风量比对间接蒸发冷却器性能影响的试验研究

doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2019.07.012

流 体 机 械2019年7月

制冷空调

风量比对间接蒸发冷却器性能影响的试验研究

李 晗1，吕 建1，李勇刚2，郭春梅1，孟丹东1

（1.天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384；2.天津市建筑设计院，天津 300074）

摘 要：风量比是回风风量与新风风量的比值，是间接蒸发冷却器性能的主要影响因素，调节新风风量和回风风量可以得到不同的风量比。在相同的风量比条件下，通过分别调节新风和回风风量试验对比分析两者对间接蒸发冷却器的出口温度、湿球效率、换热量和耗水量等性能的影响。试验发现，当风量比的范围为0.44~0.8时，风量比越小，调节回风风量可以得到更低的出口温度、更高的湿球效率、更低的换热量和更少的耗水量。调节回风风量使得风量比为0.44时，出口温度、湿球效率、换热量和耗水量分别为25.95 ℃、55.61%、1.29 kW和0.64 g/s，分别比调节新风风量时低0.37 ℃、高3.15%、低0.89 kW和少0.48 g/s。

关键词：间接蒸发冷却器；风量比；出口温度；湿球效率；换热量；耗水量中图分类号：TH137.8；TK5 文献标志码：A

Experimental Study on the Effect of Secondary-to-primary Air Ratio on the Performance of

Indirect Evaporative Cooler

Li Han1，Lv Jian1，Li Yonggang2，Guo chunmei1，Meng Dandong1

2.Tianjing Institute of Architectural Design，Tianjin 300074，China）

（1.School of Energy and Safety Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；

Abstract：The air ratio is the ratio of return air volume to fresh air volume and a main factor affecting the performance of indirect evaporative cooler （IEC）.By adjusting the fresh air volume and return air volume，different air ratios can be obtained. In this study，by comparative analysis of fresh air regulation test and return air volume test，the effects of them on the performance of the indirect evaporative cooler were investigated，such as outlet air temperature，wet-bulb efficiency，heat transfer and water consumption rate. In the tests it was found that when the air ratio falls in the range of 0.44~0.8，the lower the air ratio，lower outlet air temperature，higher wet-bulb efficiency，lower heat transfer and less water consumption rate could be obtained by adjusting the return air volume. When adjusting the return air volume to make the air ratio to be 0.44，the outlet air temperature，wet-bulb efficiency，heat transfer and water consumption rate were 25.95℃，55.61%，1.29 kW and 0.64 g/s，respectively，which were  0.37 ℃ lower，3.15% higher，0.89 kW lower and 0.48 g/s less than those obtained by adjusting the fresh air volume，respectively. Key words：indirect evaporative cooler；secondary-to-primary air ratio；outlet primary air temperature；wet-bulb efficiency；heat transfer；water consumption rate

0 引言

与传统的机械压缩式空调系统相比，间接蒸发冷却系统节能75%［1］，因此，间接蒸发冷却技术被认为是节能、高效、零污染环保冷却技术。

根据以前的研究成果可知［2-4］，影响间接蒸          收稿日期： 2018-10-25 修稿日期： 2019-03-04基金项目： 国家自然科学基金资助项目（51678385）

发冷却器性能的因素主要包括空气的进口温度、相对湿度、流速、通道的无量纲长度和风量比，其中雷诺数和努谢尔数与进口空气的流速紧密相关；此外，改变回风流速还可以影响水膜的蒸发量，进而影响湿通道内空气和水之间的传热传质。因此，许多研究者针对不同结构（M-IEC［5-7］和

李晗，等：风量比对间接蒸发冷却器性能影响的试验研究

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R-IEC［7-10］）的间接蒸发冷却器进行试验研究和数值模拟研究，风速和风量比是其分析的主要影响因子。

文献［1，11］分别对新型露点间接蒸发冷却系统建立焓平衡简化关系式和数值模拟，研究发现，提高风量比可以降低新风的出口温度，提高湿球效率。Antonellis等［12］针对间接蒸发冷却器在数据中心建筑方面的应用进行了试验研究，试验结果显示，提高回风流速可以提高其湿球效率。Duan等［13］对逆流再生式间接蒸发冷却器进行试验研究，研究发现增加风量比可以提高其湿球效率，但是同时也降低了热交换器的制冷量和能效比（EER）。因此，针对高效的再生式间接蒸发冷却器，综合湿球效率、制冷量和EER，许多研究者推荐了最优风量比。Bolotin等［14］建立叉流间接蒸发冷却器的传热传质数学模型，并通过数值模拟的方法比较分析典型叉流和再生叉流间接蒸发冷却器的性能，结果显示典型叉流间接蒸发冷却器最优的参数为NTU≈0.5，风量比约为0.5，再生叉流间接蒸发冷却器最优的参数为AbdelgaiedNTU≈0.5，风量比约为0.35。Kabeel和［15］对5种不同结构的新型内置挡板再生式间接蒸发冷却器进行试验和数值模拟研究，并进行对比分析，其中A类型是无挡板的普通再生式间接蒸发冷却器，B类型、C类型、D类型和E类型的内置挡板个数分别为9，11，13，15。试验结果显示，C湿球效率分别高类型、D类型和当进口风速为1.5~5.5 m/s时，B类型、34.7%E类型的湿球效率比，39.9%，41.6% 和A类型的42.5%，在这5种结构条件下，最优的风量比为0.3。Lee等［16］对内置翅片逆流再生式间接蒸发冷却器进行试验研究，在保证新风风量不变的条件下研究新风提取率（提取部分新风量作为回风）对再生式间接蒸发冷却器性能的影响。试验结果显示，32风提取率为±0.5 ℃在新风进口温度、、50±0.31% RH时湿球效率达到最高，和相对湿度和风量分比为8.2 cm3/min的条件下，对于不同新的温湿度条件下，0.26~0.33。Porumb他们推荐最优的新风提取率为等［17］综合前人的研究结果发现和回风参数相比，大部分学者们着重对新风风速的研究，一般的风速范围为0.01~6.0 m/s，但是其推荐应该更多地关注回风流速对间接蒸发冷却器性能的影响，因为回风流速和压力降、耗水量有直接的关系。

由上述可知，风量比是影响间接蒸发冷却器性能的重要因素。然而，在以往的研究中，只注重风量比、新风或者回风单一因素对间接蒸发冷却性能的影响，没有定量的对比新、回风对间接蒸发冷却性能的影响。因此，在相同的风量比条件下，本文通过分别调节新风和回风风量试验对比分析两者对间接蒸发冷却器的出口温度、湿球效率和耗水量等性能的影响。

1 间接蒸发冷却试验系统的建立

图1示出叉流板式间接蒸发冷却试验装置，该试验系统主要包括风系统、水系统、热交换器和其他测量仪器。

1-喷嘴；2-电加热器；6-过滤器；3-电加湿器；7-板式热交换器

4-循环水泵；5-集水箱；

图1 叉流板式间接蒸发冷却试验装置

图1中，新风的流动方向为从右至左水平方向流动，回风的流动方向，在热交换器处从下至上垂直方向流动，空气风量大小可由风道最右边的变频风机调节，空气的温湿度通过安装在管道的温湿度传感器测量。新风和回风通过热交换器进行换热，湿通道内的水由循环水系统提供，在回风通道内底部设有集水箱。

本试验通过调节新风和回风风量试验对比分析两者对板式叉流间接蒸发冷却器的出口温度、湿球效率和耗水量等性能的影响，因此，空气的温湿度应该保持不变，当调节新风风量改变风量比时，保证回风风量不变，相同的，当调节回风风量改变风量比时，保证新风风量不变。试验设置参数见表1。

表1 试验操作参数

温度/℃相对湿度/（%）

风量/（m3t33p，int26s，inRH·h-1）

45p，inRH60s，inV500p，inV400 s，in58FLUID MACHINERYVol. 47，No.7，2019

2 间接蒸发冷却器的评价指标2.1 湿球效率

水量，理论上讲，耗水量相当于回风空气的水蒸气

的增加量，因此通过计算回风空气水蒸气的增加量间接计算耗水量，其计算式为：

mw=式中

3 600g/s；mw——耗水量，

m3/h；Vs——回风的体积流量，

g/kg；ds，in——回风的进口相对湿度，

g/kg。ds，out——回风的出口相对湿度，

Vsρads,out-ds,in湿球效率描述的是新风出口温度可以被处理

的程度，新风经过热交换器的热湿处理后达到的最低温度为进口回风的湿球温度，因此，用湿球效率Wwb表示热交换器的性能，其表达式为：

wwb=

tp,in-ts-wb,intp,in-tp,out

（1）

()

（3）

式中 tp，℃；in——新风进口温度，

tp，℃；out——新风出口温度， ts-wb，℃。in——回风进口的湿球温度，2.2 换热量

换热量间接显示了新风的温降程度，换热量作为评价新风的制冷能力，表征换热量的传统计算式为：

Q=

cpρaVptp,in-tp,out3 6003 试验结果与分析

3.1 新风出口温度和湿球效率的变化

新风出口温度和湿球效率的变化如图2所示。由图2可以看出，通过调节新风风量和回风风量来增加风量比可以降低新风的出口温度，从而提高湿球效率，两者基本呈线性变化。通过调节新风风量增大风量比，这就意味着需要降低新风风量，减小新风风速。调节新风风量使得风量比由0.44上升到0.80时，新风风量则由900 m3/h下降到500 m3/h，降低新风风量虽然减小了新风和板之间的对流传热系数，但是增加了新风和板之间换热的时间，使得新风与板之间换热更加充分，因此，有利于降低新风出口温度，增加湿球效率。由图2可知，当调节新风风量比为0.44时，其最高新风出口温度和最低湿球效率分别为26.32℃ 和52.46%，当风量比提高到0.80时，湿球效率提高到63.65%，增加了11.19%。

()

（2）

式中 Q——新风换热量，kW；

ρa——空气的密度，kg/m3； Vp——新风空气的体积流量，m3/h。2.3 耗水量

Duan等［18］指出间接蒸发冷却器的耗水量和进口空气温湿度、空气流量、需要处理的冷负荷以及系统的冷却效率有关。实际上，由于操作误差和测量误差，很难直接测量间接蒸发冷却器的耗

（a） （b）

图2 出口温度和湿球效率的变化

通过调节回风风量增大风量比，这就意味着增加回风风量，增大回风风速。调节回风风量使得风量比由0.44上升到0.80时，回风风量则由222 m3/h上升到400 m3/h，增大回风风量虽然减少

了空气与水膜之间的接触时间，但是由层流对流

传热系数的计算关系式和刘易斯关系式可知，它同时提高了空气与水膜之间的对流传热和传质系数，增强了水膜和空气之间的换热。当调节回风

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风量比为0.44时，最高新风出口温度和最低湿球效率分别为0.80时，由图湿球效率提高到25.95 ℃和55.61%2还可知，风量比越小，63.68%，当风量比提高到，调节回风风量得增加了8.07%。

到的出口温度要比调节新风风量的低，湿球效率要高。

3.2 从图换热量的变化

3可以看出，通过调节新风风量增大风量比，其换热量不断下降，当风量比为0.44时，其换热量达到最大值为2.18 kW，当风量比为0.80时，其换热量最小为1.46 kW；通过调节回风风量增大风量比，其换热量不断下降，当风量比为0.44时，0.80其换热量最小为1.29 kW，调节新风风量改变风量比，时，其换热量达到最大值为当风量比提高为对换热量的影响较大。1.46 kW。因此，这是因为，降低新风风量来增大风量比，降低了新风和平板之间的对流传热系数，一方面增加了新风和板面之间的接触时间，降低了新风的出口温度，但是另一方面也减少了新风的体积流量，换热量是由新风的风量和进出口温差共同决定的，因此，总体效果是降低了换热量；增大回风风量来增大风量比，虽然减少了空气与水膜之间的接触时间，但是由层流对流传热系数的计算关系式和刘易斯关系式可知，它同时提高了空气与水膜之间的对流传热和传质系数，增强了水膜和空气之间的换热，因此，换热量是增大的。

图3 换热量的变化

3.3 和传统的机械压缩式制冷系统相比，耗水量的变化

间接蒸发冷却制冷空调系统是通过水膜的不断蒸发降低新风温度，节省了压缩机所消耗的电能，因此被认为是高效节能环保型制冷系统。

图4可以看出，通过调节新风风量增大风量比，其耗水量不断减少，当风量比为0.44时，其耗

水量达到最大为1.12 g/s，当风量比提高到0.80

时，其耗水量最小为0.92 g/s；通过调节回风风量增大风量比，其耗水量不断增加，当风量比为0.44时，其耗水量达到最小为0.64 g/s，当风量比提高到0.80时，其耗水量最大为0.95 g/s。因此，调节回风风量改变风量比，对耗水量的影响较大。两者相比，在相同的风量比条件下，调节回风风量可以得到较小的耗水量，因为调节新风风量，回风风量保持定值不变，其耗水量仅与回风进出口含湿量差有关；调节回风风量时，其耗水量还与回风风量的大小有关，此外，增大回风风量有可能增加回风携带的水蒸气，而不仅仅是因为换热导致水膜的蒸发。风量比越小，调节回风风量所消耗的水量要比调节新风风量的少。

图4 耗水量的变化

4 结论

（1）增大风量比可以降低新风出口温度，提高湿球效率，通过调节新风风量增大风量比时，换热量和耗水量降低，通过调节回风风量增大风量比时，换热量和耗水量增加。

（2）在相同的风量比条件下，调节回风风量可以得到更低的出口温度、更高的湿球效率、更低的换热量和更少的耗水量。（3）风量比越小，结论（2）的效果越明显。（4）调节回风风量使得风量比为0.44时，出口温度、25.95 ℃新风风量时低、55.61%湿球效率、、1.29 kW换热量和耗水量分别为和0.64 g/s，分别比调节 0.48 g/s。

0.37 ℃、高3.15%、低0.89 kW和少参考文献：

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          作者简介：李晗（1993），女，硕士研究生，主要从事间接蒸发冷却器的理论分析和实验研究，E-mail：lihan374676690@163.com。

通讯作者：吕建（1960），男，教授，主要从事可再生能源利

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用、能耗测评、建筑节能等教学与研究工作，通信地址：300384 天津市西青区津静路26号天津城建大学能源与安全工程学院，E-mail：lvjiantj@163.com。（上接第79页）

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          作者简介：杨卫波（1975），男，博士（后），教授，主要从事地源热泵及建筑可再生能源利用方面的研究，通信地址：225127 江苏省扬州市扬州大学水利与能源动力工程学院，E-mail：yangwb2004@163.com。