管式間接蒸發(fā)冷卻器實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)與建造

郝亮 張健 李秋菊

蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

0 引言

蘭州地處內(nèi)陸，屬溫帶大陸性氣候。溫差大，降水少，氣候干燥，風(fēng)沙塵土較多且水質(zhì)不好。結(jié)合蘭州地區(qū)氣候特點(diǎn)以及文獻(xiàn)[1]中對目前常用的間接蒸發(fā)冷卻器性能分析比較，管式間接蒸發(fā)冷卻器不僅能夠發(fā)揮其自身優(yōu)點(diǎn)，而且對于較差的室外條件具有較強(qiáng)的適用性。

為了測試管式間接蒸發(fā)冷卻器在蘭州地區(qū)氣候條件下的實(shí)際運(yùn)行效果，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)原有機(jī)械制冷空調(diào)機(jī)組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出設(shè)計(jì)與建造本實(shí)驗(yàn)臺。前期已經(jīng)對管式間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了傳熱傳質(zhì)過程分析與計(jì)算研究。為了進(jìn)一步研究該蒸發(fā)冷卻器的最佳二次/一次風(fēng)量比、淋水量、空氣溫濕度以及壓降對實(shí)際運(yùn)行效果的影響，需要設(shè)計(jì)與建造相關(guān)實(shí)驗(yàn)臺的測試系統(tǒng)以進(jìn)行試驗(yàn)研究。該實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)與建造填補(bǔ)了蘭州地區(qū)在該方面研究的空白。

1 管式間接蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)參數(shù)、風(fēng)機(jī)參數(shù)

作為計(jì)算研究時(shí)管式間接蒸發(fā)冷卻器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)：以叉排的方式排列n=780根管長l=1500mm的橢圓鋁箔換熱管。豎直方向共38排，奇排管n′=21根，偶排管n″=20根，橫向、縱向管間距s1=s2=30mm。橢圓換熱管長軸a=25mm，短軸b=20mm。在換熱管內(nèi)插入螺旋線以增強(qiáng)管內(nèi)一次空氣換熱[2、3]。一次風(fēng)迎風(fēng)斷面尺寸為S1=1180mm×690mm，二次風(fēng)迎風(fēng)段面斷面尺寸為S2=1500mm×690mm。

本實(shí)驗(yàn)臺一次風(fēng)機(jī)，風(fēng)量 Q1：10000m3/h，全壓 P1：850Pa，轉(zhuǎn)速 n1：1129r/min，功率 P1′：5.5kW。二次風(fēng)機(jī)，風(fēng)量 Q2：7000m3/h，全壓 P2：250Pa，轉(zhuǎn)速 n1：1400 r/min，功率P2′：1.5 kW。一、二次風(fēng)量調(diào)節(jié)均通過風(fēng)機(jī)變頻器調(diào)節(jié)。

2 實(shí)驗(yàn)臺測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建造

2.1 風(fēng)系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)與風(fēng)管尺寸的確定

考慮到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已有機(jī)械制冷空調(diào)機(jī)組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)風(fēng)管管路與本實(shí)驗(yàn)臺試驗(yàn)研究目的需要，將本實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)的風(fēng)管管路與原有測試系統(tǒng)風(fēng)管管路合理地結(jié)合到一起。這樣不僅可以有效使用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有限資源，減少新建造實(shí)驗(yàn)臺占據(jù)的空間，最重要的是可以利用機(jī)械制冷空調(diào)機(jī)組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對管式間接蒸發(fā)冷卻器預(yù)處理的空氣狀態(tài)參數(shù)加以控制，在完成蘭州地區(qū)氣候條件下測試的同時(shí)還可以模擬出全國各個(gè)區(qū)域不同氣候條件下的使用情況。據(jù)此可以對管式間接蒸發(fā)冷卻器推廣應(yīng)用的范圍有一個(gè)初步的掌握。新建造的管式間接蒸發(fā)冷卻器實(shí)驗(yàn)臺風(fēng)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺風(fēng)系統(tǒng)

圖1中，風(fēng)閥1、2接到室外，通過風(fēng)閥的開關(guān)配合，可以實(shí)現(xiàn)對預(yù)處理空氣狀態(tài)參數(shù)的控制。閥1開，閥2、3關(guān)，預(yù)處理空氣狀態(tài)參數(shù)為蘭州地區(qū)室外氣候參數(shù)。閥2開，閥1、3關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)對室外空氣狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行冷、熱、濕處理后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，達(dá)到模擬不同地區(qū)氣候條件下，管式間接蒸發(fā)冷卻器的應(yīng)用效果測試目的。

根據(jù)一、二次風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量、實(shí)驗(yàn)臺測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊约皩?shí)驗(yàn)室內(nèi)空間大小，一次風(fēng)系統(tǒng)管道具體安裝尺寸，如圖2所示。二次風(fēng)系統(tǒng)管道具體安裝尺寸如圖3所示。

圖2 一次風(fēng)系統(tǒng)安裝圖

圖3 二次風(fēng)系統(tǒng)安裝圖

2.2 一、二次風(fēng)量測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建造

充滿管道的流體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流裝置，流束將在節(jié)流件處形成局部收縮，從而使流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生了靜壓力差或稱壓差。流體的流速越大，在節(jié)流件前后產(chǎn)生的壓差也越大，所以可通過測量壓差來衡量流體流過節(jié)流裝置時(shí)的流量大小，這種測量方法是以能量守恒定律和流動連續(xù)性方程為基礎(chǔ)的。噴嘴是一種應(yīng)用廣泛的節(jié)流裝置。用噴嘴可方便準(zhǔn)確地測量流經(jīng)管道的流體流量。

對于管式間接蒸發(fā)冷卻器實(shí)驗(yàn)臺一、二次風(fēng)量的測定，本實(shí)驗(yàn)臺選擇空氣流量測量噴嘴進(jìn)行測量。靜壓力差采用傾斜式微壓計(jì)進(jìn)行測量。根據(jù)一、二次風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量，一次風(fēng)出口需要3個(gè)噴嘴，二次風(fēng)出口需要4個(gè)噴嘴。采用多個(gè)噴嘴測量流量時(shí)，可按圖4制作流量測量裝置，將噴嘴安裝在隔板上如圖5所示，隔板前后有靜壓測孔，并連成靜壓環(huán)，噴嘴前后加裝整流孔板。因?yàn)橐?、二次風(fēng)出口處噴嘴安裝方式基本相同，現(xiàn)僅以一次風(fēng)出口處為例加以介紹。一次風(fēng)出口處空氣流量測量噴嘴具體安裝方式，如圖6所示。

圖4 風(fēng)量測試裝置圖

圖5 一次風(fēng)出口處安裝空氣流量測量噴嘴隔板制作圖

圖6 一次風(fēng)出口處空氣流量測量噴嘴安裝圖

通過單個(gè)噴嘴的流體流量按式(1)計(jì)算：

式中：Qi為通過噴嘴的流體流量，m3/h；C為噴嘴流量系數(shù)，見表1（根據(jù)雷諾數(shù)查出流量系數(shù)）；A為噴嘴喉部面積，m2；△P 為噴嘴前后的靜壓差，Pa；ρ為噴嘴喉部的流體密度，kg/m3。

通過流量測量裝置的流體流量等于各個(gè)噴嘴所測流量之和：Q=ΣQi。

表1 空氣流量測量噴嘴流量系數(shù)表

2.3 噴淋水系統(tǒng)的組成及規(guī)格

噴淋水系統(tǒng)由水箱、水泵、斷水保護(hù)、布水器、噴嘴、擋水板、噴淋水管、進(jìn)水管（補(bǔ)水管），溢流管，排水管、球閥、浮球閥、濾網(wǎng)組成。水箱規(guī)格為1580mm×1020mm×200mm。循環(huán)水泵，流量Qw為4m3/h，揚(yáng)程Hw為15m，轉(zhuǎn)速nw為2900r/min，功率Pw為0.55kW。斷水保護(hù)規(guī)格型號為DC24V。擋水板規(guī)格為1550mm×680mm×130mm。擋水板不僅能夠有效擋住飛濺的水滴水霧等，而且還具有阻力較小的優(yōu)點(diǎn)。噴淋水管規(guī)格為DN32，進(jìn)水管（補(bǔ)水管）規(guī)格為DN20，溢流管規(guī)格為DN32，排水管規(guī)格為DN32，每根水管上均安裝相應(yīng)規(guī)格的球閥進(jìn)行流量控制。濾網(wǎng)尺寸S=1500mm×690mm。

2.4 噴淋水測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建造

為了確定管式間接蒸發(fā)冷卻器的最佳淋水量，在噴淋水管上加裝玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

2.5 實(shí)驗(yàn)臺溫濕度測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建造

實(shí)驗(yàn)中需要測量的溫濕度物理量主要有：一、二次風(fēng)進(jìn)出風(fēng)口的干濕球溫度、相對濕度，循環(huán)水泵進(jìn)口處水溫。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究目的溫濕度測試系統(tǒng)所采用的儀器為溫濕度變送器和熱電偶進(jìn)行測量。與溫濕度測試儀器配合使用的軟件操作系統(tǒng)是熱工性能測試系統(tǒng)，可以方便迅速地讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。溫濕度測試系統(tǒng)共布置4個(gè)測點(diǎn)，即管式間接蒸發(fā)冷卻器一、二次風(fēng)進(jìn)口、出口和循環(huán)水泵進(jìn)口。對于溫濕度測量，在每個(gè)測點(diǎn)處同時(shí)裝有電子溫濕度傳感器與水銀溫度計(jì)，這樣就可以校核與驗(yàn)證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 管式間接蒸發(fā)冷卻器處理空氣狀態(tài)變化過程

基于本實(shí)驗(yàn)臺的建造，管式間接蒸發(fā)冷卻器的二次風(fēng)可以采用兩種送風(fēng)方式，即室外新風(fēng)與室內(nèi)回風(fēng)。所以該實(shí)驗(yàn)臺可以實(shí)現(xiàn)兩種空氣處理過程，如圖7～8所示，其中to1-tr1為一次空氣狀態(tài)變化過程，to2-tr2為二次空氣狀態(tài)變化過程。

圖7 室外新風(fēng)作為二次風(fēng)的狀態(tài)變化過程

圖8 室內(nèi)回風(fēng)作為二次風(fēng)的狀態(tài)變化過程

4 結(jié)語

本文針對管式間接蒸發(fā)冷卻器結(jié)合蘭州氣候條件下實(shí)際應(yīng)用的問題，提出實(shí)驗(yàn)臺測試系統(tǒng)的建造，對已進(jìn)行計(jì)算分析的管式間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)臺測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建造，并對該實(shí)驗(yàn)臺的運(yùn)行過程作了簡述，該實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)與建造不僅填補(bǔ)了蘭州地區(qū)在該方面研究的空白，而且對管式間接蒸發(fā)冷卻器的性能測試起著至關(guān)重要的作用。通過查閱文獻(xiàn)[4～7]以及管式間接蒸發(fā)冷卻器實(shí)驗(yàn)臺測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建造研究進(jìn)一步增強(qiáng)了蒸發(fā)冷卻這種低碳、節(jié)能型空調(diào)技術(shù)在西北地區(qū)推廣應(yīng)用的可行性。

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