干燥地區管式間接蒸發空氣冷卻器的數值模擬

王 芳 武俊梅 黃 翔

（1.陜西國防工業職業技術學院 西安 710302；2.西安交通大學 西安 710049；3.西安工程大學 西安 710043）

0 引言

《公共建筑節能設計標準》（GB 50189-2015）4.2.1.7 規定：夏季室外空氣設計露點溫度較低的地區，宜采用間接蒸發冷卻冷水機組作為空調系統的冷源。

目前對各種間接蒸發冷卻器傳熱、傳質過程的數學模型都是在不同的假設條件下建立起來的，多數模型是針對簡化的微元控制容積建立的，沒有考慮換熱器內流體的實際流動方向和傳熱面結構[1-3]。現有的一些管式間接蒸發冷卻器的熱工計算模型簡化時的假設條件也各不相同，多數不能將換熱器作為整體進行模擬[4,5]。

文獻[6]在分析管式間接蒸發空氣冷卻器傳熱、傳質過程各環節及其影響因素的基礎上，建立了針對管式間接蒸發空氣冷卻器的整體熱工性能模擬的數學模型。基于模型中管外二次空氣側空氣與水膜之間的傳熱、傳質系數是影響模型精度的重要因素，所以對管外二次空氣側空氣與水膜之間的傳熱、傳質系數進行了廣泛的分析，將修正后的公式用于水平單管外蒸發傳熱、傳質系數的計算，文獻[7]將計算結果與文獻[8]中的實驗數據進行了對比，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。根據下山單純形法求多元函數最小值的思想，使用Fortran 語言自編了的計算程序。文獻[9，10]用所編程序計算了一、二次空氣流量、入口溫、濕度以及換熱器幾何參數對管式間接蒸發空氣冷卻器冷卻效率的影響，對管式間接蒸發空氣冷卻器工作參數和幾何參數進行了性能優化。本文通過以上計算程序，將干燥地區的最佳空氣質量流量比、最佳換熱管間距、最佳管徑進行優化確定。

1 干燥地區的一、二次空氣最佳質量流量比

1.1 內蒙古、陜西地區一、二次空氣最佳質量流量比

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，以上數值為定值時，包頭地區一、二次空氣均為室外新風，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，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，寶雞地區一次空氣流速5.0m/s，計算出的換熱效率隨二次空氣流速的變化關系圖。可以看出，包頭、赤峰、榆林二次空氣流速2.0m/s（一、二次空氣質量流量比0.38 左右）時，冷卻效率最大。寶雞地區，二次空氣流速2.0m/s（一、二次空氣質量流量比0.54 左右）時，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、新疆地區一、二次空氣最佳質量流量比

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，以上數值為定值時，一、二次空氣均為室外新風，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，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系圖。可以看出，酒泉地區，二次空氣流速2.0m/s（一、二次空氣質量流量比在0.4 左右）時，換熱效率最大。烏魯木齊地區，二次空氣流速3.0m/s（一、二次空氣質量流量比在0.32 左右）時，換熱效率最大；吐魯番地區，二次空氣流速2.2m/s（一、二次空氣質量流量比在0.58 左右）時，換熱效率最大；克拉瑪依地區，二次空氣流速2.0m/s（一、二次空氣質量流量比在0.5 左右）時，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 干燥地區最佳換熱器管間距

2.1 內蒙古、陜西地區最佳換熱管間距

換熱管管徑0.02m，管長1.5m，二次空氣均為室外新風，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系圖。可以看出，各地區縱向管間距0.035 m 時，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，冷卻效率隨橫向管間距的變化關系圖。可以看出，橫向管間距0.030m 時，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，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系圖。可以看出，吐魯番地區縱向管間距0.03 m，其余地區縱向管間距0.035m 時，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 是吐魯番地區縱向管間距0.03m，其余地區縱向管間距0.035m 時，冷卻效率隨橫向管間距的變化關系圖。可以看出，橫向管間距0.030m 時，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，以上數值為定值時，圖9 是包頭、榆林、克拉瑪依、銀川地區冷卻效率隨管徑的變化關系圖。可以看出，換熱管管徑為0.02m 時，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 結論

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

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

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

（3）換熱管管徑為0.02m 時，冷卻效率均為最大。