水泵的運行能耗，改善蒸發(fā)冷卻裝置的換熱性能，提升系統(tǒng)整體的冷卻效率[3,4]。馮勝山等人[5,6]采用多孔陶瓷作為直接蒸發(fā)冷卻器的換熱填料，建立了相應過程的熱質傳遞模型對其進行理論與實驗研究。Kulkarni R K[7]等人對蒸發(fā)冷卻器中填料的不同流道形式和材質進行了研究。并運用人工模擬的方法得出白楊木絲材質的六角形流道形式填料的效率最高。黃翔等人[8]分析對比了GLASdek 填料的冷卻效率，給出了迎面風速、填料流道形式等參數(shù)的優(yōu)化方法。王鑫等人[9]采用多孔陶瓷材料制成的管式間接蒸發(fā)冷卻器進行換熱性能實驗。得出多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器的EER 最高。

藍笛等人[10]將泡沫陶瓷填料應用于蒸發(fā)式冷凝器進行換熱性能實驗。實驗結果表明，泡沫陶瓷填料的格柵結構使得空氣流經(jīng)時的過流阻力顯著減小，同時填料的容積散質系數(shù)明顯高于金屬填料和水泥格網(wǎng)板填料。

但目前針對此種新型泡沫陶瓷填料的結構形式設計和不同形式下的性能實驗與對比分析還有待研究，本文采用拋光廢渣制成的新型泡沫陶瓷填料作為蒸發(fā)冷卻空調換熱填料，將其設計組裝成折線型和直線型兩種流道形式。選取烏魯木齊、西安、常州三種典型工況，在泡沫陶瓷填料蒸發(fā)冷卻實驗臺上，對兩種流道形式填料的性能參數(shù)進行實驗測試與對比分析。分別研究確定了折線型和直線型填料在不同運行工況下的最佳淋水密度、最佳進口風速以及溫降和壓降的變化情況。

1 泡沫陶瓷填料

泡沫陶瓷填料的制備過程如圖1所示。首先將陶瓷生產(chǎn)廠家提供的陶瓷拋光廢渣加熱，當其水分低于10%時，粉碎，然后過250 目篩，制成拋光廢粉。取適量拋光廢粉，加入20%的水，混合均勻后用壓片機壓制成厚度0.5cm 的試片，置于200℃下干燥30min。最后將試件放入高溫爐中，在1200℃下煅燒30min，制成泡沫陶瓷填料[10]。

圖1 拋光廢渣泡沫陶瓷填料的制備工藝Fig.1 Preparation process of polishing waste ceramic foam packing

將制備的泡沫陶瓷填料切割成高170mm、厚8mm 的陶瓷片，拼接組裝成直線型流道和折線型流道兩種不同結構形式的直接蒸發(fā)冷卻填料，填料切片與切片之間的間距為6.24mm，均勻地布置在塑料框架內。組裝完成后，單塊泡沫陶瓷填料的外形尺寸為250mm×210mm×170mm（長（L）×（W）×高（H））的長方體狀格柵。直接蒸發(fā)冷卻器的填料段由這樣6 塊填料拼裝而成，填料的結構形式如圖4所示。

圖2 泡沫陶瓷填料的結構形式Fig.2 Structural form of foam ceramic packing

2 實驗系統(tǒng)

2.1 實驗測試系統(tǒng)

泡沫陶瓷填料蒸發(fā)冷卻實驗系統(tǒng)如圖3所示，主要包括壓入風機、靜壓箱、間接蒸發(fā)冷卻器、加熱段、泡沫陶瓷填料直接蒸發(fā)冷卻試驗臺、風洞試驗等部分?？筛鶕?jù)具體測試需要維持實驗臺內空氣狀態(tài)參數(shù)的穩(wěn)定。表1列出了不同測量儀器的規(guī)格。

圖3 泡沫陶瓷填料蒸發(fā)冷卻實驗系統(tǒng)Fig.3 Foam ceramic packing evaporative cooling experimental system

表1 各種測量儀器的規(guī)格Table 1 Specification of various measuring instruments

2.2 實驗參數(shù)的確定

根據(jù)GB 50736-2012[11]中規(guī)定的夏季空氣調節(jié)室外計算干濕球溫度，分別取烏魯木齊市、西安市、常州市為實驗的3 種典型工況，在焓差實驗內進行不同模擬工況的參數(shù)調節(jié)，實驗模擬工況如表2所示，誤差在±0.5℃以內。

表2 焓差實驗室內模擬工況Table 2 Simulation of working conditions in the experimental chamber

本實驗風機的額定風量為2500m3/h，配有變頻器，共設置7 個檔位，通過調節(jié)轉速來控制風量的大小，進風口有效截面積為0.32m2，通過風機運轉時測得的變頻器各檔位風速來計算其送風量，風機各檔位與風量之間的對應關系如表3所示。

表3 風機風量與變頻器檔位對應表Table 3 Fan air volume and inverter gear correspondence table

2.3 實驗測試過程

（1）啟動實驗裝置，開啟風機，關閉門窗，等待測試工況穩(wěn)定。

（2）放置折線型泡沫陶瓷填料，開啟布水裝置。

（3）調節(jié)風機變頻器。穩(wěn)定運行10min 后，測量并記錄各測點的空氣狀態(tài)參數(shù)。

（4）分別設置進出風測點。測量并采集數(shù)據(jù)。

（5）更換直線型填料，重復步驟（2）～（4）。

（6）完成實驗測試工作，關閉實驗系統(tǒng)。

2.4 性能評價指標

2.4.1 直接蒸發(fā)冷卻效率

用熱力學第一定律分析直接蒸發(fā)冷卻器對環(huán)境溫度的冷卻能力，其直接蒸發(fā)冷卻效率[2]計算式為：

式中：tg1為進風干球溫度，℃；tg2為出風干球溫度，℃；ts1為進風濕球溫度，℃。

2.4.2 淋水密度

淋水密度（Γ）[2]是將轉子流量計測量的每單位小時的循環(huán)水流量除以淋水管的總長度來計算。

式中：Γ為淋水密度，kg/(m·h)；Mw為循環(huán)水質量流量，kg/h；n為布水管個數(shù)，個；Z為單個布水管道長度，m。

3 實驗結果與討論

3.1 能量平衡校核和不確定性分析

在實驗測量過程中，一些不可避免的人為誤差和實驗測試儀器的精度誤差都有可能影響最后的實驗結果，因此在正式實測前有必要對所有測量數(shù)據(jù)和實驗中計算的性能評價指標進行不確定性分析，以檢查測量設備收集數(shù)據(jù)的有效性。假設函數(shù)R根據(jù)一組n個測量值（自變量）計算得出，表達式如下：

因此，結果R的不確定度可以結合各個項的不確定度使用平方根法來進行確定。

方程δR、xi、δxi分別是與因變量R、影響R的自變量和變量xi的不確定度相關的總不確定度。不同指標的不確定性分析結果如表4所示。為確保測試結果的可靠性，對實驗臺進行能量平衡校核。在絕熱條件下，直接蒸發(fā)冷卻過程是一個等焓降溫的過程，空氣入口和出口狀態(tài)的焓值相等。

表4 不確定性分析結果Table 4 Error analysis results

圖4為進風口和出風口的焓值變化對比圖。所有實驗結果的誤差均在±10%以內。因此，該設備被認為是可靠的實驗設備，其測得的數(shù)據(jù)真實有效。

圖4 蒸發(fā)冷卻器進出風焓值比較Fig.4 Comparison of enthalpy of air inlet and outlet of evaporative cooler

3.2 填料最佳淋水工況

潤濕率對填料的蒸發(fā)冷卻性能具有關鍵性影響，為了確定泡沫陶瓷填料的最佳淋水密度，在不同的噴淋水量和不同的進口空氣流量（1380，1610，2070m3/h）下進行了一系列試驗。

在西安工況下，分別設置噴淋水流量為2、5、10、15、20、25L/h，對兩種不同流道形式的泡沫陶瓷填料進行試驗測試，通過填料直接蒸發(fā)冷卻效率的比對分析，確定兩種流道形式填料的最佳淋水工況。淋水流量對兩種流道形式泡沫陶瓷填料直接蒸發(fā)冷卻效率的影響如圖5所示。

圖5 淋水密度對兩種流道形式泡沫陶瓷填料直接蒸發(fā)冷卻效率的影響Fig.5 Effect of watering density on direct evaporative cooling efficiency of two kinds of foam ceramic fillers

由圖5可知，隨著噴淋水量的增大，兩種流道形式泡沫陶瓷填料的直接蒸發(fā)冷卻效率均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。這是因為泡沫陶瓷材料本身特有的孔隙結構，使其具備良好的蓄水能力，而蒸發(fā)冷卻技術恰恰是依靠水的汽化潛熱對空氣進行冷卻降溫。當淋水量較小時，水與泡沫陶瓷填料接觸的表面存在大量干點，導致直接蒸發(fā)冷卻效率較低。隨著噴淋水量的增加，填料被充分潤濕，當淋水量增加到超過泡沫陶瓷填料本身所能容納的體積時，形成流道堵塞，熱質交換效果降低。在對兩種流道形式的泡沫陶瓷填料進行最佳淋水工況測試時可以發(fā)現(xiàn)，折線型填料的換熱效率增幅較大整體高于直線型，且不易受進風風量變化的影響，填料中空氣與水的熱質交換效果更加顯著，三種不同風量下的直接蒸發(fā)冷卻效率較為相近。而直線型填料的換熱效率受風量變化的波動較大，當風量一定時，增加填料的噴淋水量，換熱效果變化不明顯。同一淋水密度下，風量越大，泡沫陶瓷填料的直接蒸發(fā)冷卻效率反而越小。折線型流道的泡沫陶瓷填料在淋水密度為10.0kg/(m·h)時，三種風量下的換熱效果最好，此時填料剛好被完全潤濕。直線型流道的泡沫陶瓷填料則在淋水密度為6.7kg/(m·h)時完全濕潤，達到良好的熱交換效果。

3.3 直接蒸發(fā)冷卻效率

在測得的最佳淋水工況下，選取三種典型代表地區(qū)（烏魯木齊、西安、常州工況），分別控制兩種流道形式泡沫陶瓷填料的進口空氣流量保持在920m3/h，通過變頻器調節(jié)使兩種結構填料的進風量從920m3/h 遞增至2300m3/h，單次增量為230m3/h，完成三種運行工況下進口風速在0.8～2.0m/s 范圍內的實驗測試，通過測試數(shù)據(jù)計算其對應的直接蒸發(fā)冷卻效率，以此來比較兩種流道形式的填料在不同運行工況下的熱質傳遞性能。

圖6為在3 種運行工況下測得的進風量對兩種流道形式泡沫陶瓷填料直接蒸發(fā)冷卻效率（ηDEC）的影響。由圖6可知：三種運行工況下，隨著進風量的增加，兩種流道形式填料的直接蒸發(fā)冷卻效率均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，其中折線型填料在風量變化時，其效率變化趨勢較直線型更為穩(wěn)定。折線型流道的泡沫陶瓷填料，在烏魯木齊工況下，ηDEC為83.01%，最佳進口風速為1.6m/s；西安工況下ηDEC為70.74%，最佳進口風速為1.4m/s；常州工況下ηDEC為67.43%，最佳進口風速為1.2m/s。直線型流道的泡沫陶瓷填料，在烏魯木齊工況下ηDEC為77.68%；西安工況下ηDEC為68.56%；常州工況下ηDEC為64.23%，三種工況下的最佳進口風速均為1.0m/s。

圖6 進風量對兩種流道形式泡沫陶瓷填料直接蒸發(fā)冷卻效率的影響Fig.6 Effect of Inlet Air Volume on Direct evaporative cooling efficiency of two kinds of foam Ceramic packing

通過對兩種流道泡沫陶瓷填料的性能測試發(fā)現(xiàn)，同一工況下，折線型流道的ηDEC和最佳進口風速均要高于直線型流道。主要是因為折線流道的結構形式相比于直線流道，增大了填料中空氣與水的接觸面積，延長了熱濕交換時間，增強了直接蒸發(fā)冷卻的熱質交換效果。同時，折線型流道不易受風量變化影響，相比于直線型流道更能適應各種不同風量大小的蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)，對風量要求不高，其應用范圍更加寬廣。

3.4 空氣進出口溫降

圖7所示為3 種運行工況下，兩種流道形式泡沫陶瓷填料的空氣進出口溫降隨進風量的變化。由圖7可知，進出口溫降隨著進口風量的增加先緩慢升高后又逐漸下降。折線型流道在最佳進口風速下，烏魯木齊工況、西安工況、常州工況的溫降峰值分別為12.7、7.3 和4.37℃。而直線型流道在最佳進口風速下，烏魯木齊工況、西安工況、常州工況的溫降峰值分別為11.96、7 和4.11℃。

由圖7可知，隨著填料進口風速的逐漸增大，折線型流道的溫降更加平緩穩(wěn)定。由于泡沫陶瓷填料折線型流道與直線型流道相比，其結構形式復雜，有效流通距離長，同時曲折的流道使得空氣在其中停留的時間變長，熱質交換更加充分。

圖7 進風量對兩種流道形式泡沫陶瓷填料進出口溫降的影響Fig.7 Effect of Inlet Air Volume on Inlet and outlet temperature drop of two kinds of foam Ceramic fillers

3.5 填料層壓降

圖8為進口風速對兩種流道形式泡沫陶瓷填料壓降的影響（三種工況下的壓降變化圖相同），填料的壓降反應了氣液介質通過泡沫陶瓷填料層時氣相所克服的阻力。由圖8可知，兩種流道形式填料的壓降均隨進風量的增大而增大，且折線型填料的壓降整體高于直線型。對于折線型流道而言，其局部阻力系數(shù)大，使得空氣在流道中所需克服的沿程阻力和局部阻力變大。從另一方面也變相增加了風機的能耗。

圖8 進風量對兩種流道形式泡沫陶瓷填料壓降的影響Fig.8 Effect of Inlet Air Volume on pressure drop of two kinds of foam Ceramic packing

4 結論

（1）實驗結果表明，兩種流道形式泡沫陶瓷填料的直接蒸發(fā)冷卻效率隨淋水密度的增加均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在西安工況下，折線流道形式泡沫陶瓷填料的最佳淋水密度為10.0kg/(m·h)，直線流道形式為6.7kg/(m·h)。

（2）相同實驗條件下，折線型流道形式填料的最佳進口風速和壓降都要高于直線型流道。在烏魯木齊、西安、常州工況下折線型流道形式填料的最佳進口風速分別為1.6、1.4、1.2m/s，直接蒸發(fā)冷卻效率可達83.01%、70.74%、67.43%；而直線型流道在3 種工況下的最佳進口風速均為1.0m/s，直接蒸發(fā)冷卻效率分別為77.68%、68.56%、64.23%。兩種流道形式泡沫陶瓷填料在烏魯木齊工況下的制冷性能達到最高水平，表明蒸發(fā)冷卻技術在干燥地區(qū)更加具有節(jié)能潛力與應用前景。

（3）隨著進口空氣干濕球溫差的減小和空氣質量流量的增大，兩種流道形式泡沫陶瓷填料的直接蒸發(fā)冷卻效率均有下降的趨勢。但折線型流道相比于直線型流道而言，不易受風量變化影響，空氣進出口溫降穩(wěn)定，更加適用于各種不同風量大小的蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)，應用范圍廣泛。但也需適當考慮風機能耗問題。