导湿织物对间接蒸发冷却器亲水性和热性能影响的实验研究.pdf
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1、第 32 卷第 5 期万葛亮,等:空气源热泵外机低频噪声源识别及优化495文章编号:1671-6612(2023)04-495-08导湿织物对间接蒸发冷却器亲水性和热性能影响的实验研究吴同曹莉敏吕欣陈奕(集美大学海洋装备与机械工程学院厦门361021)【摘要】为了提高间接蒸发冷却器湿通道的亲水性和蒸发速率,避免局部干点或水膜过厚的问题,提出将导湿织物敷设于湿通道的壁面,研究了其亲水性和热性能。亲水性能的实验首先测定了织物的芯吸高度和湿扩散速率,再通过搭建芯体布水实验台,并采用数字图像处理法,研究了喷淋时间(5s180s)、喷淋流量(2L/min6L/min)以及喷嘴高度(50mm250mm)对
2、芯体中三个典型位置的敷布铝板表面润湿率的影响。利用导湿织物的保水性,探究了间歇喷淋下(喷淋 15s,间隔 15min)湿通道的热性能。结果显示:随着喷淋时间、喷淋流量、喷淋高度的增加,边缘板的润湿率显著增加,之后达到稳定。在喷射角为 58、喷淋流量为 5L/min、喷淋高度为 100mm150mm 的工况下,芯体喷淋 30 秒后可达到完全润湿。间歇喷淋下出口温度和壁温均呈周期性变化,性能系数(COP)是连续喷淋下的 6.52 倍。说明导湿织物配合间歇喷淋可以显著改善湿通道亲水性并大幅提升能效。研究结果对亲水型间接蒸发冷却器的高效运行和设计具有一定的指导意义。【关键词】间接蒸发冷却器;导湿织物;
3、湿扩散;润湿率;间歇喷淋;性能系数中图分类号TB657.5文献标识码AExperimental Study of Effects ofMoisture-conducting Fiber on Hydrophilic and Thermal Performance of Indirect Evaporator CoolerWu TongCao LiminLv XinChen Yi(School of Marine Equipment and Mechanical Engineering,Jimei University,Xiamen,361021)【Abstract】To improve the
4、 hydrophilicity and evaporative rate of the wet channels of an indirect evaporative cooler(IEC),andavoid the problems of local dry regions and thick water film,the hydrophilic and thermal performance of an IEC withmoisture-conducting fabric attached to the wet walls are studied.In the experiment of
5、hydrophilicity,the wicking height anddiffusion rate were firstly tested.Then,the influences of spray time(5s180s),spray flow rate(2L/min6L/min)and nozzle height(50mm250mm)on the surface wetting rate of the coated aluminum foil at three typical positions in the core were studied bysetting up a core w
6、ater distribution experimental platform and combing with digital image processing.Owing the water storage offabric,the thermal performance of wet channels under the intermittent spray(spray period:15s,interval:15min)was investigated.The results show that with the increase of spray time,spray flow ra
7、te and spray height,the wetting ratio of the outmost plates基金项目:福建省自然科学基金(2021J05165);集美大学引进高层次人才科研启动基金(ZQ2021013);集美大学大学生创新项目(2022xj149)作者简介:吴同(2002-),女,在读本科生,E-mail:通讯作者:陈奕(1988-),女,博士,副教授,E-mail:收稿日期:2023-03-01第 37 卷第 4 期2023 年 8 月制冷与空调Refrigeration andAir ConditioningVol.37 No.4Aug.2023.49550249
8、6制冷与空调2023 年surface increases obviously and then reaches a steady state.Under the conditions of spray angle of 58,spray flow of 5L/min andspray height of 100mm-150mm,the core reaches fully wet after 30s spraying.The outlet air and surface temperatures varyperiodically,and Coefficient of Performance
9、is 6.52 times of that under continuous spraying,indicating that the fabric can greatlyenhance the wettability and improve the energy efficiency.The research results provide references for the design and operation of ahydrophilic IEC.【Keywords】Indirect evaporator cooler;Moisture-conducting fiber;Mois
10、ture diffusion;Wetting ratio;Intermittent spray;Coefficient of Performance0引言间接蒸发冷却技术是工作空气与循环水在湿通道侧直接接触后,经过蒸发冷却降温,再间接地通过换热器带走一次空气中的热量,从而对一次空气进行等湿降温的技术1。它利用水的蒸发吸热制冷,可以较好利用自然冷能,相较于传统的机械压缩式制冷技术,更加环保、节能、经济、高效2。间接蒸发冷却技术积极响应了国家的“双碳”政策,广泛应用于数据中心和各种公共建筑中,取得了良好的节能减排效益。由于间接蒸发冷却器依赖于水在湿通道中蒸发吸热实现冷却相邻干通道内的一次空气,因此
11、,冷却器湿通道的亲水性及其蒸发速率对整机的冷却效率和性能有重要的影响。湿通道的材料会显著影响壁面的润湿性和蒸发性能。目前采用的芯体材料主要包括聚丙烯高分子、亲水改性的高分子、金属铝箔和涂有亲水涂层的金属铝箔,其接触角在 40至 90以上,亲水性能还有待提高3。应用传统芯体材料不可避免出现局部干点或局部水膜过厚的问题,干点的存在易于水垢的形成,甚至在铝箔表面形成穿孔,影响了使用寿命。过厚的水膜增大了传热热阻和风阻,使得冷却器效能降低。因此,各类新型亲水材料的特性和应用成为近年来间接蒸发冷却器的研究热点,也是其能效提升的重要途经之一。褚俊杰等3采用测试接触角、喷雾布水、喷淋布水等方法,研究间接蒸发
12、冷却器高效换热材料的亲水性与布水均匀性。结果表明:材料亲水性较优顺序依次为植物纤维聚合物材料、金属铝箔材料、聚丙烯高分子材料。屈明勋等4针对涂有亲水涂层金属铝箔材料制成的间接蒸发冷却换热芯体,在不同的试验环境、不同的二/一次风量比下进行试验,结果表明:涂有亲水涂层的金属铝箔换热芯体在过渡季节工况下,其湿球效率可达 63.1%,高温工况下可达到64.13%。湿通道的润湿性除了材料的选用,还与布水系统息息相关。林勇军等5通过试验探究了二次空气通道布水系统对板式换热器性能的影响。试验结果表明:随着气水比增加,板式换热器的换热效率先提升后降低,当气水比为 5.76 时,板式换热器的换热效率达到最佳值
13、0.61。板式换热器的换热效率随着喷淋密度的增大(喷淋密度0.83kg/(sm2))和喷淋水温的降低而提升。贺红霞等6研究布水形式与存水对露点间接蒸发冷却器换热效率的影响。结果表明,露点间接蒸发冷却器的喷淋布水形式采用螺旋形喷嘴效果较好,布水均匀性较高。文献和市场调研显示:目前的布水方式主要包括喷淋和喷雾布水,其性能稳定,价格适宜。但常规的铝箔和高分子塑料芯体依赖于持续喷水形成的连续水膜,以维持蒸发效率。另外,水泵的连续运行一方面浪费能源,另一方面难以避免水滴被高速的工作空气携带排出,造成耗水量的增加。因此,在保证均匀且完整水膜的前提下,使用间歇喷淋代替连续喷淋,可实现节水节电的精确布水,进一
14、步提升机组能效,引起越来越多的研究关注。金洋帆等7利用搭建的板翅式间接蒸发冷却器试验台,对间歇性和连续性的布水方式的换热性能进行了对比试验,并分析了间歇性和连续性喷淋对均匀布水的影响因素。结果表明,淋水密度随着喷淋水压力的增大而增大,但增长幅度下降,且趋于平缓;当连续性与间歇性布水的湿球效率仅相差 0.4%时,连续性布水第 37 卷第 4 期吴同,等:导湿织物对间接蒸发冷却器亲水性和热性能影响的实验研究497的淋水密度却是间歇性布水的 50 倍。王鑫等8采用吸水性较好的新型多孔陶瓷材料制作管式间接蒸发冷却器,实现间接蒸发冷却器的间歇性布水,缩短循环水泵运行时间。现有的研究主要是通过采用亲水性芯
15、体材料和改善布水系统来提高间接蒸发冷却器性能。虽然很多亲水材料(包括:植物/人造纤维、亲水涂层、多孔陶瓷等)对提高冷却效率的效果已被证实,但导湿织物以低廉的价格和优良的性能得到了最广泛的研究关注9。但关于导湿织物的相关研究均集中在织物本身的湿传递性能测试上,而对不同喷淋参数下,湿通道内部的润湿特性还有待深入的研究。因此,本研究针对敷设导湿织物的铝箔芯体,利用织物的保水性实现间歇喷淋,节省水泵能耗、减少耗水量、减小传热热阻,提高系统性能系数。通过搭建可视化的芯体布水实验台,在各种布水参数下,利用图像处理技术研究了芯体内部的润湿特性,并对间歇喷淋策略下,湿通道的热性能进行了探究。本研究首先测定了导
16、湿织物的芯吸高度和水平湿扩散率。其次,研究了喷淋时间(5s180s)、喷淋流量(2L/min6L/min)以及喷嘴高度(50mm250mm)对附有导湿织物的铝箔板芯体水分布和润湿率的影响规律,从而得到喷淋系统推荐的设计参数。最后,在间歇喷淋下(喷淋 15 秒,间隔 15 分钟),对冷却器的出口温度和性能系数(COP)进行测试,并与连续喷淋对比分析。本研究旨在为亲水型的间接蒸发冷却器的设计和运行提供一定的参考,并为相关的研究提供新的方法。1导湿织物的湿扩散性能本实验中采用的导湿织物(以下称珍珠布)由70%的尼龙人造丝加 30%的聚酯纤维构成。经测定,其厚度为 0.4mm,比重是 120g/m2,
17、干工况下导热系数为 0.0674W/m2K,完全润湿工况下导热系数为 0.3W/m2K。实物照片和光学显微照片(放大 62.5 倍)如图 1 所示。(a)实物照片(b)显微照片图 1导湿纤维的实物照片及显微照片Fig.1Physical photo and micrograph ofmoisture-conducting fiber1.1芯吸高度芯吸高度反映了导湿织物垂直方向的湿传递性能。织物芯吸性能按照 FZ/T01071-2008 纺织品毛细效应试验方法标准进行实验。将导湿织物沿经、纬向裁成宽度为 30mm,长度为 250mm 的条形试样,将试样一端用架子固定在水平管上,使试样下端浸于稀释
18、过的墨水液面下方(152)mm 处,由直尺读出不同时间下的芯吸高度并记录。实验热湿环境由干湿球温度计记录(干球温度 27,湿球温度 23,相对湿度 71.46%)。实验进行三次,取平均值为最终结果。如图 2 为实验装置的照片,材料的芯体高度以及与其他文献的对比如图 3 所示。随着时间的增加,珍珠布的芯吸高度逐渐上升,无论是增长幅度还是增长速度,均一直高于与之相对比的纯棉织物与 Coolmax 织物10,30 分钟后的芯吸高度为 18cm。牛皮纸材料、无纺布材料、聚酯纤维材料 30 分钟内的芯吸高度均在 10 厘米以内11。498制冷与空调2023 年图 2芯吸高度实验装置Fig.2Experi
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