包覆在椭圆管式间接蒸发冷却器上功能性吸湿材料的理论

关键字：蒸发冷却,吸湿材料,椭圆管

内容摘要：分析和研究了椭圆管式间接蒸发冷却器对功能性吸湿材料的要求以及纤维的性能和织物的结构对蒸发冷却能力的影响。在由一种纤维制成的吸湿材料实现不了多种功能的情况下，提出了采用复合不同纤维的方法获取具有多种功能的吸湿材料，用异形涤纶实现吸水、快湿、快干的功能，用Lanseal纤维实现管外壁润湿和与管外壁良好接触的功能，并且当使管外壁完全润湿的吸湿材料表面凹坑结构为菱形时才能达到加快蒸发冷却的目的。最后通过单管实验证实了理论设计出的功能性复合吸湿材料的优越性能。

1 引言

间接蒸发冷却技术是二十世纪30年代发展起来的一种空调制冷技术，它能从自然环境中获取去冷量，其制冷的COP值很高，现场实测和实验结果表明，与一般常规制冷机械相比，在炎热干燥地区可节能80%~90%，在炎热潮湿地区可节能20%~25%，在中间地区可节能40% ^{[1] [2] [3]} 。总体上来说COP可提高2.5~5倍,从而可以大大减低空调制冷能耗。随着能源短缺和环境问题的日趋突出，这项技术进入80年代愈加引起很多学者的关注。加快该技术的研究，对我国蒸发冷却技术推广应用具有十分重要的意义^[4]。

换热器的换热效率是间接蒸发冷却器的重要性能之一。近些年来，国内外已有不少人开展了这方面的研究，并提出了一些改进方法。但这些研究大多偏重于间接蒸发冷却器数学模型的建立、各个相关参数之间的关系或是优化分析其COP值，而对间接蒸发冷却器的换热性能研究的很少。事实上，对于管式间接蒸发冷却器来说（TTIEC,看图1）,一次空气在管子内流动，而二次空气与管子呈交叉方向流过其外部，水喷洒在管子的外表面上。在每根管子的内部，一次空气通过管壁与管外水膜之间发生热传递；在每根管子的外部，热量和质量交换发生在二次空气和管外水膜之间。在一次空气侧，热交换的驱动力是一次空气和水膜之间的温差。在二次空气侧，显热交换的驱动力是二次空气和水膜之间的温差；质交换的驱动力是二次空气与水膜相邻的饱和空气层中的水蒸气分压力差^[5]。由此可以看出，管式间接蒸发冷却器换热器的性能将直接影响到其换热效率，从而影响到管式间接蒸发冷却器的能耗。要提高换热器的换热效率，增强其节能潜力，就必须从其结构和材料入手。本文重点从结构和材料角度入手对包覆在椭圆管式间接蒸发冷却器上的吸湿材料进行了理论与实验研究，解决目前管式间接蒸发冷却器存在的一些问题。

2 包覆在椭圆管式间接蒸发冷却器上吸湿材料的理论研究

2.1 椭圆管式间接蒸发冷却器对吸湿材料的要求^[6]

图1 管式间接蒸发冷却器示意图

1）从传热机理来说，吸湿材料要很薄，因为越薄它的热阻越小，有利于传热，而且要与包复管表面有很好的接触，一方面材料吸湿后不会膨胀的与管子脱离而形成空气层，增大导热热阻，减缓换热，另一方面保证管外壁完全润湿，使水膜和饱和空气层进行有效的对流换热。

（2）从传质机理来说，吸湿材料要有较强的吸放湿能力，能够使与水膜相邻的饱和水蒸气迅速排出，另外吸水材料要有较大的比表面积，以加快其湿蒸发效率。

（3）从整体角度来说，吸湿材料要有较强的保水性，可以实现间接蒸发冷却设备中的布水器对包覆管的间歇性供水。

（4）从维护角度来说，吸湿材料要耐腐蚀、腐烂。

2.2 研究思路

根据椭圆管式间接蒸发冷却器对吸湿材料功能的要求，从两方面入手设计出符合要求的具有特殊性能和结构的吸湿材料。一方面从吸湿材料纤维的性能入手，解决其保水和吸放湿能力，以实现布水器间歇性供水和吸湿材料快湿快干的功能。要使包覆在椭圆管上的吸湿材料与管子很好的接触，而不产生空气层影响换热，那么就要求吸湿材料的纤维具有沿径向膨胀的能力。对于一种材料来说，它不可能同时具有这么多功能，那么只有采用混纺技术来实现多种功能集于一体的复合材料；另一方面从吸湿材料的结构入手，依据专用纺丝组件，特种喷丝板及特种冷却、冷凝、牵伸系统的物理改性方法实现液态水在吸湿材料纤维表面纵向沟槽中快速芯吸、传输，依据大比表面积纤维中液态水蒸发快的原理，设计出具有更大比表面积的具有快湿快干功能的异形截面纤维^[7][8]。依据材料表面的结构形状具有影响水分蒸发原理，采用更加有利于提高比表面积的表面结构来提高其蒸发效率。

2.3 纤维性能对蒸发效率影响的研究

（1）要想在管式间接蒸发冷却空调设备中实现间歇性供水，这就要求吸湿材料具有很高的保水性。吸湿材料的保水能力取决于织物的孔隙率、孔隙形态、纤维的接触角、液体的界面张力、液体比重等。在此过程中吸湿材料的孔隙中全部充满水，此时水质量对原有干纤维质量的比值将是极限的贮水率或极限保水率为

(1)

式中s为吸湿材料名义面积，h为吸湿材料厚度，ε为吸湿材料孔隙率，为水的密度，δ_F为吸湿材料的容重。由上式可知保水率与ε/(1-ε)成正比，所以在选择吸湿材料的时候要考虑到其孔隙率ε和容重δ_F^[9][10]。

（2）吸湿材料越薄，它的热阻越小，就越有利于传热，但不是越薄越好。如果吸湿材料太薄，其吸湿能力就会下降，那么就无法实现布水器的间歇性供水。在布水器连续供水情况下，管外形成的流动水膜会堵塞吸水材料的凹坑和纤维的沟槽，减小其蒸发面积，从而导致换热效率降低。综合考虑吸湿材料，要求其很薄且要有很高的吸放湿性。

（3）在椭圆管式间接蒸发冷却设备中，吸湿材料长期浸泡在水中，因此要具有耐腐蚀、腐烂的功能，在选择材料的时候就要注意这方面的问题，以免给维护带来麻烦。

2.4 吸湿材料的结构对蒸发效率影响的研究

2.4.1 吸湿材料表面凹坑尺寸及形态对蒸发效率的影响

吸湿材料的结构对蒸发冷却具有很大的影响，特别是与材料表面凹坑的尺寸和深度有密切关系。吸湿材料表面的凹凸，从实测数据详细分析发现，重要问题在凹坑部分的尺寸，简示如图2所示，凹坑横向尺寸长度a(或宽度b)、深度c、凹坑曲率半径R 等的组合有密切关系,总体效果为;当凹坑深陡时, 实际暴露面积将比名义面积增大, 即蒸发面积增大, 有利于液态水蒸发。从凹坑尺寸a(或b)、凹平面面积A、凹坑深度C、凹坑弧面曲率半径R 等的单因子的分析, 以及各因子的复合分析均表明,凹坑尺寸较大,平面面积较大, 弧面曲率半径较大, 深度较深时, 对蒸发效率的提高有利，对流比较容易发展, 受遏制和抑制较少^[11]。即使在口部长度a、宽度b、深度c相同条件下，凹坑张口形态不同，对蒸发效率的影响也不同。如图3所示。不同张口形态对于湿空气对流的抑制状态是不同的。由表1（吸湿材料表面的蒸发性能）中数据可以看出，狭收口对于湿空气对流比较有利，故蒸发效率较高。所以在设计吸湿材料时，把其表面凹坑形状设计成菱形。

图2 吸湿材料表面凹坑　　　　　　　 图3 凹坑张口形态
　　　　　　　　　　　　　　　　　　（a）狭收口形状 . (b)广敞口形状

2.4.2 吸湿材料各层的功能对蒸发效率的影响

从吸湿材料的功能上来讲，可分为三层：

（1）吸湿材料内表面要有一定的平整度，以便让水与管子更好的接触，减小吸湿材料与管子之间形成空气层所增大的导热热阻，解决这个问题的办法就是选择一种在淋水后沿径向膨胀的纤维制成吸湿材料来保证管子表面形成稳定的水膜，以此来提高蒸发效率。

（2）中层要具有贮存和散逸水的功能，当外层缺水时应补充蒸发用水，即毛细管道应直接或间接地连通吸湿材料外表面，中层要满足牢度、尺寸形态稳定等方面的要求。为了达到以上的要求，吸湿材料中层应具备如下性能：吸湿快，具有一定的保水能力。

（3）吸湿材料外层的作用是传递散逸液体，这就需要外表有很大的比表面积，实验揭示表面具有口径×深度（5～6×3～4）㎜凹凸坑的吸湿材料在对应实验条件下具有较高的蒸发效率。毛细输水管道与中层贯通，材料外层与中层连接好，在水分蒸发的同时材料中层能及时补水。

2.5 复合材料的选用

由于椭圆管式间接蒸发冷却器对吸湿材料性能的特殊要求，因此用一种纤维做成的吸湿材料并不能满足要求，所以需要用不同纤维的复合来实现其功能要求。椭圆管式间接蒸发冷却器中使用的吸湿材料采用不同纤维复合而成，利用异形涤纶的快湿快干来增强蒸发冷却能力，用Lanseal纤维沿径向膨胀和吸水功能来实现吸湿材料与管子的良好接促和蓄水功能（保持管子与吸湿材料之间完全被浸润）。用这两种材料混纺织成菱形结构的吸湿材料，可以满足提高蒸发效率的要求。

2.5.1 异形截面凹槽纤维在椭圆管式间接蒸发冷却器中的功能

在喷丝过程对截面进行开槽处理，喷出的长丝具有数条沿轴向的凹形沟槽，当接触管子外表面的液态水时，固—液界面张力形成前有力的芯吸（毛细）作用，将液态水快速吸收并传递至织物的外表面，同时异形截面丝的较大比表面积将液态水快速蒸发。异形截面丝的比表面积越大，水的蒸发速度越快，对流换热就越强烈。具有异形截面凹形沟槽的涤纶纤维如图4所示^[12]。

图4 异形涤纶纤维电镜照片

2.5.2 Lanseal 纤维在椭圆管式间接蒸发冷却器中的功能

根据椭圆管式间接蒸发冷却器对吸湿材料的要求，要利用纤维膨胀仅仅沿着直径方向变化的特性解决吸湿材料与包复管接触的问题。当吸湿材料与管子接触之后，一旦淋上水，纤维开始膨胀，纤维直径变大，据资料[13][14]表明Lanseal在直径方向上大约膨胀12倍，膨胀情况如图5所示，这样纤维就能与管子很好的接触，从而加强水在管子外面的浸润能力。此外该纤维具有耐腐烂、腐蚀的能力，而且吸湿前与吸湿后纤维的物理性能不变，对光热稳定，这样解决了经常维护设备的麻烦。Lanseal纤维具有很高的吸湿性，它能够吸入自重100倍的水（100ml/g），吸水10秒钟即可以达到平衡吸水量的70%，这样即可实现管式间接蒸发冷却器的间歇性供水，达到节能目的。Lanseal纤维还有较强的放湿能力，这就为管式间接蒸发冷却器提供了更加有利的冷却条件，有效地通过纤维中水的蒸发把一次空气的热量带

图5 Lanseal纤维膨胀前后照片

Lanseal纤维现在每公斤市场售价为人民币60多元，每台蒸发冷却器用100克纤维，织成吸湿材料后，也不到20元钱，这对整个设备造价影响是微不足道的，因而使用Lanseal纤维既经济可行又可达到很好的效果。

3 包覆在椭圆管式间接蒸发冷却器上吸湿材料的单管实验

为了进一步对理论分析进行验证，在二次空气m_s和一次空气m_p风量相等、风速比v_s/v_p=1.4、淋水间歇时间Δt相等、材料厚度δ和结构不同的情况下，用菱形结构的棉质吸湿材料、聚氨酯吸湿材料、混纺吸湿材料对椭圆管式间接蒸发冷却器的蒸发量、热交换效率以及COP值进行对比实验分析。实验在单管上进行，实验结果见表2，对表2进行分析可以看出，包覆棉质吸湿材料的管式间接蒸发冷却器的蒸发量、热交换效率以及COP值比包覆聚氨酯吸湿材料和Lanseal吸湿材料的管式间接蒸发冷却器的都低。这主要原因是虽然棉质吸湿材料有很高的吸湿能力，但是它的放湿能力不行，如果说棉的放湿是吸湿的50%的话，那么聚氨酯纤维几乎100%放湿^[15]，蒸发速度的降低导致了换热效率的降低。混纺纤维比聚氨酯纤维能够获得更好的蒸发冷却效果，尽管二者都有较高吸放湿能力，但是混纺纤维具有更好的保水性不至于在风压下很快地把水挤出，此外能更好地让水和管子更好接触形成完整的浸润水膜。从表2的实验数据可以看出，吸湿材料不宜太厚，否则会增大导热热阻，但是也不能太薄，要有一定的蓄水能力。吸湿材料表面结构不同时其蒸发效率也不同，通过表2和表3相比较即可看出菱形织物结构比方形织物结构更有利于椭圆管式间接蒸发冷却器性能的提高。混纺吸湿材料的单管实验结果表明合适的吸湿材料及结构有助于椭圆管式间接蒸发冷却器性能的提高。

4 结论

要想提高椭圆管式间接蒸发冷却器的换热效率，包覆在椭圆管上面的功能性吸湿材料必须具有以下功能：要有较强的吸放湿能力，保水性，要有较大的比表面积，要很薄，耐腐蚀、腐烂，要与包复管表面很好的接触，保证管外壁完全润湿。在一种材料实现不了这么多种功能的情况下，必须采用复合不同纤维的方法获取具有多种功能的吸湿材料，异形涤纶可以实现吸水、快湿、快干的功能，Lanseal纤维具有很高的保水性，可以实现使管外壁润湿和与管外壁良好接触的功能，将这两种纤维复合成一种新型的吸湿材料，并且当其表面凹坑形状为菱形时可以满足上述功能要求，从而大大提高了椭圆管式间接蒸发冷却器的换热效率。最后通过单管实验证实了理论设计出的表面凹坑形状为菱形的复合吸湿材料比其它材料和结构的吸湿材料的蒸发效率要高。

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除湿机