板翅式间接蒸发冷却器的布水试验研究

金洋帆，黄 翔，屈名勋，王 颖，陈 梦

（西安工程大学，西安 710048）

0 引言

随着国家新基建和“碳中和”战略目标的提出，进一步加快了数据中心的建设，加剧了数据中心空调系统的能源消耗，间接蒸发冷却空调技术作为降低数据中心空调能耗的节能“利器”已成为主流趋势。

目前国内外诸多学者，针对间接蒸发冷却器的均匀布水进行了相关研究。GUILIZZONI等［1］对间接蒸发冷却器的布水器不同安装方式（90°顶部、侧部、90°底部、45°顶部和 45°底部）试验研究发现，在间接蒸发冷却器90°顶部布水优于其他布水形式。ANTONELLIS等［2-4］研究发现间接蒸发冷却器性能在一定程度上取决于喷嘴的数量和流量，但受水流速度的影响很大，另外将喷嘴与二次空气气流的方向逆流配置时冷却效果更好。CHUA等［5-6］研究表明水膜覆盖的均匀性对水膜温度产生影响，并发现中压喷雾相比于湿膜布水方式的湿球效率至少提升10%～25%。FABIEN等［7-8］基于喷淋形成机理和液滴扩散机理建立了传热传质模型，通过数值计算发现小粒径液滴、大喷淋锥角均有利于蒸发，水流量和喷嘴安装间距同时影响液滴大小和分布区域。

宋姣姣等［9］对福州市某模拟机房交叉式露点间接蒸发冷却空调机组进行了实测，结果发现，在间歇布水喷淋时间15 s时，最佳淋水密度为625 kg/（m·h）。孙铁柱等［10］研究表明，多孔陶瓷管完全湿润的情况下，淋水密度越小，湿球效率越高。张鸿等［11］通过对复合式露点间接蒸发冷却器布水的间歇性周期研究发现，在停1 min喷10 s时冷却器降温幅度和湿球效率最大。贺红霞等［12］研究发现间接蒸发冷却器不同材料的亲水性：聚合物纤维材料＞金属铝箔材料＞高分子材料，并对这3种材料采用何种喷头、布水时间和安装高度给出了建议。王树信等［13］对于半椭圆管研究表明，随淋水密度的增加，管外壁面温度先减小后增大，存在最佳淋水密度，使得管外壁面温度降低量最大。由玉文等［14］通过研究高温高湿地区间接蒸发冷却空调机组，发现喷水量在2～2.5 L/min时系统降温能力、湿球效率最高，较低的喷淋水温可有效提高换热效率。

目前数据中心用板翅式间接蒸发冷却器的均匀布水问题，已成为现阶段间接蒸发冷却空调优化改进普遍关注的技术难题。本文针对板翅式间接蒸发冷却器不同的布水方式进行试验研究。

1 试验台概况

1.1 试验台系统

本试验台主要是基于数据中心用的板翅式间接蒸发冷却器搭建的试验台系统，其工作原理与目前数据中心用的间接蒸发冷却空调机组相同，试验台系统示意如图1所示。

图1 试验台系统示意Fig.1 Schematic diagram of the test bench system

1.2 板翅式间接蒸发冷却器

本试验所采用的板翅式间接蒸发冷却器基本性能参数见表1。

表1 板翅式间接蒸发冷却器的性能参数Tab.1 Performance parameters of plate-fin indirect evaporative cooler

本试验设备板翅式间接蒸发冷却器最大的亮点便是采用移动式布水器。移动式布水器主要由驱动单元部件和布水单元部件组成，驱动单元部件的电机提供动力带动链条传动，布水单元部件的布水管和喷嘴在链条驱动下整体做机械往复式运动，从而实现间歇性布水。布水器往返移动一次时长为6 s，只有在前进单程3 s的时间内喷淋布水，回程时不再喷淋布水。移动布水的间歇性周期和喷水次数对应的关系见表2。

表2 移动式布水器的间歇性周期和喷水次数Tab.2 Intermittent period and water spray times of mobile water distributor

2 测试方案

2.1 测试工况

通过对室内外温湿度参数进行模拟作为此次试验的测试工况，具体模拟的测试工况见表3。

2.2 试验具体步骤

试验步骤如下所示：

（1）首先确定需要测量的参数，分别在板翅式间接蒸发冷却器试验样机的一、二次空气的进出风口设置测点。

（2）开启板翅式间接蒸发冷却器试验样机的一、二次风机，待风速稳定后，再开启电加热器对室内外一、二次空气进行温度调节，开启湿膜加湿装置对室内侧湿度进行调节，使得室内外一、二次空气的温湿度达到测试工况。

（3）湿工况测试，水泵开启，设定初始条件一、二次风量固定不变，调节水泵的压力，对应每组压力下运行板翅式间接蒸发冷却器试验样机60 min，使其干、湿通道里的一、二次空气参数达到稳定状态，对2.1小节中模拟的试验工况（湿工况 A，B，C，D）分别进行测试，每隔 1 min测量并记录板翅式间接蒸发冷却器试验样机进出口各断面处的空气状态参数。

（4）湿工况下，设定初始条件一、二次风量和喷淋水压力固定不变，对上部移动式间歇性布水、下部间歇性/连续性喷淋布水、上部移动式间歇性+下部间歇性/连续性喷淋布水依次分别进行测试，如图2所示。每种布水方式下测120 min，每隔1 min测量并记录各测点空气状态参数。

图2 不同布水方式测试Fig.2 Test of different water distribution methods

（5）试验测试结束，关闭试验系统。

2.3 试验仪器

测试中使用的试验仪器参数见表4。

表4 试验仪器参数Tab.4 Test instrument parameters

2.4 性能评价指标

湿球效率是数据中心用间接蒸发冷却器性能评价的重要指标，其计算方法如下：

式中 ηwb——间接蒸发冷却湿球效率；

tdb1——一次空气进口的干球温度，℃；

tdb2——一次空气出口的干球温度，℃；

t'wb1——二次空气进口的湿球温度，℃。

淋水密度是评价间接蒸发冷却器布水均匀程度的一个重要评价指标参数，其计算方法如下：

式中 Γ ——单位淋水长度上的淋水量，kg /（m·h）；

Mw——喷淋水量，kg/h；

n ——流道隔板数；

L1—— 一次空气通道长度，即二次通道的宽度，m。

3 试验结果与分析

3.1 上部移动式间歇性布水

3.1.1 水压对淋水密度的影响

图3示出了该板翅式间接蒸发冷却器试验样机在采用上部移动式间歇性布水时，淋水密度随喷淋水压力的变化情况。

图3 上部移动式间歇性布水水压与淋水密度的关系Fig.3 Relationship between water distribution pressure and water spray density of upper mobile intermittent water distribution

从图中可以看出，每一个间歇性布水周期，其淋水密度都是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。当布水间歇性周期为45 s时，其淋水密度随着喷淋水压力增加的幅度是先大后小，整体的增加幅度也是最大的，这对于板翅式间接蒸发冷却器刚开始布水是十分有利的，可以快速响应在湿通道侧表面形成水膜。对比布水间歇性周期45 s和95 s在同一水压下的淋水密度，发现间歇性周期45 s的淋水密度正好为间歇性周期95 s的2倍，而其他布水间歇性周期之间并无此规律。

3.1.2 布水间歇性周期对湿球效率的影响

图4示出了该板翅式间接蒸发冷却器试验样机在采用上部移动式间歇性布水时，布水间歇性周期与湿球效率的变化情况。随着布水间歇性周期的减少，布水时长的增加，不同水压下的湿球效率都逐渐增加，但是在水压为0.3，0.4 MPa条件下，间歇性周期为从95 s→45 s时，湿球效率基本不变，且水压为0.4 MPa条件下对应的湿球效率最大值为68.5%。因此，对于该板翅式间接蒸发冷却器试验样机采用上部移动式间歇性布水时，在水压为0.4 MPa条件下，间歇性周期为95 s时（即布水器移动喷3 s，间歇时长95 s），湿球效率最大。

图4 上部移动式间歇性布水周期与湿球效率的关系Fig.4 The relationship between the upper mobile intermittent water distribution period and the wet bulb efficiency

3.2 下部间歇性/连续性喷淋布水

图5示出了该板翅式间接蒸发冷却器试验样机在采用下部间歇性/连续性喷淋布水时，布水间歇性周期对湿球效率和淋水密度的影响情况。对下部间歇性喷淋布水方式（即间歇性周期为245 s→45 s）进行分析，随着布水间歇性周期的减小，湿球效率逐渐增加，95 s→45 s时增加幅度平缓，且最终达到最大值63.2%，对应的淋水密度也最大，其值为1 kg/（m·h）；对下部连续性喷淋布水方式（即间歇性周期为0 s）进行分析，其淋水密度明显大于间歇性布水的淋水密度，对应的连续性布水湿球效率为62%，淋水密度为15 kg/（m·h）。对比下部间歇性和连续性布水的湿球效率发现，在布水间歇性周期为45 s和95 s时，连续性布水的效果不及间歇性布水的效果，另外连续性布水的湿球效率与间歇性周期为145 s的湿球效率61.6%仅相差0.4%的情况下，连续性布水的淋水密度却是间歇性布水的50倍。分析其原因采用连续性的布水，喷淋水量太多，在板翅式间接蒸发冷却器的湿通道侧底部会聚集大量的水珠，最终由于水珠自身的重力而脱落于湿通道侧壁面，无法形成完整且薄薄的水膜，导致二次空气与水膜的热湿交换不够充分，而对于间歇性的布水，在喷一个周期停一段时间的情况下，水珠不会大量聚集，加之二次空气流动的方向与喷淋水的方向一致，属于顺流喷淋的情况，这时二次空气会对小水滴产生向上的剪切力，这是有利于水膜均匀分布的，从而提高板翅式间接蒸发冷却器的湿球效率。因此，对于该板翅式间接蒸发冷却器试验样机在采用下部喷淋布水时，不一定喷淋水量越多，湿球效率就越高。

图5 下部间歇性/连续性喷淋布水间歇性周期与湿球效率的关系Fig.5 The relationship between the intermittent period of the lower intermittent/continuous spray water distribution and the wet bulb efficiency

3.3 上部移动式间歇性+下部间歇性/连续性喷淋布水

图6示出了该板翅式间接蒸发冷却器试验样机在采用上部移动式间歇性+下部间歇性/连续性喷淋布水时，布水间歇性周期与淋水密度的变化关系。随着布水间歇性周期的减小，上部移动式间歇性+下部间歇性/连续性喷淋布水的淋水密度逐渐增加，且增加幅度不大。对于上部移动式间歇性+下部连续性喷淋布水的淋水密度平均为15.2 kg/（m·h），上部移动式间歇性+下部间歇性喷淋布水的淋水密度平均为0.52 kg/（m·h），两者的淋水密度差距较大。

图6 上部移动式间歇性+下部间歇性/连续性喷淋布水间歇性周期与淋水密度关系Fig.6 The relationship between the intermittent period of the upper mobile intermittent + lower intermittent/continuous spray water distribution and the water spray density

图7示出了该板翅式间接蒸发冷却器试验样机在采用上部移动式间歇性+下部间歇性/连续性喷淋布水时，布水间歇性周期与湿球效率的变化关系。随着布水间歇性周期的减小，采用上部移动式间歇性+下部间歇性喷淋布水的方式，湿球效率在逐渐增加，在间歇性周期为45 s时，其湿球效率最大为71.1%；采用上部移动式间歇性+下部连续性喷淋布水的方式，湿球效率在间歇性周期95 s→45 s时，湿球效率基本不变，对于试验样机，当布水间歇性周期为95 s→45 s时，此种布水方式下湿球效率达到最大值为69.3%。从图7中可以看出采用上部移动式间歇性+下部间歇性喷淋布水方式要比上部移动式间歇性+下部连续性喷淋布水方式的湿球效率整体高0.7%～1.9%。

图7 上部移动式间歇性+下部间歇性/连续性喷淋布水间歇性周期与湿球效率关系Fig.7 The relationship between the intermittent period of upper mobile intermittent + lower intermittent/continuous spray water distribution and wet bulb efficiency

3.4 不同布水方式对比分析

图8示出了该板翅式间接蒸发冷却器试验样机在采用不同布水方式时，布水间歇性周期与湿球效率的变化关系。

图8 不同布水方式下，间歇性周期与湿球效率的关系Fig.8 Relationship between intermittent period and wet bulb efficiency under different water distribution methods

（1）多种布水方式结合与单独一种布水方式对比分析。从图8中可以得到，采用上部移动式间歇性+下部间歇性/连续性喷淋布水的结合方式效果整体均优于单独采用一种布水的方式，上部移动式间歇性+下部间歇性喷淋布水相比于上部移动式间歇性布水的湿球效率提高1%～3%；相比于下部间歇性/连续性喷淋布水提高4%～9%。分析其原因为板翅式间接蒸发冷却器采用上部和下部同时布水的方式，可以集成上下布水的优点形成互补，减少了大量干点，使得湿通道侧壁面都能形成均匀的水膜，可以有效提高板翅式间接蒸发冷却器的湿球效率。

（2）上部逆流喷淋与下部顺流喷淋布水对比分析。上部移动式间歇性布水和下部间歇性喷淋布水的湿球效率随布水间歇性周期的变化趋势基本一致，且都是湿球效率随着布水间歇性周期的减小逐渐增大，最终趋于稳定。上部移动式间歇性布水相比于下部间歇性喷淋布水的湿球效率提高5.5%左右。因此，上部移动式间歇性布水效果优于下部间歇性喷淋布水。分析其原因为板翅式间接蒸发冷却器采用上部移动式间歇性布水，二次空气流向与喷淋水方向相反属于逆流喷淋的形式；下部间歇性喷淋布水，二次空气流向与喷淋水方向相同属于顺流喷淋的形式。采用逆流喷淋时，二次空气与喷淋水之间是一种紊流的状态，发生强迫对流换热，有利于湿通道侧的二次空气与水膜充分发生热湿交换，而对于下部顺流喷淋的形式，二次空气与喷淋水之间接触时间有限，加之受喷淋水滴自身的重力的影响，无法形成完整的水膜，使得二次空气与水膜之间热湿交换不够充分，所以逆流喷淋效果优于顺流喷淋。

（3）间歇性布水与连续性布水对比分析。从图8中可以看出无论板翅式间接蒸发冷却器试验样机采用上部还是下部布水，其间歇性布水效果都优于与之对应的连续性布水效果，分析其原因为间歇性布水形成的小水滴和薄水膜充分与二次空气接触，可以在短时间内完全蒸发，而对于连续性的布水使得湿通道侧壁面的水膜厚度增加，流道截面积减小，进而导致二次空气的流速加快，缩短了与水膜的接触时间，热湿交换不够充分。因此，间歇性布水的瞬时蒸发速率高于连续性布水的瞬时蒸发速率。

4 结论

（1）试验表明，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，在同一水压下，布水间歇性周期45 s的淋水密度正好为间歇性周期95 s的2倍。

（2）对比下部间歇性和连续性布水的湿球效率发现，在布水间歇性周期为45 s和95 s时，连续性布水的效果（湿球效率为62%，淋水密度为15 kg/（m·h））不及间歇性布水的效果，另外连续性布水的湿球效率与间歇性周期为145s的湿球效率61.6%仅相差0.4%的情况下，连续性布水的淋水密度却是间歇性布水的50倍。因此，间歇性布水的效果优于连续性。

（3）上部移动式间歇性布水和下部间歇性喷淋布水的湿球效率随布水间歇性周期的变化趋势基本一致，且都是湿球效率随着布水间歇性周期的减小逐渐增大，最终趋于稳定。上部移动式间歇性布水相比于下部间歇性喷淋布水的湿球效率提高5.5%左右。因此，逆流喷淋布水的效果优于顺流喷淋。

（4）对比不同布水方式的效果，上部移动式间歇性+下部间歇性/连续性喷淋布水的结合方式效果整体均优于单独采用一种布水的方式，上部移动式间歇性+下部间歇性喷淋布水相比于上部移动式间歇性布水的湿球效率提高1%～3%；相比于下部间歇性/连续性喷淋布水提高4%～9%。