穿孔露点蒸发冷却器性能分析——基于二维数值模型

《Results in Engineering》：Performance Analysis of Perforated Dew-Point Evaporative Coolers Using a Two-Dimensional Numerical Model

　　

受冷却功率需求持续增长的驱动，迫切需要低能耗、环境友好的替代冷却技术。本研究建立了一个二维耦合动量-质量-能量数值模型，用于穿孔露点蒸发冷却器（perforated dew-point evaporative cooler, PDIEC）以表征其冷却性能。系统地研究了冷却性能与穿孔尺寸、穿孔位置和送风比（supply air ratio）的关联性，以及最优运行准则。结果表明，穿孔露点蒸发冷却器中的穿孔布局必须避免反向气流；随着穿孔向下游移动，可行的送风比范围变窄；最优穿孔位置在低送风比时靠近入口，而在高送风比时靠近出口。结果解释说明，干通道出口处的回流比（reflux ratio）可灵活调节，0.2–0.3的范围能产生最低出口空气温度以获得最优冷却性能。此外，在低送风比下，穿孔降低了气流速度以增强跨通道热质传递并降低出口温度；在高送风比下，它们抑制了蒸发和潜热传递，从而提高了出口温度。

**论文解读：基于二维数值模型的穿孔露点蒸发冷却器性能分析**

**研究背景与问题**
随着建筑室内舒适度要求的提升，机械冷却系统广泛采用，导致建筑能耗持续增长。全球建筑消耗约40%的一次能源，并贡献约30%的温室气体排放。供暖、通风和空调系统（heating, ventilation, and air-conditioning, HVAC）占建筑总能耗的38%，其中蒸汽压缩系统占安装冷却能力的85%–95%，但其使用的化学制冷剂是温室效应和臭氧层破坏的主要驱动因素，且压缩式冷却系统在暖季显著增加电力消耗。因此，亟需开发低能耗、环境友好的替代冷却技术。蒸发冷却（evaporative cooling）通过水蒸发实现空气冷却，将显热转化为潜热，仅消耗少量电力用于空气和水输送，无需压缩机，以水为制冷剂，对环境无害。与蒸汽压缩系统相比，蒸发冷却可节省约80%的电力消耗并减少约40%的碳排放。露点间接蒸发冷却器（dew-point indirect evaporative cooler, DIEC）因其出色的显热冷却效率、高性能系数和低成本而备受关注，能使空气接近露点温度。DIEC主要有逆流和横流两种结构形式。传统DIEC存在单级配置和较高工作空气比的根本限制，且与压缩冷却器相比，在相同冷却能力下体积更大，限制其建筑应用。为提升性能、缩小设备尺寸，研究人员尝试在DIEC中引入穿孔结构，形成穿孔露点间接蒸发冷却器（perforated dew-point indirect evaporative cooler, PDIEC）。然而，现有研究主要基于一维方法，无法描述穿孔处实际流动不稳定性，如空气可能反向流动携带水膜进入干通道，且穿孔处送风比与穿孔尺寸存在耦合交互作用，直接影响干湿通道内气流特性和温度分布。因此，需要开展二维研究以探索内部流动和热质传递规律。

**研究内容与结论**
Xuliang Liu和Chengjun Jing（四川旅游学院）建立了PDIEC的二维数值模型，使用COMSOL软件求解，系统研究了穿孔尺寸、穿孔位置和送风比（supply air ratio）对冷却性能的耦合影响，确定了性能提升的最优条件，并揭示了穿孔改善性能的机理。研究结果表明：穿孔布局必须避免反向气流；随着穿孔向下游移动，可行送风比范围变窄；最优穿孔位置在低总送风比时靠近入口，高总送风比时靠近出口；干通道出口回流比（reflux ratio）在0.2–0.3范围内可获得最低出口空气温度；低送风比下，穿孔降低气流速度以增强跨通道热质传递并降低出口温度；高送风比下，穿孔抑制蒸发和潜热传递，提高出口温度。该研究发表在《Results in Engineering》。

**关键技术方法**
研究人员采用以下主要技术方法：建立了一个二维耦合动量-质量-能量数值模型，基于有限元法在COMSOL软件中求解，包含层流、湿空气传热和空气水分传递物理接口；模型验证通过自行搭建的实验台架（超薄铜片为中间板，0.2 mm吸湿铜泡沫，透明亚克力板）进行，并与Dizaji等人的实验数据对比，相对误差在3%以内；进行了网格无关性验证（采用极细网格）；进行了不确定性和敏感性分析，采用无量纲敏感性因子和标准不确定度合成方法评估模型稳健性；定义了送风比、回流比等性能参数，并分析了多组穿孔尺寸、位置和送风比组合下的温度分布、相对湿度分布和温度差分布。

**研究结果**
**4.1 不确定性与敏感性分析**
通过无量纲敏感性因子评估四个关键运行参数（入口空气温度、入口空气速度、入口相对湿度、送风比）对出口温度的影响。敏感性排序为：入口相对湿度（0.50）>入口空气温度（0.47）>入口空气速度（0.31）>送风比（0.03）。送风比在±2%波动范围内对冷却性能影响极小。合成标准不确定度为0.556，而穿孔结构优化带来的1–2°C温降超过模型扩展不确定度范围，表明穿孔优化具有可靠鲁棒性。

**4.2 穿孔参数与送风比的关系**
在固定总送风比下，通过改变穿孔宽度调节穿孔处送风比。随着穿孔向出口移动，穿孔处送风比范围变窄；穿孔宽度超过临界值（如0.8 ad、0.4 ad、0.2 ad等）后，各送风比趋于稳定。穿孔宽度应控制在2 ad（一个通道高度）以内，过大宽度无法降低穿孔处送风比，且可能引起局部回流。穿孔宜布置在通道上游段。

**4.3 穿孔位置的影响**
采用单穿孔模型和三穿孔模型，在总送风比0.3和0.7下比较不同穿孔位置。低总送风比时，所有穿孔配置的出口温度均低于无穿孔模型（19.32°C），单穿孔模型在L1/L=0.2、0.3、0.4时出口温度分别为18.12°C、18.27°C、18.36°C；三穿孔模型出口温度约18.26–18.42°C，接近单穿孔模型。高总送风比（0.7）时，穿孔模型出口温度（约20.92–20.94°C）略高于无穿孔模型（20.46°C），性能恶化。因此，低总送风比下前部穿孔位置最优，高总送风比下最终穿孔靠近出口可最小化出口温度。

**4.4 送风比的影响**
固定穿孔位置L1/L=0.2，设置总送风比0.3–0.7共22组送风比组合。随总送风比增加，穿孔模型和无穿孔模型出口温度均上升，但穿孔模型上升更快。当总送风比超过0.6时，穿孔不再有效降低出口温度。干通道出口回流比在0.2–0.3范围内，冷却器获得较低出口温度。在低总送风比（0.3）下，穿孔处送风比越高，干通道出口温度越低；在高总送风比（0.7）下，穿孔处送风比从0.75增加到0.9时出口温度逐渐下降，但超过0.9后趋于稳定。双穿孔模型分析表明，低总送风比下回流比0.3获得最低出口温度17.3°C；高总送风比下回流比0.1–0.25时出口温度从21.4°C降至20.54°C，接近无穿孔模型。总体而言，低总送风比下回流比0.2–0.3使穿孔模型具有显著冷却优势，总送风比超过0.6–0.7时优势消失。

**4.5 穿孔增强蒸发器性能的机制**
以总送风比0.4为基准，分析回流比0.1–0.6对出口温度的影响。回流比0.2时出口温度最低（18.18°C）。穿孔引入的高温、低相对湿度一次空气进入湿通道，混合后升高温度、降低相对湿度，加速水膜蒸发，增加潜热冷却，但同时也带来加热效应。通过分析湿通道截面线2的相对湿度分布，发现回流比0.2–0.3时相对湿度从0.6逐渐升高至0.8以上，接近饱和状态，有利于蒸发；回流比过低（0.1）则湿通道迅速饱和，抑制蒸发；回流比过高（0.4–0.5）则穿孔空气量减少，削弱热质传递。通过干通道截面线1的温度差分布分析，回流比从0.1增至0.2时传热强度增长快于流量增长，出口温度下降；超过0.2后传热强度增长落后于流量增长，出口温度上升。低送风比下，穿孔分流一次空气，降低气流速度，增强干湿通道间换热，是穿孔提升性能的核心机制。高送风比（0.8）下，穿孔位置后移时，前段传热强度略有增加（因一次空气提前进入湿通道促进蒸发），后段传热强度急剧下降（因进入湿通道的低温低湿空气减少），综合效果导致出口温度略有下降，但整体性能未改善。

**4.6 多工况验证**
建立统一基线模型（通道高5 mm，长1.0 m，入口温度35°C，入口速度5 m/s，总送风比0.5，穿孔位置L1/L=0.2），采用六种入口空气含湿量（9–19 g/kg）和五种回流比（0.15–0.40）。固定含湿量下，回流比从0.15增至0.3时出口温度略微下降，超过0.3后上升。与无穿孔模型相比，单穿孔模型在不同含湿量下出口温度均低约0.5°C，验证了当总送风比0.5时穿孔可降低约0.5°C的结论。

**讨论与结论**
讨论部分（未单独列出，但包含在结果分析中）指出：穿孔改变了干湿通道内的压力分布，进而影响气流分配和热质传递。未来需建立考虑湿表面储水材料沿程阻力和穿孔局部阻力的三维稳态数学模型，以进一步提升PDIEC性能；同时需构建物理样机进行多工况实验验证，并完成系统经济性和可行性分析，推动该穿孔优化方案的工业应用。目前尚无商业化的PDIEC，因此缺乏经济性数据，但穿孔设计在不增加设备体积的前提下实现了显著的冷却改善，且附加制造成本仅来自板件冲孔，具有实际应用前景。

研究结论部分翻译如下：
本研究为PDIEC建立了二维计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）模型，并使用COMSOL软件求解。考虑穿孔宽度的影响，主要发现总结如下：
（1）在PDIEC中，穿孔位置受到约束而非任意选择，因为不恰当的放置可能引起空气从湿通道向干通道回流。当穿孔向通道出口移动时，允许的送风比范围相应变窄。低总送风比下，穿孔应靠近入口放置；高总送风比下，应靠近出口布置。
（2）穿孔处和干通道出口处的送风比组合显著影响PDIEC性能，因此构成重要的控制参数。当干通道出口回流比在0.2–0.3之间时，大多数情况下可获得更低的出口空气温度。
（3）在低送风比下，干通道中的一部分一次空气通过穿孔渗入湿通道。这降低了气流速度并增强了两个通道之间的热传递，与无穿孔结构相比，出口空气温度更低。相反，在高送风比下，穿孔降低了湿通道中的气流速度，从而抑制了水蒸发和潜热传递，进一步提高了干通道的出口空气温度。