1 间接蒸发冷却器高效换热材料蒸发冷却空调技术已经广泛应用于工业建筑、公共建筑和居住建筑中，在纺织空调领域的应用案例也越来越多，越来越受到人们的关注［1］。在间接蒸发冷却的干湿通道中，由于热湿传递过程的不同，对于材料的要求也不同。正因如此，在对间接蒸发冷却的研究过程中，材料的亲水性能一直是研究的重点，国内外学者也做了大量的工作。毛秀明等［2］提出了一种多孔陶瓷间接蒸发冷却器，建立试验台并对其性能进行了测试分析，多孔陶瓷的亲水性能有效提高间接蒸发冷却器的换热性能。黄翔等［3］提出在管式间接蒸发冷却器的表面包覆一层吸湿性材料，并且进行理论和试验研究，以验证其使用效果。樊丽娟［4］通过对比分析指出，采用亲水铝箔管材，在管外包覆不锈钢网状结构材料、金属纤维织物或丙纶织物，在换热管外涂敷有机、无机复合亲水膜，是几种行之有效的增强管式间接蒸发冷却系统中换热管传热传质的措施。XU P等［5⁃7］从各种纤维织物试验测试中得出，与常用于间接蒸发冷却器湿通道表面的介质牛皮纸相比，大部分纺织面料在水分毛细作用下拥有优越的特性、更大的扩散系数和更好的蒸发能力，基于此开发了一种超高能效的逆流式露点间接蒸发冷却器，实测间接蒸发冷却器COP（能效比）最高可达52.5。DUAN Z等［8⁃9］对比测试了多种多孔纤维材料的毛细芯吸高度随时间变化的过程，为间接蒸发冷却器的优化设计提供依据。褚俊杰等［10］通过测试６种亲水性材料样品的芯吸高度、滴水扩散性、吸湿放湿性及表面结构，对材料的亲水性能进行验证对比，发现选用优良的亲水性材料可大幅挖掘露点间接蒸发冷却系统的效率潜力。BRUNO F［11］建造了一个叉流式换热器，使用一种特殊的介质提高湿通道的亲水性能且水分不能透过干燥通道，测试表明这种换热器的露点效率为75%，在给定的运行条件下仍然相对较低。ELOY V G等［12］进行了基于聚碳酸酯的间接蒸发冷却热交换器的试验研究，受益于低成本和低质量且没有腐蚀问题，受低导热系数限制板不能太厚。研究表明，过高的室外空气温度和空气流速促进了系统冷却性能的增加。通过上述文献可以看出，提高间接蒸发冷却器高效换热材料的亲水性，往往采取以下3种方法。一是冷却器自身采用亲水性材料制造，例如用多孔陶瓷制作的冷却器；二是在冷却器材料表面涂上亲水化学涂层，例如在金属材料表面涂上一层亲水涂层；三是在冷却器材料表面附上亲水纤维片，例如在冷却器表面附上一种吸湿快干的纤维材料。在间接蒸发冷却器中，由于其结构紧凑、流道狭窄，冷却器湿通道表面材料的亲水性会极大地影响冷却器的冷却效率和性能。本研究采用的聚丙烯高分子材料、金属铝箔材料、植物纤维聚合物材料是间接蒸发冷却换热器中应用最普遍的3类材料，通过接触角、喷雾布水、喷淋布水测试等方法对其亲水性和布水均匀性进行分析与对比。2 材料接触角试验2.1　材料选择与试验方法试验选用的材料类型及特征如表1所示。使用OCA型接触角测量仪对材料表面的液滴进行角度测量，通过电脑屏幕将接触角测量过程清晰地反映成图像形式，通过软件内部用Young⁃Laplace方程拟合计算接触角。具体测试方法：使用SNS052型针头注射器进行滴液，液滴体积控制在2 μL~3 μL；通过电脑准确控制液滴体积，出液后按上下移动按钮，使固体材料在载物台上移动，到达液滴位置接住液滴；待液滴在固体材料上铺展平稳后，点击电脑进行图像抓拍，电脑根据抓拍的图像自动进行接触角计算。试验准备的材料如图1所示。.T001表1试验材料类型及特征材料类型坚挺性粗糙度金属铝箔材料强光滑聚丙烯高分子材料中等较光滑植物纤维聚合物材料差粗糙图1试验准备的材料.F1a1（a）聚丙烯高分子材料.F1a2（b）金属铝箔材料.F1a3（c）植物纤维聚合物材料将3种材料裁剪成尺寸均为25 mm×60 mm的试样，接触角试验不允许试样平面影响测量结果，对试样进行平整处理保证平面的水平一致性，最后对试样进行清洗烘干后使用，试验前不能触碰试样表面，对于植物纤维聚合物材料因其厚度薄，需用载物台承载试样到镜头中央。液体试样为接触角试验常用的去离子水和甘油（丙三醇），试验环境温度20 ℃。2.2　结果与讨论浸润是液体与固体平面接触后发生铺展或润湿的动态过程，如果浸润对象是固体材料，那么浸润是固体材料与液体的相互作用，当达到平衡时液体可以保证固定形状即为静态浸润［13］。静态浸润存在两种情况。一种是经过一定时间液体完全附着于固体表面，液体在固体表面没有任何形状，此时接触角为0°；第二种是液体没有完全附着于固体表面，而是经过一定时间达到平衡后以某种形状存在于固体表面，此时接触角为非零接触角［14］。本试验通过对3种固体材料与去离子水的接触角测量，以接触角大小来判断材料亲水性的优劣。每种固体材料7个试样，共测试7次，测试液体滴定量为3 μL，固体材料接触液滴2 s~3 s达到平衡后开始抓拍，测量接触角形式为静态接触角。记录每次试验取平衡时间后的30组接触角数据，计算平均值，结果如表2所示。聚丙烯高分子材料接触角极大值与极小值差为8.81°，金属铝箔材料接触角极大值与极小值差为7.90°。.T002表2材料接触角测量数值材料种类接触角/（°）平均值极大值极小值聚丙烯高分子材料92.6495.9387.12金属铝箔材料61.9877.0069.10分析聚丙烯高分子材料和金属铝箔材料的接触角，聚丙烯高分子材料的接触角大于90°，为疏水材料，金属铝箔材料的接触角小于90°，为亲水材料，金属铝箔材料的亲水性好于聚丙烯高分子材料，反映出聚丙烯高分子材料亲水性差。作为湿通道材料，润湿性能差，空气水膜形成慢、消失快，使得空气与水换热不充分，影响换热效率。如果在间接蒸发冷却器中使用，可采取通用的亲水方法，在聚丙烯高分子材料表面涂抹亲水涂层，可以提高表面极性，减小接触角，增加材料亲水性。植物纤维聚合物材料的接触角，经过测量发现，液滴在植物纤维聚合物材料上是完全浸润的过程，用动态记录功能设置记录为25帧/s，当液滴从滴下到与材料接触再到完全附着，总共记录17组数据，如图2所示。接触角无法达到平衡并形成稳定形状，此时接触角为0°，其亲水性是3种材料中最好的，应用于湿通道会有较好的换热效率。.F002图2植物纤维聚合物材料浸润过程试验表明，3种材料的接触角从大到小依次为聚丙烯高分子材料、金属铝箔材料、植物纤维聚合物材料，亲水性优先排序依次为植物纤维聚合物材料、金属铝箔材料、聚丙烯高分子材料。3 喷雾布水试验3.1　试验准备喷雾布水试验台结构图如图3所示，包括测试材料、高压雾化喷嘴、接水网格、水泵、补水箱和试验台。.F003图3喷雾布水试验台示意图1—补水箱；2—水泵；3—高压雾化喷嘴；4—试验台；5—测试材料；6—接水网格补水箱为塑料水箱，体积25 L，不用在试验过程中频繁补水；水泵采用BTLN型高压泵，压力在0.5 MPa~1.0 MPa，根据试验取合适压力；试验材料选择聚丙烯高分子材料、金属铝箔材料、植物纤维聚合物材料；接水网格材质为塑料，在试验台正下方放置11个网格盛放淋水。试验所用测量仪器：FOTRIC JL6928型红外热像仪器（测量范围-20 ℃~60 ℃、精度要求±0.3 ℃），Testo型温湿度检测仪（温度测量范围0 ℃~100 ℃、精度要求±0.5 ℃，相对湿度测量范围5%~95%、精度要求±3%），量筒（测量范围0 mL~25 mL，精度要求0.5 mL）。喷雾布水试验采用陶瓷型喷嘴，型号有02#、03#、05#，喷嘴孔径分别是0.15 mm、0.30 mm、0.50 mm，喷雾粒径分别是2 μm、3 μm、5 μm，雾化角分别为24°26′、36°33′、32°，水泵定压为0.7 MPa，试验安装2个喷嘴。3.2　结果与讨论3.2.1　材料润湿首先确定02#喷嘴安装高度220 mm，喷雾时间为30 s、120 s、300 s，分别对比进行试验。试验结果通过照片观察、热成像图温度数据分布、接水网格水量分析等3种方式反映。图4为喷雾时间30 s时3种材料表面润湿情况。当喷雾时间较短时，聚丙烯高分子材料表面附着的水滴很少，间距较大，液滴的体积大，布水浸润性较差。金属铝箔材料表面的水滴附着较多，位于喷嘴中心位置的水流量大于周围，可以看到中间位置水滴有成股流下的迹象，间距适中，附着的水滴体积略大于聚丙烯高分子材料的水滴体积，但周围的水滴体积较小，分布均匀且密集，可以很好地附着在金属铝箔表面，没有成股流下的趋势，这种布水均匀性是最理想的，节省水流量，还可以使材料表面均匀附着水膜与空气换热蒸发。植物纤维聚合物材料表面则没有明显的水滴和水流，喷嘴喷出的雾滴很快被植物纤维聚合物材料浸润，向材料四周扩散，材料表面布水情况没有明显的间断，浸润性较好，但时间较短，布水在竖直方向上没有延伸。通过直观的照片分析，验证了2.2中得出的材料亲水性结论。图4喷雾30 s后3种材料润湿情况.F4a1（a）聚丙烯高分子.F4a2（b）金属铝箔.F4a3（c）植物纤维聚合物3.2.2　布水时间对于02#、03#、05#的喷嘴喷淋3种材料，利用热成像仪拍摄30 s、120 s、300 s时材料表面的红外热成像图，将每种材料平均分成12部分，如图5所示。使用红外热成像图处理AnalyzIR软件导出表面温度数据，计算每部分平均值，对不同型号喷嘴喷淋的不同材料表面12个点的温度进行处理，得到可靠的温度分布数据图，进行定量分析，进一步探究每种材料的最佳布水时间。.F005图5表面温度处理点02#喷嘴对聚丙烯高分子材料喷雾30 s、120 s、300 s时的红外热成像图如图6所示，使用02#、03#、05#喷嘴喷淋聚丙烯高分子材料的表面温度分布如图7所示。图602#喷嘴喷淋聚丙烯高分子材料红外热成像图.F6a1（a）30 s.F6a2（b）120 s.F6a3（c）300 s.F007图7聚丙烯高分子材料表面温度分布图6结果显示，02#喷嘴喷淋聚丙烯高分子材料，在30 s和120 s时布水效果都存在中间布水差的情况。喷雾30 s时可以明显看到干点存在，干点集中在两个喷嘴之间的位置；喷雾120 s时可以看出也有干点存在，但是干点的面积明显减少。03#喷嘴布水效果同02#喷嘴基本一致。分析05#喷嘴30 s和120 s的温度分布，喷雾30 s时材料表面顶部温度偏高，温度分布不均，喷雾120 s时材料表面温度基本均匀，没有明显的干点存在。由图7可以看出，随着喷雾时间的增加温度适当降低，聚丙烯高分子材料表面亲水性差，布水时间长可让水滴在材料表面更均匀附着。02#、03#喷嘴随着时间增加温度分布更均匀，布水时间可控制在120 s~300 s。05#喷嘴布水时间在30 s时温度分布高低不均，而120 s、300 s时相差不多，并且分布均匀，布水时间可控制在30 s~120 s。02#喷嘴对金属铝箔材料喷雾30 s、120 s、300 s时的红外热成像如图8所示，使用02#、03#、05#喷嘴喷淋金属铝箔材料的表面温度分布如图9所示。图802#喷嘴喷淋金属铝箔材料红外热成像图.F8a1（a）30 s.F8a2（b）120 s.F8a3（c）300 s.F009图9金属铝箔材料表面温度分布图8结果显示，02#喷嘴喷淋金属铝箔材料，在30 s和120 s时布水效果存在中间布水差的情况。喷雾30 s时材料表面干点面积较大，主要集中在两个喷嘴之间的位置；喷雾120 s时，可以看出也有干点存在，干点的面积依然很大。03#喷嘴布水效果同02#喷嘴基本一致。分析05#喷嘴30 s、120 s和300 s的温度分布，喷雾30 s时材料表面顶部温度偏高，受金属铝箔材料表面凹凸结构影响，整个材料表面干点较多，喷雾120 s和300 s时干点依然存在。由图9可以看出，金属铝箔材料温度分布规律性不强，材料亲水性较好，表面光滑，水滴滴落速度快。02#喷嘴随着时间增加温度降低且分布均匀，干点逐渐消失，布水时间可控制在120 s~300 s。03#、05#喷嘴随着时间增加温度没有降低反而升高，03#喷嘴干点依然存在，05#喷嘴干点减少，但温度增加，因此布水时间可控制在30 s~120 s。02#喷嘴对植物纤维聚合物材料喷雾30 s、120 s、300 s时的红外热成像图如图10所示，使用02#、03#、05#喷嘴喷淋植物纤维聚合物材料的表面温度分布如图11所示。图1002#喷嘴喷淋植物纤维聚合物材料红外热成像图.F10a1（a）30 s.F10a2（b）120 s.F10a3（c）300 s.F011图11植物纤维聚合物材料表面温度分布植物纤维聚合物材料润湿性好。由图10可以看出，02#喷嘴在30 s时布水，喷嘴正对下方的温度与中间干点的温度存在明显差异，可以看到底部温度偏高，两个喷嘴周围存在干点；在120 s时也有干点存在，但是干点的面积减少，干点区域温度降低；在300 s时布水较为均匀，温度降低。03#喷嘴在30 s时材料表面干点主要集中在材料两侧；在120 s时可以看出材料表面温度明显降低且较为均匀。由图11可以看出，02#和03#喷嘴随着时间增加植物纤维聚合物的表面温度明显降低，布水均匀性有所提高，但03#和05#喷嘴的温度值没有02#喷嘴降低的幅度大，因此02#喷嘴布水时间可控制在120 s~300 s。03#喷嘴布水时间可控制在30 s~120 s，05#喷嘴整体温降幅度不大，不建议使用。4 喷淋布水试验4.1　试验准备本次喷淋布水试验采用实心锥型喷嘴，喷嘴到材料上边缘的距离为100 mm，材料长度400 mm，平均每200 mm布置一个喷嘴进行喷淋，距材料下边缘50 mm处放置有11个接水网格，喷淋时间为8 s，喷淋压力0.7 MPa，试验台与图3所示相同。4.2　试验结果喷淋布水效果如图12所示。图123种材料喷淋布水润湿情况.F12a1（a）金属铝箔材料.F12a2（b）聚丙烯高分子材料.F12a3（c）植物纤维聚合物材料由图12可以看出，金属铝箔材料，喷嘴喷淋水滴体积较大，在金属铝箔表面可以看到水珠，并有成股流下的痕迹，材料附着能力较强，布水较为均匀。聚丙烯高分子材料布水较为均匀，喷淋布水水量大，材料表面布水效果也较好，可以看出水滴在材料表面附着明显，但还是存在干点，并且材料底部没有水滴存在，可能原因是水滴受重力影响，越到低处冲刷力越大，不易附着，也可能是喷淋纵向高度有限，喷淋水没有落到底部就已经扩散。底部没有水滴附着会影响换热效果，并且对冷却器高度也有限制。植物纤维聚合物材料表面布水情况没有其他两种效果好，由于喷嘴喷淋布水水量大，喷淋角度小，植物纤维聚合物材料浸润性强，短时间内水滴不易成股流下，而是向周围扩散，扩散时间在8 s以上，所以导致没有水滴滴落的地方存在干点，同样在材料底部干点较多。图13为喷淋布水网格水量。可以看出，金属铝箔材料水量最多，两边水量较均匀，中间水量较多，曲线光滑，整体布水均匀；聚丙烯高分子材料水量次之，两端水量递减，中间水量多；植物纤维聚合物材料水量最少，两端水量递减明显，中间还有峰值，7号网格水量有减少趋势，中间会存在干点。3种材料整体布水时间符合要求，植物纤维聚合物材料布水时间可以增加，或者增加喷嘴去除干点。.F013图133种材料喷淋布水网格水量5 结论通过针对聚丙烯高分子、金属铝箔、植物纤维聚合物3种材料，采用接触角测试、喷雾布水测试、喷淋布水测试等3种方法对其亲水性和布水均匀性进行对比分析，得到以下结论。（1）接触角试验表明，接触角从大到小依次为聚丙烯高分子材料、金属铝箔材料、植物纤维聚合物材料，亲水性优先排序依次为植物纤维聚合物材料、金属铝箔材料、聚丙烯高分子材料。（2）喷淋布水在间接蒸发冷却器中应用较多，优点是使用成本低，但存在的结垢问题一直有待解决，并且会有排风侧飘水现象。喷雾布水因其对水质要求高，配备专用净水装置，不易结垢，使用喷雾布水可以解决结垢问题，提高换热器效率，还能防止飘水现象，但其初期投资和使用成本较高。本研究中喷雾布水选取型号为02#、03#、05#喷嘴，喷雾时间30 s、120 s、300 s，喷淋布水选取实心锥形喷嘴，喷淋时间为8 s，通过在3种材料上水滴的铺展情况判断布水均匀性，喷嘴的布水均匀性可以提高材料与水的接触面积，从而使材料换热能力更强，提高间接蒸发冷却器的换热效率。（3）喷雾布水试验根据红外热成像图，分析材料对于不同喷嘴布水均匀应该设定的喷雾时间，聚丙烯高分子材料02#、03#喷嘴布水时间可控制在120 s~300 s，05#喷嘴布水时间可控制在30 s~120 s。金属铝箔材料02#喷嘴布水时间可控制在120 s~300 s，03#、05#喷嘴布水时间可控制在30 s~120 s。植物纤维聚合物材料02#喷嘴布水时间可控制在120 s~300 s，03#喷嘴布水时间可控制在30 s~120 s，不建议使用05#喷嘴。喷淋布水试验采用实心锥形喷嘴喷淋8 s时，聚丙烯高分子材料和金属铝箔材料布水较均匀，植物纤维聚合物材料可适当延长布水时间或者增加喷嘴。综合考虑，在选用间接蒸发冷却器高效换热材料时，优先推荐采用亲水性较好的植物纤维聚合物材料，采用03#喷嘴，喷雾布水时间可控制在30 s~120 s。采用喷淋布水方式时，可适当增加喷水量，使布水更加均匀。