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间接蒸发冷却技术研究现状

发表日期:2019/10/8 10:13:11 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

蒸发冷却技术按照技术形式可分为直接蒸发冷却技术与间接蒸发冷却技术,其技术原理与介质流动形式见图1。直接蒸发冷却(direct evaporative cooling,DEC)将水直接喷淋于未饱和湿空气中,使空气等焓增湿、降温,其焓-湿图如图2所示。由于空气与水直接接触,其含湿量增加,存在一定的应用限制,为了克服这个问题,引入间接蒸发冷却(indirect evaporative cooling,IEC),其焓-湿图如图3所示。工作介质先经DEC设备处理,流经换热器通道一侧,形成湿通道,产出介质流过干侧通道,湿侧介质吸收干燥介质的热量,借助于湿表面蒸发,从而冷却产出介质。由于工作介质不与水直接接触,其含湿量不变,实现空气的等湿降温。







间接蒸发冷却技术在系统工作过程中的冷却介质以水和空气为主,少部分应用形式涉及制冷剂等。产出介质与工作介质进行热湿交换,在此过程中获取冷空气或冷水。故按产出介质形式可分为风侧间接蒸发冷却技术和水侧间接蒸发冷却技术。笔者将介绍上述工质分别作为蒸发冷却过程中的冷却介质、工作介质及产出介质的相关研究。

1  水侧间接蒸发冷却技术

1.1  冷却介质

间接蒸发冷却技术将水直接喷淋在换热器二次空气湿通道侧,使之蒸发吸热。水作为过程中的主要冷却介质,在传热传质、液膜蒸发、两相流动、布水结构等方面均引起较多探讨。

Y. L. Tsay对湿表面换热器的传热传质特性进行了数值分析,对流体、液膜和湿空气的耦合方程求解,将湿表面的换热速率与干表面进行了比较并着重研究了液膜汽化潜热交换对换热器性能的影响。结果表明,蒸发过程的吸热量占液膜传递能量的绝大部分。A. S. Kaiser等对湿空气、水两相流动建立耦合模型,模拟结果表明水滴平均直径、室外空气干湿球温度差、空气和水质量流量比对系统有关键影响。H. S. Choo等对间接蒸发冷却过程中的水进行了分析,水作为冷却介质,其蒸发使系统降温,得到流体温度、湿空气温度和水的温度的关系及水流速对冷却性能的影响,结果显示水流速增大使冷却效率在一定程度上降低。

传统的蒸发冷却技术已在干燥炎热地区得到成功应用,水蒸发受到所处环境干湿球温度或露点的影响,在炎热潮湿地区存在温降有限导致系统冷却能力有限的问题。下文笔者综述了近年来提出的露点间接蒸发冷却技术,该技术多与逆流、叉流板式换热器结合,改进间接蒸发冷却器结构形式更好实现换热。

1.1.1  逆流流动

间接蒸发冷却技术所使用换热器的主要结构形式有板式和管式2种。板式间接蒸发冷却器在多层薄板的两侧形成干通道和湿通道,其结构紧凑、换热效率高,但流道易堵塞,布水不均匀。与普通的间接蒸发冷却器相比,基于M循环的间接蒸发冷却器可以将进气温度降至接近其露点,其原理如图4所示。


Zhao X. 等在M循环基础上对逆流式露点蒸发冷却器进行数值研究。结果表明,湿球效率主要取决于通道尺寸、空气速度及一二次空气流量之比,与供水温度的变化无关。Cui X. 等对一种逆流式露点蒸发式空冷器建立了二维离散相计算模型,通过模拟离散分布的液滴蒸发,进行了性能理论研究。吴学红等在二维露点间接蒸发冷却模型基础上建立三维逆流式露点间接蒸发冷却器模型,使用欧拉-液膜计算模型模拟连续液膜蒸发进行传热传质分析。Wan Y.等针对逆流式间接蒸发冷却器进行传热传质分析,建立二维CFD模型,得到影响平均Nu和Sh的无量纲方程。Cui X.等建立逆流式间接蒸发冷却器模型并进行试验研究,通过模拟出口水温为各无量纲数群函数确定相关经验常数并评价其热工性能。Lin J.等介绍逆流式露点蒸发冷却系统的瞬态模型,研究不同进气条件下冷却系统对温度和湿度的瞬态和阶跃响应,结果显示响应趋势和稳定时间明显依赖于进口空气温湿度和速度,平均瞬时湿球效率要高于稳态湿球效率。

1.1.2  叉流流动

S. D. Antonellis等设计了一个基于交叉流动原理的间接蒸发冷却系统,叉流式间接蒸发冷却流动形式如图5所示,可有效减少水的消耗,二次空气消耗水的质量流量在空气质量流量的0.4%~4.0%范围内。并在数据中心不同工作条件下,对水流量变化、喷嘴设置和二次空气温度、湿度和流量等因素对间接蒸发冷却换热器换热性能的影响进行了试验研究,结果表明,换热效率受喷嘴的数量和直径的影响较小但受水质量流量影响较大。此外,试验表明叉式流系统中的喷嘴布置效果要优于平行流系统。刘佳莉等在干燥工况下对组合式露点间接蒸发冷却空调机组进行研究,一二次空气在干湿通道交叉流动,得到最佳二/一次风量比及湿球效率等。


1.1.3  管式流动


管式间接蒸发冷却器核心部件是换热管,一般在换热管束一侧设置喷淋装置,工作介质直接与换热管外水膜发生热、湿交换,产出介质把热量传递给工作介质从而降温。管式间接蒸发冷却器布水均匀,容易形成稳定水膜,流道宽且体积较大,其工质流动形式相较于板式换热器较为固定,研究多关注管内对流传热传质及管外优化喷淋传热等内容。

K. T. Lee等在一定壁面温度、不同湿空气入口相对湿度及不同雷诺数下,数值分析垂直矩形管换热器内沿多孔壁膜蒸发的对流传热传质特性,结果表明,浮力影响流体流动传热传质,与蒸发膜相连的潜热传递占主导。Lin T. F. 等研究了水平管内气体与管壁液膜之间的热质交换及气体在温度恒定条件下的紊流流动过程,指出气液两相间热湿交换的影响因素主要为空气温度及流速、液膜厚度等。Chen Y.等研究了考虑空气凝结水的间接蒸发冷却,用CFD方法研究竖直圆管同时具有蒸发和冷凝的自然对流情况,并针对通道内蒸发和冷凝同时发生的传热、传质过程进行模拟分析。

针对椭圆管式间接蒸发冷却器,黄翔等采用包覆吸水性材料、优化换热器结构及布水方式,通过间歇性供水方式等强化传热。试验结果表明,管式间接蒸发冷却器与板式间接蒸发冷却器相比,在换热效率相近条件下阻力更小。此外利用湿空气理论分析方法分析效率。鱼剑琳等做了有关管式间接蒸发冷却空调器的水平单管外的空气与喷淋水形成的流动水膜的传质试验,结果表明,湿工况下传质系数与管外水膜的流动状况有关。A. E. Kabeel等对一种设置了内部翅片的新型管式间接蒸发冷却集成机组进行了试验,包含热水蛇形管外薄棉层的构建和测试,结果表明采用的预冷机组内部翅片和使用外部薄棉层可增强换热效果。Zhao X.重点研究管式间接蒸发冷却器中多孔材料的传热传质速率及热传导性和孔隙度等,结果表明网槽状金属板是最合适的材料。

1.2  产出介质

水侧间接蒸发冷却技术依据蒸发冷却原理制备冷水,技术研究内容包括水侧间接蒸发冷却空调机组,及利用机组和冷却塔使产出介质降温的过程。江亿等利用间接蒸发冷却技术制备冷水,出水温度达到室外湿球温度和露点的平均值,可作为空调的冷源在干燥地区推广应用。黄翔等介绍了水侧蒸发冷却设备类型,并对新疆实际工程采用的间接-直接蒸发冷却复合冷水机组的出水温度进行了夏季测试。结果表明冷水机组出水温度在室外空气湿球温度和露点之间,比室外湿球温度低2~3 ℃。

G. P. Maheshwari等利用蒸发冷却技术对一部分室外空气进行绝热加湿,同时将产生的低温冷水用于预冷另一部分新风,结果表明产生同样制冷量时间接蒸发冷却系统的能耗只有传统空调系统的25%左右。黄维冬等通过蒸发冷却多级新风处理制备冷水,制备的冷水极限温度可达室内回风的露点。Chen Y.等研究了位于香港的回热式间接蒸发冷却系统的案例应用,从空气处理机组收集冷凝水并作为冷却介质喷射到设备热交换器,该回收系统在香港地区具有巨大节能潜力。B. Arturs等研究了在温带气候不同湿度条件下间接蒸发冷却水系统的效率,并重点测试了其用于欧洲古建筑冷水系统的情况。

2  风侧间接蒸发冷却技术

空气作为间接蒸发冷却技术主要工作介质,在冷却及产出过程中均有较多应用。在间接蒸发冷却空气系统中,产出介质一般称为一次空气,工作介质为二次空气。

2.1  工作介质

一二次空气参数及空气换热过程中对流传热传质,是间接蒸发冷却技术研究的主要对象。D.Pescod试验总结了叉流板式换热器在干工况下换热与空气流速、流动阻力及压力的规律。丁杰等模拟讨论了板式间接蒸发冷却器内一二次空气通道局部Nu和二次空气通道局部Sh分布特点,并拟合得到了传热传质系数的计算式。张龙爱等对间接蒸发冷却换热器进行温度场、流场模拟,结果表明一次空气风速及入口干球温度对冷却效率有很大影响。E. Kruger等针对高温地区建筑用间接蒸发冷却系统进行了长期的监测,分析了装置运行效率对室外空气温湿度的依赖性。

Chen Y.等研究了考虑空气凝结水的板式间接蒸发冷却器,通过CFD方法对竖直平板上出现的层流膜状冷凝水进行了理论研究,对空气通道有冷凝水和没有冷凝水的间接蒸发冷却过程进行对比,得到一二次空气通道的流场参数分布规律,分析了入口参数和结构参数变化对冷凝水的影响。此外须强调,该系统利用来自空调空间的低温潮湿空气作为二次空气冷却入口空气。采用湿球效率和放大系数2种评价指标对IEC设备性能进行敏感性分析,结果表明通道间隙和冷却器高度是影响IEC设备性能的关键因素。在空气通道出现层流膜状冷凝水和未出现冷凝水的非冷凝状态下,最佳通道间隙分别为2~3 mm和3~4 mm。另外在非冷凝、冷凝和出现部分冷凝水的3种运行状态下建立了考虑二次空气凝结水的数值模型,结果表明,冷凝运行状态下湿球效率降低但总传热速率提高。Chen Y.等对板式空气冷却器在空气处理单元前安装新风预冷换热器,并在4种干/湿工况下进行测试,结果表明湿工况下空气冷却器显热和潜热冷却能力显著;高湿度下进风发生冷凝,显热效率下降但湿球效率和总传热速率提高;相同的测试条件下,IEC设备的COP优于传统空气冷却器,最高COP可达9。

在空气的利用形式方面,间接蒸发冷却技术的研究集中于板式间接蒸发冷却器。在该结构的基础上,结合逆流、叉流等流动形式以及露点间接蒸发冷却技术原理,提出露点叉流、回热逆流、多级利用等间接蒸发冷却技术结构,均可有效增强该技术换热。

2.1.1  露点叉流流动

S. Anisimov等提出了一种M循环叉流式露点间接蒸发冷却器(见图6),产出空气从干通道侧纵向流过,其中部分通过工作空气通道上的小孔横向流入湿通道,均匀预冷产出空气。仿真结果表明,该系统换热效率较传统叉流式换热器更高,二次空气影响蒸发及工作空气冷却,换热器性能与产出空气流动方向的空气流道长度正相关,且工作空气方向的流道宽度不应过宽,在低速条件下一二次空气流量比应接近1。


Cui X.等针对通道尺寸、采用房间回风作为工作空气及沿通道长度安装翅片对露点间接蒸发冷却器性能的影响进行研究。结果表明,该露点间接蒸发冷却器能够以较低的气流速度及较小的通道高度、长度和较低的工作空气流量比达到较高的湿球效率和露点效率。并通过改进的对数平均温差法开发设计了一台间接蒸发式热冷却器,通过比较露点式和叉流式间接蒸发冷却器模型,得出其可预测性最大差异为±8%,可适用于设计。

A. Tejero-Gonzalez等设计了2个叉流式间接蒸发冷却器并联循环试验装置,得到室外空气流量和温度对设备的影响,最终实现了高效冷却。M. Jradi等建立了一个叉流式露点间接蒸发冷却器,采用有限差分格式预测空气温度和湿度在干湿通道的分布,在温度30 ℃,相对湿度50%,工作进气流量比为0.33时,设置通道高5 mm,长500 mm,系统湿球效率和露点效率分别可达112%和78%。

2.1.2  回热逆流流动

Liu Z. 等针对板式回热交换器提出了一种类似ε-NTU法的建模方法,模型表示较高的回气比将导致湿球效率降低和湿通道中压力损失升高,存在一个最佳回气比例,并在一定湿球效率、COP及单位面积冷负荷的条件下确定最佳的通道高度为2~3 mm。C. Cianfrini等利用Liu Z.等提出的方法对由间接蒸发冷却设备组成的空调能量回收系统性能进行了数值分析,结果显示能耗随室外空气温湿度升高而降低,与室内空气状态相关度不高。F. Fakhrabadi等介绍了一种间接蒸发冷却回热式热交换器的优化设计方法。以空气流量为设计变量,得出设计条件下工作空气与产出空气比例及最佳通道长度和通道高度。D.Pandelidis等对用于间接蒸发冷却的回热式热交换器的传热传质过程进行数值研究,对一个传统逆流式换热器和一个沿干通道全长穿孔的换热器进行比较,确定了两者最佳几何参数和操作参数及工作空气比例的最佳范围。还提出3种不同间接蒸发空气冷却器的除湿空调系统:交叉式M循环热交换器、回热式逆流M循环热交换器及标准叉流式蒸发冷却器,在一定入口空气温度、湿度和回热空气温度下比较了不同的系统优缺点。

O. Khalid等提出在间接蒸发冷却器通道的干通道侧均匀设置几个分散孔的结构,使流经干通道侧的过程空气与湿通道中的工作空气交叉平行流动。该回热式逆流间接蒸发冷却器(流动形式见图7)湿球效率为104%~120%。随着冷却器进气量的增加,系统的湿球效率和露点效率增加,进气比增大,流动阻力增加,故工作空气和进气的最佳比例应设置在0.35~0.65范围内。Cui X.等提出了一个混合间接蒸发换热器(IEHX)和蒸气压缩式制冷重合系统,采用IEHX作为炎热潮湿气候的预冷机组,从理论上研究了利用房间排气作为工作空气的IEHX传热传质过程。

2.2  产出介质

间接蒸发冷却系统的产出介质中,一二次空气均可应用于新风预冷及热回收过程。黄维冬等设计了一种蒸发冷却新风处理系统,对不同运行参数条件下的热回收效率、排风利用效率及各个设备的损失量进行计算分析,实现对室内回风的全热回收,极大提高系统效率。J. L. Peterson等对一个用于新风预冷的板式间接蒸发冷却器进行了性能测试,结果表明该混合预冷间接蒸发冷却设备应用于变风量系统时,在正常供冷期间的能效比可达12,与传统的蒸气压缩式空调相比节约了9%的年供冷耗电量。黄维冬等总结了徐方成等利用新回风混合热回收处理方式的复合蒸发冷却系统,并提出多级热回收处理模型。S. Moshari等提出3种类型的两级间接蒸发冷却系统,其中第一级冷却器产出的一次空气分别作为一次空气、二次空气及按比例分配一二次空气进入第二级冷却器,比较了三者湿球效率,混合分配二级入口一二次空气的效率最高可达85%~91%。卢萍等对间接与直接蒸发冷却器结合的机组进行试验,将间接蒸发冷却得到的一次空气送入直接蒸发段进行喷淋,结果显示冷却效率与入口空气相对湿度和湿球温度有关,最高可达94.48%。

针对空气侧间接蒸发冷却二次排风问题,薛运等计算二次排风状态参数,由于其排风温度低于室外干球温度,分析了二次排风用于风冷式冷凝器散热对提高COP的潜力,并提出了几种再利用形式。

由于数据中心需要常年制冷,运用间接蒸发冷却技术产出冷风可实现高效利用。何华明得到蒸发式冷气机和机房精密空调对比的节能度,确定室内外空气相关参数的修正系数,归纳节能率的经验计算公式。Munters公司利用板管式间接蒸发冷却器3种运行模式为数据中心全年供冷,与水冷式空调相比可节省能耗。

P. M. Cuce等对蒸发冷却技术及其应用进行了综述,并在澳洲干热地区进行试验,指出建筑用蒸发冷却技术节能高效,在炎热干旱气候区具有巨大的节能潜力。M. H. Kim等针对100%室外空气系统,评价在过渡季节间接和直接蒸发冷却器节能性能,并与安装了传统可变风量系统进行比较。在运行模式下根据季节条件进行开启单独间接蒸发冷却器的单级操作和开启间接蒸发冷却器与直接蒸发冷却器的组合式双级操作,双级操作比传统的变风量系统节能51%。

3  其他间接蒸发冷却方式

针对多以水、空气作为冷却介质及产出介质的板式、管式间接蒸发冷却器存在的问题,热管技术与蒸发冷却技术结合受到了越来越多的关注。G. D. Mathur提出二次空气喷淋、喷淋冷凝段和喷淋小室3种结合方式及在热管蒸发侧与冷凝侧不同位置进行喷淋。王晓杰等提出在热管冷凝端外部包裹吸水性材料并进行喷淋,提高换热效率。热管式间接蒸发冷却空调机组多以液氨等为制冷剂,除氨以外,热管介质还有水、钠、汞、联苯等。F. J .R. Martinez等设计了一个由2个热管和间接蒸发换热器组成的混合空气能量回收系统,该系统采用液氨作为热管制冷工质,通过试验验证,换热器的边界温度差(回风状态下热管回风的干球温度与间接蒸发冷却系统流道内的湿球温度差)极大影响换热性能,最大换热条件下的COP值可达到9.83。包向忠等探讨了基于毛细泵的循环式热管在间接蒸发和吸湿冷却空调系统的节能性应用。姚文江等针对热管内部工质冬夏换向问题,进行空调用平置吸液芯热管换热器的研制。陈胜朋等对数据中心制冷剂泵循环系统及乙二醇与自然冷却结合方案进行了分析比较。

4  结束语

间接蒸发冷却技术中应用到的介质有水、空气、制冷剂等,上述工质在间接蒸发冷却过程中作为冷却介质、工作工质及产出介质得到广泛研究。

1)水作为冷却介质,蒸发过程的吸热量占传热的绝大部分,水的流速一定程度上影响冷却效率,而改变水与空气流动形式可有效改善换热。此外,管内气液传热影响因素主要为空气的温度及流速、液膜的厚度等,采用吸水材料、优化布水方式等可以强化传热。间接蒸发冷却技术制备的冷水,作为产出介质的同时可作为新风预冷或空调冷源,该技术在干燥地区推广应用。

2)空气是间接蒸发冷却技术中的主要工作介质。进口空气温湿度及流速等影响间接蒸发冷却效率,工作介质存在最佳气流通道以及工作气体流量与进气量比例。利用叉流流动、回热逆流、多级利用等技术,均可有效增强换热。产出的一二次空气均可再次作为工作介质应用于新风预冷及热回收过程。

3)将冷却介质、工作介质与产出介质多级组合,充分采用其他自然冷源,可使间接蒸发冷却技术得到广泛应用。


本文选自《制冷与空调》2019年8月刊,作者:刘海潮  邵双全  张海南  田长青;未经许可,不得转载


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