国内外露点间接蒸发冷却技术研究最新进展

褚俊杰，黄 翔，孙铁柱

（西安工程大学，陕西西安 710048）

1 前言

2003年Valeriy Maisotenko教授提出一种新的间接蒸发冷却热力循环形式［1］，它可以使任何一种气体或者液体冷却到湿球温度以下，直至逼近露点温度。国际上称这种热力循环为M－循环，由于它自身就是一种结构更加紧凑、换热效率更高的间接蒸发冷却技术形式，因此，国内学者更多地称之为露点间接蒸发冷却技术。露点间接蒸发冷却技术的提出在蒸发冷却研发进程中具有跨时代的意义。它几乎颠覆了人们对传统蒸发冷却技术体积大、效率低的认知，露点间接蒸发冷却具有可以提供逼近露点等湿冷却后的产出空气，占地面积小，安装形式灵活等特点。因此，日益受到国内外众多学者的重视，也是蒸发冷却技术研究的主要方向。

2 露点间接蒸发冷却技术原理

在间接蒸发冷却过程（图1）中往往有2股空气流，一次空气和二次空气。在湿通道中，二次空气与水膜边界层接触发生直接蒸发冷却，二次空气的显热通过水膜的蒸发而被吸收并转化为潜热。在干通道中，空气被等湿冷却后送入需要的空间。可见，间接蒸发冷却中，干湿通道或者说冷热通道之间的换热温差为一次空气的干球温度与二次空气的湿球温度之差。

图1 间接蒸发冷却示意

而在露点间接蒸发冷却器中，在干湿通道侧的薄板上打上小孔（图2），或者在干通道的末端打孔，使得部分一次空气被引入湿通道（图3）中。这样二次空气往往是一次空气的一部分，二次空气在进入湿通道之前就已经在换热器芯体内部被预先冷却，冷却以后的二次空气的湿球温度会进一步降低，拉大了干湿通道的换热温差，使得干通道内的一次空气降温幅度会增大，可以突破自身的湿球温度达到亚湿球温度［2］。

图2 叉流式露点间接蒸发冷却示意

图3 逆流式露点间接蒸发冷却示意

露点间接蒸发冷却在焓湿图（图4）上的表示为一次空气1进入换热器干通道内，等湿降温，状态从点1→2（接近1dp），突破了进口空气湿球温度，达到亚湿球温度。部分冷却后的一次空气作为二次空气被引入湿通道，沿途与水膜发生热质交换，状态从点2→2wb→3。

图4 露点间接蒸发冷却焓湿

3 数学模型与数值模拟

对于以水的蒸发冷却为驱动势的冷却器来说，冷却器的干湿通道中的换热效果往往受到多个因素的影响，进口空气参数的改变，进入湿通道的空气进行蒸发冷却热质交换过程，水膜的状态变化等等。因此，研究冷却器芯体中的气体、水膜、壁板、气体的传热传质过程，往往需要从建立数学模型和数值模拟计算的角度对露点蒸发冷却器进行计算、分析及优化设计。

Zhao等采用二维数值模拟的方法对一种新型的逆流间接蒸发冷却器进行了研究［3］，对蒸发冷却器的几何尺寸和操作条件进行了数值模拟研究。Riangvilaikul等对一种逆流式露点蒸发冷却器进行了数值模拟和试验研究，研究结果表明，在炎热和潮湿的气候条件中，该逆流式露点蒸发冷却器也有着非常好的使用效果［4］。Lee等也提出了一种逆流式露点蒸发冷却器形式，并且进行了试验分析和数值模拟研究［5］。Zhan对叉流式露点间接蒸发冷却器的热性能进行了数值分析［6，7］，该数值模型使用有限元方法建立产品和工作空气之间热和质量传递的耦合控制方程。Duan对三角形通道的逆流式露点蒸发冷却器进行了数值模拟研究［8］，认为在间接蒸发冷却中对流传热是热传递的主要机制，而通道壁是不能传质的，并使用EES软件对建立的数学模型进行求解计算。Jradi和Riffat等使用Matlab为交叉流交换器开发了一种用于能量核心的详细数值模型［9］，并使用有限差分法来解决热质传递耦合的方程，以预测整个干通道和湿通道的空气温度和湿度分布。Hasan提出了一种使用ε－NTU方法、空气的焓关系建立了数学分析模型［10］，研究表明，当通过重新定义潜热梯度、传递系数和热容量速率参数时，该数学模型可以很好的分析露点间接蒸发冷却器。Anisimov和Pandelidis等对叉流式和逆流式露点间接蒸发冷却器进行了研究［11～15］，开发了二维热质传递模型，以及使用基于修改的ε－NTU方法开发了数值模型以执行间接蒸发冷却过程的热计算，从而量化上对蒸发冷却器总体性能进行了优化。Heidarinejad G，Moshari S考虑了壁纵向热传导和冷却器表面喷淋水温变化的影响［16］，建立了数学模型，使用有限差分法对传热传质方程离散化，并且使用迭代法进行求解。J.Lin和K.Thu提出了一种单级逆流式露点蒸发冷却器的改进数学模型［17］，模型中考虑了气流、通道板和水膜的纵向热扩散和质量扩散，以及通道板和水膜之间的温差。Cui X等通过将模拟无量纲出口温度拟合为每个无量纲组的函数来确定相关性的经验常数进行数值模拟［18］，改变每个无量纲组的值进行模拟，同时保持其它参数的恒定值，通过将计算结果与试验结果以及从文献获得的公开的试验数据进行比较来验证相关性。

4 试验结果

在试验分析方面，国内外对于露点蒸发冷却器的流道形式、换热芯体尺寸、运行条件、冷却效果等进行了大量的研究。

Riangvilaikul等各种进口空气参数和结构参数等因素对热力性能的影响，针对一种逆流式露点间接蒸发冷却器进行了试验，湿球效率为106%－109%，露点效率为 65%～86%［4］。

Zhan等在相同的几何尺寸和运行条件下对叉流换热器和逆流换热器对比分析，并进行相应的参数法研究，其中叉流式露点间接蒸发冷却器的湿球效率为116%，逆流式露点间接蒸发冷却器的露点效率为 80%～90%［6，7］。Lee等主要在不同的运行条件下，对放置于人工环境实验室的一种逆流式加肋片露点蒸发冷却器的性能进行分析，试验结果表明，其湿球效率为118%～122%，露点效率为75%～90%［5］。Sergey等主要针对叉流露点蒸发冷却器进行了性能评价，对比了试验和数值模拟的的结果，进一步分析提高制冷量和效率的方法，以空气含湿量25 g/kg为例，冷却器湿球效率为90%～110%，露点效率为63%～68%之间［15］。Rogdakis ED等讨论了在希腊地区不同气象条件和二次空气与一次空气风量比值对一种叉流式露点冷却器冷却性能和水耗量的影响，试验结果显示，该露点间接蒸发冷却器的湿球效率在 97%～115% 之间［17］。X. Cui等主要讨论了空气进口参数、室内空气作为回风、几何尺寸、加肋片对冷却器性能的影响，试验结果为，冷却器湿球效率在122%～132%之间，露点效率在81%～93%之间［20］。刘佳莉等在高湿度地区对一种复合式露点间接蒸发冷却空调机组的风压、效率、二次/一次风量比、淋水量、耗水量等性能参数进行实际测试［21］，测试结果显示，在室外高湿条件下，该机组的湿球效率最高可在103%。宋姣姣等使用一种交叉式露点蒸发冷却空调机组在模拟的数据机房中进行试验测试分析，测试结果显示，该机组的湿球效率为91%［22］。蒋小强等设计了一种新型的露点蒸发冷却空调机组，搭建试验平台对其进行试验测试分析，测试结果显示，该新型空调机组的湿球效率为126%［23］。王玉刚等建立了一种新型的露点间接蒸发冷却空调系统，并且在8种不同气候条件下，通过试验模拟的方法进行研究［24］。其中机组风量150 m3/h的条件下，湿球效率在80%～99%之间，露点效率在50%～75%之间。

5 材料的研究

在间接蒸发冷却的干湿通道中，由于热湿传递过程的不同，对于材料的要求也是不同的。在湿通道中，由于水膜的存在，一种亲水性能好，传热效果好，扩散性好，强度大的材料也成为露点间接蒸发冷却技术研究的重点。

黄翔等提出了一种多孔陶瓷露点间接蒸发冷却器，并建立了试验台对其性能进行了测试分析［25］；另外还提出在管式间接蒸发冷却器的表面包覆一层吸湿性的材料［26］，并且对这一层吸湿性材料进行了理论和试验研究，以验证其使用效果。Xu P等从各种纤维编织试验测试中可以得出［27］，各种面料（纺织品）与已经通常用于间接蒸发冷却器中湿通道表面介质的牛皮纸相比，可以发现大部分的纺织面料在水分毛细作用下拥有优越的特性，更大的扩散系数和更好的蒸发能力。Bruno建造一个平板错流热质交换器［28］，使用了一种特殊的介质提高湿通道的亲水性能，同时水分不能透过的干燥通道，测试表明，这种换热器的露点效率为75%，再给定的运行条件下仍然相对较低。Velasco等进行了基于聚碳酸酯的间接蒸发冷却热交换器的试验研究［29］。受益于低成本和低重量，以及没有腐蚀问题，限制由低导热系数引起的减少板的厚度。结果表明，过高的室外空气温度或空气流率促进了获得系统的冷却性能。

6 实际商业产品

6.1 国外露点间接蒸发冷却商业化产品

（1）美国的Coolerado公司是是专门致力于M循环蒸发冷却技术的生产商，为推广M循环技术做出了很大贡献。该公司利用其专利穿孔板式叉流换热器生产了一系列空调器，如M30、M50、C60，其具体参数如表1所示。

表1 Coolerado空调器各项参数

图5为Coolerado公司H80空调机组，该机组为露点蒸发冷却与机械制冷复合一体化空调机组，其中露点间接蒸发冷却换热芯体为机组的核心功能段，额定风量2700 m3/h，EER（能效比）为21～51，高于标准条件，COP（制冷系数）为 6～15。主要用于商业建筑，可以给280m2提供制冷量。该机组有全新风和混合风2种运行模式。根据加州大学戴维斯分校等单位的测试结果显示［30］，测试期间的9月份，H80被发现使用大约1500 kW·h的电力，并且与常规空调相比节省30%的能量。以每kW·h节省14美元，这相当于9月份节省90美元。按此速率的年节约将是每年1080美元。每年节省超过1000美元，这种机组的节能潜力还是较为可观的。

图5 Coolerado H80 空调机组运行模式

（2）ISAW TAC－150和TAC－2000系列是由英国CET公司研发的一系列蒸发式空调器。它们的核心部件是一种叉流式露点间接蒸发冷却器，生产商的数据表明，该换热器的湿球效率和露点效率可分别能达到110%～120%和55%～85%。其具体参数如表2所示。

表2 ISAW蒸发式空调器各项参数

（3）OASys是戴维斯能源组织开发的蒸发冷却空调机组，如图6所示，第一级为逆流式间接蒸发冷却段，对空气进行预冷，第二级为直接蒸发冷却段。室外空气通过压入式风机进入逆流式露点间接蒸发冷却段，其中30%的空气作为工作空气通过板上的穿孔进入相邻湿通道内，与水膜热湿交换以后排入室外，剩余空气作为产出空气在干通道内被等湿降温后，通过填料加湿冷却温度进一步降低，最后送入房间。

图6 间接－直接蒸发冷却器结构示意

戴维斯能源组织对此蒸发冷却空调机组进行了试验测试［31］，结果表明，OASys系统每年耗电135 kW·h，峰值用电 0.52 kW，与机械制冷空调系统相比每年耗电量和峰值用电可分别减少93%和83%。

（4）Climate Wizard间接蒸发空调机组是由澳大利亚Seeley International公司研发的空调产品，如图7所示。该空调机组的核心部件为逆流式露点间接蒸发冷却器，与机械制冷空调系统相比可节能80%左右。其具体参数如表3所示。

图7 Climate Wizard间接蒸发空调机组结构示意

表3 Climate Wizard空调机组各项参数

太平洋煤气与电力公司（Pacific Gas and Electric Company）2009年曾对该间接蒸发冷却空调机组在实验室条件下进行了测试［32］。在试验测试条件下，空调机组送风干球温度可以达到18.9～27.2 ℃，湿球效率为 89%～112%。

6.2 国内露点间接蒸发冷却商业化产品

（1）复合式露点间接蒸发冷却空调机组

如图8所示，该机组将直接蒸发冷却与叉流式露点间接蒸发冷却相结合，室外新鲜的空气从机组入口进入换热芯体干通道，一部分降温的空气经过通道壁面孔口，进入另一侧的湿通道，作为工作气流与喷淋水热湿交换，在排风机的作用下排出室外；另一部分降温的空气沿着干通道继续往前运动，在送风机的牵引作用下，穿过通道壁面的孔口进入湿通道，与喷淋水直接接触，发生热湿交换，温度降低后作为产出气流［19］。

图8 复合式露点间接蒸发冷却空调机组结构示意

（2）交叉式露点间接蒸发冷却机组

如图9所示，机组工作空气通过芯体下部的干通道，被前一级湿侧蒸发冷却带走显热，焓值降低，实现预冷之后，经过节流孔进入另一侧垂直的湿通道进行绝热加湿，然后排出机组。产出气流通过芯体上部的干通道，绝对含湿量不变，干球温度被另一侧交叉布置的多级湿通道依次降温，然后送入房间［20］。

图9 交叉式露点间接蒸发冷却机组结构示意

（3）数据中心专用露点间接蒸发冷却空调机组

如图10所示，该空调机组工作空气为室外新鲜空气，首先全部被带到干通道，通过设计的小孔，工作空气被逐渐转移到湿通道，干通道的空气被湿通道的高湿低温冷却，然后在下一阶段进一步分离，干通道的空气进一步被冷却，即产出空气沿着流动路径被冷却，直至接近露点温度。而对于室内回风来说上进上出，在芯体膜内外与低温高湿的新风进行间接热交换［22］。

图10 数据中心专用露点机组结构示意

（4）露点间接蒸发冷却空调机组

如图11所示，该空调机组由进风段、混合段、表冷段、间接段、直接段等功能段组成，空调机组的核心部件为叉流式露点间接蒸发冷却器。机组有着多种尺寸，风量从3000 m3/h到20000 m3/h。该空调机组也已经在大型公共建筑、工业建筑中得到了实际的应用。

图11 露点间接蒸发冷却空调机组结构示意

7 结论

（1）露点间接蒸发冷却技术是蒸发冷却空调技术的最重要的研究方向之一，通过对产出空气的不断冷却，从而获得逼近空气露点温度的出风和出水产品。

（2）露点间接蒸发冷却器中空气与水的流程更为多变和复杂，随着研究的深入，相关数学模型的建立也是越来越完善，其数值计算结果也已经与试验结果较好地吻合。

（3）多孔陶瓷、聚合物材料、纺织布料等已经应用的蒸发冷却器的研究当中。寻找一种亲水性好、导热系数高、强度高的湿通道材料也是露点间接蒸发冷却技术的研究重点。

（4）蒸发冷却空调商业化产品主要为产出介质为冷风的机组。其结构简单，效率较高，在测试条件下湿球效率和露点效率可以达到预期要求，有较好的节能效果。

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