立管间接-靶式喷嘴复合蒸发冷却空调机组的设计与性能分析

宋祥龙，黄翔，申长军，吕伟华，黄萍，张彦，席培涵，朱永锋

（1-西安工程大学，陕西西安 710048；2-陕西金翼通风科技有限公司，陕西咸阳 712000）

立管间接-靶式喷嘴复合蒸发冷却空调机组的设计与性能分析

宋祥龙*1，黄翔1，申长军1，吕伟华1，黄萍2，张彦2，席培涵2，朱永锋2

（1-西安工程大学，陕西西安 710048；2-陕西金翼通风科技有限公司，陕西咸阳 712000）

针对现有间接蒸发冷却器、直接蒸发冷却填料易堵且难以清洗，蒸发冷却空调机组占地面积大、难以灵活布置等缺陷，本文提出了一种立管间接—靶式喷嘴复合蒸发冷却空调机组，并从结构角度对机组的防堵性能进行了分析。以10,000 m3/h为例，本文设计计算与制作了这一新型机组，并进行制冷量与能效比计算，为该新型蒸发冷却空调机组的设计提供一些参考。

立管式间接蒸发冷却器；靶式撞击流喷嘴；设计计算；防堵；蒸发冷却空调机组

0 引言

近年来，在国家节能减排政策的推动下，蒸发冷却空调因其节能、环保、绿色、健康的特点，日益受到行业人士的瞩目[1-5]。其中凭借管式间接蒸发冷却器换热效率稳定、空气流动阻力小、成本低廉、直接蒸发冷却填料比表面积大和换热效率高等优势，管式间接+直接蒸发冷却填料的两级或三级蒸发冷却空调机组得到了广泛推广，并取得良好的应用效果。

但在风沙严重的西北地区、以及含尘浓度较高的部分工艺车间，空气品质较差，在使用一段时间后，管式间接蒸发冷却器及填料均出现结垢甚至堵塞现象，降低换热效率，缩短使用寿命。同时由于结构因素，蒸发冷却空调机组占地面积较大，难以灵活布置，这些缺陷使得蒸发冷却空调在该类地区或场所的应用受到限制。因此本文提出立管间接-靶式喷嘴复合蒸发冷却空调机组，分析机组的防堵性能，并以10,000 m3/h为例，进行机组的设计计算与制作。

1 复合蒸发冷却空调机组结构及工作原理

该立管间接-靶式喷嘴复合蒸发冷却空调机组主要由立管式间接蒸发冷却段、流体动力式喷水室段及送风机段组成，机组结构示意如图1。

1-进风阀，2-空气过滤器，3-立管式间接蒸发冷却器，4-流体动力式喷水室，5-送风机，6-送风阀，7-二次排风机

1.1 立管式间接蒸发冷却器

与传统卧管式间接蒸发冷却器不同，立管式间接蒸发冷却器，其一次空气流经换热管外侧，二次空气与循环水流经换热管内，由于管外较宽的空气流道以及管内循环水的自冲刷作用，换热器的堵塞问题大大缓解，同时采用立管式可缩小间接蒸发冷却器在水平方向尺寸，减小机组占地面积。其结构及工作原理如图2。

1.2 流体动力式喷水室

流体动力式喷水室的主要结构为靶式撞击流喷嘴。与离心喷嘴旋流离心雾化机理不同，靶式撞击流喷嘴利用高速水流与靶板的相向撞击，在撞击面形成较高静压，蓄集的压能使流体产生径向速度，挤压出一圆形水膜，迎面气流与水膜发生剧烈摩擦，将其撕碎，从而达到雾化作用[6-8]。撞击式流喷嘴雾化角为180°，节省喷嘴的使用量，同时由于水流的自冲刷作用，喷嘴堵塞问题得到缓解，图3为流体动力式喷水室结构示意及工作原理图。

图3 流体动力式喷水室结构示意及工作原理图

2 复合蒸发冷却空调机组设计计算

以10,000 m3/h为例，对该立管间接—靶式喷嘴复合蒸发冷却空调机组进行设计计算。

2.1 立管式间接蒸发冷却器设计计算

立管式间接蒸发冷却器按单个模块处理风量5,000 m3/h设计，机组设置双模块。立管式间接蒸发冷却器为管内布水，为便于换热管内壁形成均匀稳定的贴附水膜，换热管采用圆管，管外径d=30 mm，管壁厚0.3 mm，管长1.5 m，管材采用铝合金，管壁内侧进行喷砂亲水处理。同时，为增加一次空气扰动性增强换热，换热管束排列方式设置为叉排，其中奇数排16根、偶数排15根，换热管间距如图4所示，其中S1=40 mm、S2=35 mm。

换热管内壁贴附的循环水膜与二次空气逆流接触，发生热湿交换降温，同时与管外流过的一次空气间接换热，最后由二次排风携带蒸发掉的水蒸气排出。当管内热质交换与管外显热交换形成动态平衡时，管内循环水温度趋近于二次空气的湿球温度（因与管外空气存在显热交换，循环水温度略高于湿球温度1 ℃～2 ℃）。因此，忽略管壁热阻，立管式间接蒸发冷却器的换热属管壁壁温恒定、空气外掠圆管管束对流换热[9]。

图4 换热管束排列示意图

通过查询换热设备h概略值[11]，换热管内循环水侧对流表面传热系数h1=400 W/(m2·K)。

忽略管壁热阻，又因管壁很薄可按平壁计算传热系数：

联立式(5)与式(2)并代入数据得：

查询排数修正表，取修正系数εz=0.995，得出排数n=18.5，取整后排数为19。

因此该立管式间接蒸发冷却器选用d=30 mm圆管，迎风断面上，换热管数奇数排为16根、偶数排为15根，共设计19排，总换热面积为39 m2，单个模块风量为5,000 m3/h，模块尺寸长×宽×高=680 mm×710 mm×1,500 mm，机组设置双模块，设置布水器及收水器后，立管式间接蒸发冷却段尺寸为长×宽×高=680 mm×1,500 mm×2,000 mm。二次/一次风量比选为0.7，二次空气流量为7,000 m3/h。

2.2 流体动力式喷水室设计计算

流体动力式喷水室性能参数如表1所示[12]。由立管式间接蒸发冷却器尺寸可得，流体动力式喷水室迎风面尺寸宽×高=1,500 mm×2,000 mm。

表1 流体动力式喷水室性能参数表

2.3 整机尺寸、功耗及能效比

通过设计计算确定立管式间接蒸发冷却段及流体动力式喷水室段结构及尺寸，并设置送风机段，最终机组尺寸为：长×宽×高=4,000 mm× 1,500 mm×2,300 mm。机组实物如图5所示。

图5 立管间接—靶式喷嘴复合蒸发冷却空调机组实物图

通过机组风量及水力计算选取风机，通过喷淋水量及喷水压力选取水泵，最终机组动力设备功率如表2所示，总功率W=7.45 kW。

表2 机组动力设备功率表

根据设计，立管式间接蒸发冷却器换热效率取65%、流体动力式喷水室湿球效率取90%，以西安地区为例，机组制冷量为Q=59 kW，机组能效比EER=7.9。

3 结论

针对目前现有间接蒸发冷却设备、直接蒸发冷却填料易堵、机组占地面积大等缺陷，本文提出了立管间接—靶式喷嘴复合蒸发冷却空调机组。由于特殊的空气流道及雾化机理，立管式间接蒸发冷却器及流体动力式喷水室均具有良好的防堵性能，适于在风沙大、含尘高的地区场所应用。以10,000 m3/h为例对机组进行设计计算与制作，经计算机组能效比为7.9，为今后该新型蒸发冷却空调机组的应用与推广提供一些参考。

[1] 黄翔. 蒸发冷却空调理论与应用[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[2] 郝航, 黄翔, 白延斌, 等. 模块化间接—直接蒸发冷却复合冷水机组的设计计算[J]. 西安工程大学学报, 2013, 27(4): 462-466.

[3] 王伟. 管式间接+直接多级蒸发冷却空调机组的优化和应用研究[D]. 西安: 西安工程大学, 2012.

[4] 张守信, 张聪, 张华, 等. 换热器结构布置对分体式空调室内机性能的影响[J]. 制冷技术, 2014, 34(5): 17-21.

[5] 刘晓峰, 罗绒, 黄翔. 转轮两级蒸发冷却空调在通信机房的应用研究[J]. 制冷技术, 2014, 34(5): 57-61.

[6] 黄翔, 颜苏芊, 武俊梅, 等. 流体动力式空调喷水室的理论与热工性能试验研究[J]. 制冷学报, 2002, 23(3): 18-23.

[7] 黄翔, 卢迅, 许世刚. 撞击流技术与流体动力式喷水室的研究进展[J]. 西安工程科技学院学报, 2002, 16(3): 213-217.

[8] 黄翔, 李刚, 颜苏芊. 流体动力式空调喷水室理论及靶式撞击流喷嘴的实验研究[J]. 暖通空调, 2004, 34(12): 55-58.

[9] 钱颂文. 换热器设计手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2002.

[10] GB 50736-2012 民用建筑供暖通风及空调调节设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012.

[11] 章熙民. 传热学 [M]. 5版. 北京: 中国工业出版社, 2007.

[12] 黄翔, 武俊梅, 邹平辉, 等. 流体动力式空调喷水室的实验研究[J]. 暖通空调, 2000, 30(1): 35-38.

Design and Performance Analysis of a Vertical Tube Type Indirect and Target Type Nozzly Composite Evaporative Cooling Air Conditioning Unit

SONG Xiang-long*1, HUANG Xiang1, SHEN Chang-jun1, LÜ Wei-hua1HUANG Ping2, ZHANG Yan2, XI Pei-han2, ZHU Yong-feng2
(1-Xi'an Polytechnic University, Xi'an, Shaanxi 710048, China; 2-Shanxi Gold Wing Ventilation Technology Co., Ltd., Xianyang, Shaanxi 712000, China)

Indirect evaporative coolers and direct evaporative cooling packing have the disadvantages of easy blocking, difficult cleaning, large size and inflexibility layout. To overcome the above disadvantages, a vertical tube type indirect and target type nozzly composite evaporative cooling air conditioning unit was proposed. The anti-blocking performance of the units was analyzed from the view of structure. A unit was designed and fabricated for 10,000 m3/h. The refrigerating capacity and energy efficiency ratio of the unit were calculated. The study provides references for the design of the evaporative cooling air conditioning unit.

Vertical tube type indirect evaporative cooler; Target type impinging stream nozzle; Design and calculation; Anti-blocking; Evaporative cooling air conditioning unit

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.02.204

*宋祥龙（1989-），男，在读研究生。研究方向：蒸发冷却空调技术。联系地址：陕西省西安市碑林区金华南路19号西安工程大学，邮编：710048。联系电话：15091197178。E-mail：lelexianglong@163.com。

西安工程大学研究生创新基金（2013075），西部地区利用干空气可再生能源的节能低碳型蒸发冷却空调开发与应用（项目编号2011KTCQ01-10）