干燥地區(qū)管式間接蒸發(fā)空氣冷卻器的數(shù)值模擬

王 芳 武俊梅 黃 翔

（1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 西安 710302；2.西安交通大學(xué) 西安 710049；3.西安工程大學(xué) 西安 710043）

0 引言

《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189-2015）4.2.1.7 規(guī)定：夏季室外空氣設(shè)計(jì)露點(diǎn)溫度較低的地區(qū)，宜采用間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組作為空調(diào)系統(tǒng)的冷源。

目前對各種間接蒸發(fā)冷卻器傳熱、傳質(zhì)過程的數(shù)學(xué)模型都是在不同的假設(shè)條件下建立起來的，多數(shù)模型是針對簡化的微元控制容積建立的，沒有考慮換熱器內(nèi)流體的實(shí)際流動(dòng)方向和傳熱面結(jié)構(gòu)[1-3]?，F(xiàn)有的一些管式間接蒸發(fā)冷卻器的熱工計(jì)算模型簡化時(shí)的假設(shè)條件也各不相同，多數(shù)不能將換熱器作為整體進(jìn)行模擬[4,5]。

文獻(xiàn)[6]在分析管式間接蒸發(fā)空氣冷卻器傳熱、傳質(zhì)過程各環(huán)節(jié)及其影響因素的基礎(chǔ)上，建立了針對管式間接蒸發(fā)空氣冷卻器的整體熱工性能模擬的數(shù)學(xué)模型?；谀Ｐ椭泄芡舛慰諝鈧?cè)空氣與水膜之間的傳熱、傳質(zhì)系數(shù)是影響模型精度的重要因素，所以對管外二次空氣側(cè)空氣與水膜之間的傳熱、傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行了廣泛的分析，將修正后的公式用于水平單管外蒸發(fā)傳熱、傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算，文獻(xiàn)[7]將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[8]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，證明了所選模型的正確性。對所建立的熱工模型采用下山單純形法來求解。根據(jù)下山單純形法求多元函數(shù)最小值的思想，使用Fortran 語言自編了的計(jì)算程序。文獻(xiàn)[9，10]用所編程序計(jì)算了一、二次空氣流量、入口溫、濕度以及換熱器幾何參數(shù)對管式間接蒸發(fā)空氣冷卻器冷卻效率的影響，對管式間接蒸發(fā)空氣冷卻器工作參數(shù)和幾何參數(shù)進(jìn)行了性能優(yōu)化。本文通過以上計(jì)算程序，將干燥地區(qū)的最佳空氣質(zhì)量流量比、最佳換熱管間距、最佳管徑進(jìn)行優(yōu)化確定。

1 干燥地區(qū)的一、二次空氣最佳質(zhì)量流量比

1.1 內(nèi)蒙古、陜西地區(qū)一、二次空氣最佳質(zhì)量流量比

換熱管管徑0.02m，管長1.5m，縱向、橫向管間距均為0.035m，二次空氣流速2.8m/s，以上數(shù)值為定值時(shí)，包頭地區(qū)一、二次空氣均為室外新風(fēng)，如圖1 所示，包頭、赤峰、榆林一次空氣流速3.0m/s，換熱效率最大。寶雞地區(qū)，一次空氣流速5.0m/s，換熱效率最大。

圖1 一次空氣流速變化對換熱效率的影響Fig.1 The effect of the primary air velocity on the cooling efficiency

圖2 是包頭、赤峰、榆林一次空氣流速3.0m/s，寶雞地區(qū)一次空氣流速5.0m/s，計(jì)算出的換熱效率隨二次空氣流速的變化關(guān)系圖?？梢钥闯?，包頭、赤峰、榆林二次空氣流速2.0m/s（一、二次空氣質(zhì)量流量比0.38 左右）時(shí)，冷卻效率最大。寶雞地區(qū)，二次空氣流速2.0m/s（一、二次空氣質(zhì)量流量比0.54 左右）時(shí)，冷卻效率最大。

圖2 二次空氣流速變化對換熱效率的影響Fig.2 The effects of the primaryair heat convection coefficienton the cooling efficiency

1.2 甘肅、寧夏、新疆地區(qū)一、二次空氣最佳質(zhì)量流量比

換熱管管徑0.02m，管長1.5m，縱向、橫向管間距均為0.035m，二次空氣流速2.8m/s，以上數(shù)值為定值時(shí)，一、二次空氣均為室外新風(fēng)，圖3 所示，酒泉、銀川、烏魯木齊一次空氣流速3.0m/s，換熱效率最大；吐魯番地區(qū)，一次空氣流速5.0m/s，換熱效率最大；克拉瑪依一次空氣流速4.0m/s，換熱效率最大。

圖3 一次空氣流速變化對換熱效率的影響Fig.3 The effect of the primary air velocity on the cooling efficiency

圖4 是酒泉、銀川、烏魯木齊一次空氣流速3.0m/s，吐魯番地區(qū)一次空氣流速5.0m/s，克拉瑪依一次空氣流速4.0m/s，換熱效率隨二次空氣流速的變化關(guān)系圖。可以看出，酒泉地區(qū)，二次空氣流速2.0m/s（一、二次空氣質(zhì)量流量比在0.4 左右）時(shí)，換熱效率最大。烏魯木齊地區(qū)，二次空氣流速3.0m/s（一、二次空氣質(zhì)量流量比在0.32 左右）時(shí)，換熱效率最大；吐魯番地區(qū)，二次空氣流速2.2m/s（一、二次空氣質(zhì)量流量比在0.58 左右）時(shí)，換熱效率最大；克拉瑪依地區(qū)，二次空氣流速2.0m/s（一、二次空氣質(zhì)量流量比在0.5 左右）時(shí)，換熱效率最大。

圖4 二次空氣流速變化對換熱效率的影響Fig.4 The effects of the primaryair heat convection coefficient on the cooling efficiency

2 干燥地區(qū)最佳換熱器管間距

2.1 內(nèi)蒙古、陜西地區(qū)最佳換熱管間距

換熱管管徑0.02m，管長1.5m，二次空氣均為室外新風(fēng)，二次空氣速度均為0.2m/s，包頭、赤峰、榆林一次空氣流速3.0m/s，寶雞地區(qū)一次空氣流速5.0m/s，圖5 是換熱效率隨橫向管間距的變化關(guān)系圖?？梢钥闯?，各地區(qū)縱向管間距0.035 m 時(shí)，換熱效率最大。

圖5 縱向管間距對換熱效率的影響Fig.5 The effects of longitudinal tube spacingon the cooling efficiency

圖6 是縱向管間距0.035m 時(shí)，冷卻效率隨橫向管間距的變化關(guān)系圖。可以看出，橫向管間距0.030m 時(shí)，換熱效率均為最大。

圖6 橫向管間距對換熱效率的影響Fig.6 The effects of horizontal tube spacingon the cooling efficiency

2.2 甘肅、寧夏、新疆地區(qū)最佳換熱管間距

換熱管管徑0.02m，管長1.5m，一、二次空氣均為室外新風(fēng)，二次空氣速度0.2m/s，酒泉、銀川、烏魯木齊一次空氣流速3.0m/s，吐魯番地區(qū)一次空氣流速5.0m/s，克拉瑪依一次空氣流速4.0m/s，圖7 是冷卻效率隨縱向管間距的變化關(guān)系圖?？梢钥闯?，吐魯番地區(qū)縱向管間距0.03 m，其余地區(qū)縱向管間距0.035m 時(shí)，換熱效率最大。

圖7 縱向管間距對換熱效率的影響Fig.7 The effects of longitudinal tube spacingon the cooling efficiency

圖8 是吐魯番地區(qū)縱向管間距0.03m，其余地區(qū)縱向管間距0.035m 時(shí)，冷卻效率隨橫向管間距的變化關(guān)系圖。可以看出，橫向管間距0.030m 時(shí)，換熱效率均為最大。

圖8 橫向管間距對換熱效率的影響Fig.8 The effects of horizontal tube spacingon the cooling efficiency

3 干燥地區(qū)最佳換熱器管管徑

換熱管管長為1.5m，橫、縱向管間距均為最佳間距，一、二次空氣流速為最佳流速，以上數(shù)值為定值時(shí)，圖9 是包頭、榆林、克拉瑪依、銀川地區(qū)冷卻效率隨管徑的變化關(guān)系圖。可以看出，換熱管管徑為0.02m 時(shí)，冷卻效率均為最大。

圖9 換熱管管徑對換熱效率的影響Fig.9 The effects of heat exchange tube diameter on the cooling efficiency

4 結(jié)論

本文通過模擬計(jì)算，得到了管式間接蒸發(fā)空氣冷卻器用于不同干燥地區(qū)的最佳空氣流速、最佳管間距和最佳管徑。模擬結(jié)果表明：

（1）不同干燥地區(qū)的一、二次空氣質(zhì)量流量比分別為：包頭、赤峰、榆林地區(qū)0.38；寶雞地區(qū)0.54，酒泉地區(qū)0.4，烏魯木齊地區(qū)0.3，吐魯番地區(qū)0.58，拉瑪依地區(qū)0.5。

（2）吐魯番地區(qū)縱向管間距0.03m，其余地區(qū)縱向管間距0.035m 時(shí)，換熱效率最大。橫向管間距0.030m 時(shí)，換熱效率均為最大。

（3）換熱管管徑為0.02m 時(shí)，冷卻效率均為最大。