组合式空调机组加湿器喷杆安装位置和喷嘴朝向对加湿效果的影响研究

刘 哲,刘泽勤,赵航宇

（天津商业大学，教育部制冷技术工程研究中心，天津市制冷技术重点实验室，天津市制冷技术工程中心，天津 300134）

1 前言

随着经济的发展和人们生活水平的提高，人们对室内空气品质的要求越来越高。作为提供室内人工环境控制的空调系统，不但维持室内的温度场和速度场，并对室内空气的相对湿度进行控制。室内空气相对湿度同温度和空气流速一样，对于人居建筑，不仅关系到人体的热舒适性［1，2］,对室内空气品质也有显著的影响［3，4］。研究显示，当室内相对湿度参数偏低，人们的舒适感将变差，易引起多种疾病，如皮肤干燥、口唇开裂、易换感冒等等，甚至还可能会导致静电的产生［5～7］。并且据分析，当室温为22～26℃时，人类在相对湿度介于40%～65%的环境中工作会感觉最适宜，效率最高［8～11］。为此《采暖通风与空气调节设计规范》、ASHRAE standard等均对不同功能房间的湿度下限做出明确规定［12，13］。

对于空调加湿器目前已多有研究，冯国会曾采用试验的方法来确定空调加湿器的吸收距离［14］；同时文献［15～17］指出根据空气的状态参数及风道尺寸查图得到的空调加湿器的吸收距离理论值与真实值将存在很大误差；李甲通过对空调加湿器加湿性能的试验研究，真实地反映了其节省空间、节水、节电的特性［8］；孙玉明主要介绍了空调加湿系统中由于电流过大引起自身保护而不工作的问题,并探讨了避免加湿电流过大的解决办法［18］；孙莹进一步对比分析了几类典型空调加湿器的工作原理和性能特点，得出不同类型加湿器的应用场合，为加湿器的选用提供了参考［19］。目前中央空调系统存在这几种加湿方法：喷淋加湿、干蒸汽加湿、高压喷雾加湿、电极式加湿、电热式加湿、湿膜式加湿等。电陶瓷加湿器是空调系统中常用的一种加湿装置，加湿器内的水经加热盘加热至沸腾，产生的水蒸气通过喷杆上的喷嘴喷入空气中，进而达到加湿空气的效果。但对于此类加湿器的喷杆安装位置和喷嘴朝向对加湿效果影响的研究目前鲜有涉及。

由此本文就电陶瓷加湿器喷杆安装位置和喷嘴朝向对加湿效果的影响进行探讨，并分析将喷杆安装在回风管路时喷嘴不同朝向对加湿效果的影响；以及将喷杆安装在送风管路时喷嘴不同朝向对加湿效果的影响。笔者采用计算流体力学软件Fluent，数值模拟喷杆近壁静压分布，理论分析蒸汽的喷入情况。并通过对空调房间相对湿度的变化规律进行试验研究，验证数值模拟的准确性。

2 数值模拟

2.1 模型建立

本文模拟的圆柱绕流计算是二维问题，且对求解精度要求较高，鉴于此选择Fluent-2ddp求解器求解［20］。数值模拟管道模型尺寸为1000 mm（长）×300 mm（宽），喷杆外径50 mm，并位于管道中间位置，如图1所示。为了提高数值模拟精度，压力速度耦合项采用SIMPLEC算法，离散化方法中压力项采用二阶格式，动力项采用二阶迎风格式。回风管入口设为速度入口，速度大小 8 m/s；出口设为压力出口，出口静压 -80 Pa。同样送风管入口设定速度大小8 m/s，出口静压120 Pa。模拟过程中不考虑喷管加湿。

图1 用于数值模拟的管道模型

来流假定为二维不可压缩粘性流体，在较高的亚临界雷诺数状态下，圆柱绕流流场为湍流流态［21］，可以通过雷诺平均N-S方程对湍流的瞬时运动进行描述［22］:

式中 ui，uj——湍流的平均速度分量

p——湍流的平均压力分量

u′i，u′j——湍流的紊动速度分量

-u′iu′j——雷诺应力

ρ——流体密度

υ——流体的运动黏性系数

N-S方程中的雷诺应力需要通过Boussinesq假设进行封闭:

式中 δij——Kronecker函数

υT——涡团黏性系数

k——湍动能

2.2 模拟结果分析与讨论

2.2.1 回风管内加湿的模拟分析

图2（a）给出了回风管内静压分布规律。可以看出，整个回风管内均呈负压状态。在喷管上游侧和喷管下游侧，送风管和回风管的静压随着距离的增加而增加。喷管处的静压均最低，分别为-100Pa和100Pa。下游在喷杆影响下不同时刻会有尾流涡旋的交替生成、发展、脱落以及消散，且随着影响减弱及壁面的阻碍使得下侧涡旋得不到充分发展，其涡量与结构形式均小于上侧涡旋［22］。由此，喷杆下侧会形成明显的压力坡降，这种趋势由于涡旋的涡量与结构形式的减小将有所减弱。喷杆上游由于空气受到杆的阻力作用，回风风速急剧下降，部分动压转化为静压，所以随着到喷杆距离的减小静压有所增大，但依然呈负压状态。

图2 回风、送风管内静压分布云图（Pa）

由以上分析可见喷杆近壁处静压分布均低于外界大气压，所以在传统加湿器包括本文研究所采用的电陶瓷加湿器内产生的处于正压状态下的蒸汽在加湿器与喷嘴处内外压差的作用下会自动喷入回风气流中，而在加湿器内并不需要专门提供压力。由此，理论研究可得将喷杆安装在回风管路均可实现加湿的目的，而不受喷嘴朝向的影响。

2.2.2 送风管内加湿的模拟分析

图2（b）给出了送风管内静压分布规律。由图可见，整个送风管内均呈正压状态，同样，喷杆下侧压力明显偏低，且随着距离增加压力逐渐增大。同回风管，下侧在喷杆影响下形成的尾流涡旋促使压力有明显的下降趋势。

由以上分析可见喷杆近壁处静压分布均远高于外界大气压，所以当加湿器内没有专门提供压力时，由于近壁处的高压作用在传统加湿器包括本文研究所采用的电陶瓷加湿器内产生的处于微小正压状态下的蒸汽将通过加湿器通气孔倒喷至室外空气中。由此，理论研究可得将喷杆安装在送风管路均达不到加湿的目的，而结果不受喷嘴朝向的影响。

3 试验验证

人工环境控制综合试验台内部尺寸（长×宽×高）为6000 mm×4000 mm×3500 mm。试验台墙壁、屋顶及地面密封良好，而且材料均选用隔热性能良好、100 mm厚的冷库板，所以试验过程中不考虑额外的加湿或散湿量及与外界环境的热交换［23］。试验过程中采用上送下回的气流组织形式［24，25］，且并未对空气进行加热或制冷，以此减小额外扰动对温度变化的影响。

传统理论分析认为喷嘴位于气流下侧，容易实现加湿过程；相反，迎面气流的冲击作用将影响蒸汽的喷入效果。鉴于此试验过程中测试二组典型工况，即将喷杆安装于回风管道，喷嘴逆流布置；喷杆安装于送风管道，喷嘴顺流布置。测试一组对比工况——喷杆安装于回风管道并喷嘴顺流布置，以验证试验的可行性。喷杆及喷嘴如图3所示，三种工况的测试结果分别见表1～3。

图3 蒸汽喷杆及喷嘴

表1 试验工况1——喷杆安装于回风管道、喷嘴逆流布置所测的相对湿度变化

表2 试验工况2——喷杆安装于送风管道、喷嘴顺流布置所测的相对湿度变化

表3 试验工况3——喷杆安装于回风管道、喷嘴顺流布置所测的相对湿度变化

本文在采取减小温度变化措施的基础上列出室内空气含湿量值，对加湿效果的观察控制在单一变化参数内，以消除温度波动对加湿过程变化趋势观察的影响。表1、3所示，由于高温喷杆加热的影响，随着室内温度逐渐上升，室内空气相对湿度和含湿量同时也呈上升趋势。喷杆安装于回风管道、喷嘴逆流布置时，温度由19.8 ℃上升到23.2 ℃时，室内相对湿度由61.7%升高到74.6%，同时，含湿量由9 g/kg升高13.49 g/kg。喷杆安装于回风管道、喷嘴顺流布置时，随着温度由24.3 ℃逐渐升高到27 ℃，相对湿度由68.7%升高到82%，此时含湿量由13.2 g/kg升高到18.7 g/kg。由此验证当喷杆安装于回风管道时可达到加湿的目的，喷嘴顺流布置和逆流布置均能达到室内加湿的效果。由表2可知，将喷杆安装在送风管路，室内温度、相对湿度以及含湿量都在某一微小的固定范围内波动时，蒸汽几乎不喷入送风气流中，相对湿度和含湿量几乎不变，即无法达到加湿的效果，且结果不受喷嘴朝向的影响。

4 结论

（1）回风管内静压分布均低于外界大气压，喷杆下游压力明显偏低，且随着距离增加压力逐渐增大。喷杆上游由于空气受到杆的阻力作用，部分动压转化为静压，但依然呈负压状态。喷嘴逆流布置时，随着温度的升高，相对湿度和含湿量均升高，最大值分别为74.6%和13.49 g/kg。喷嘴顺流布置时，随着温度的升高，相对湿度和含湿量均升高，最大值分别为82%和18.7 g/kg。

（2）送风管内包括喷杆近壁处静压分布均远高于外界大气压，同样喷杆下侧压力明显偏低，但当吹向喷杆的气流正压力不足够小时喷杆下游近壁处依然处于正压状态。喷杆上侧由于空气同样受到杆的阻力作用，部分动压转化为静压。鉴于此可理论判断只要喷杆置于送风管路，当加湿器内没有专门提供压力时，由于近壁处的高压作用在传统加湿器包括本文研究所采用的电陶瓷加湿器内产生的处于微小正压状态下的蒸汽将无法喷入送风气流，即达不到加湿目的。试验结果显示室内温度、相对湿度以及含湿量的稳定不变状态同样可验证理论分析的正确性。

［1］ Toftum J,Jorgensen A S,Fanger P O.Upper limits for indoor air humidity to avoid uncomfortably humid skin［J］.Energy and Buildings,1998,28:1-13.

［2］ Kitagawa K,KomodaN,Hayano H,Tanabe S.Effect of humidity and small air movement on thermal comfort under a radiant cooling ceiling by subjective experiments［J］.Energy and Buildings,1999,30:185-193.

［3］ 马晓钧.通风空调房间温湿度和污染物分布规律及其应用研究［D］.北京：清华大学，2012.

［4］ Simonson C J,Salonvaara M,Ojanen T.The effect of structures on indoor humidity possibility to improve comfort and perceived air quality［J］.Indoor Air,2002,12:243-251.

［5］ 周亮.关于空调加湿的几种方式及应用的讨论［J］.医药工程设计,2003（4）:25-28.

［6］ Green G H Positive and negative effects of building humidification［J］.ASHRAE Transaction,1982,88（1）:1049-1061.

［7］ 丁帅，孟庆龙，王博闻，等.变风量空调系统送风管道静压特性的试验研究［J］.流体机械，2017，45（1）：66-71.

［8］ 李甲.空调加湿器加湿性能的试验研究［D］.沈阳：沈阳建筑大学,2011.

［9］ 彭梦珑,黄敬远,刘仙萍.采暖房间加湿量值问题的探讨［J］.湘潭师范学院学报（自然科学版）,2007（1）:110-112.

［10］ 张浩,张吉光,杨丰.冬季供暖房间加湿与热舒适［J］.能源技术,2003（5）:205-207.

［11］ 陆耀庆.实用供热空调设计手册［M］.北京:中国建筑工业出版社,1993.

［12］ 中华人民共和国国家标准GB50019-2003.采暖通风与空气调节设计规范［S］.北京:中国计划出版社,2003.

［13］ ASHRAE standard 62-2001.Fundamentals of good indoor air quality（Humidity management）［S］.Atlanta:ASHRAE Ic,2001.

［14］ 冯国会,李甲,王智超.空调加湿器吸收距离的测量［J］.沈阳建筑大学学报（自然科学版）,2011（2）:319-323.

［15］ ARI.ARI-640-1996 commercial and industrial humid- ifiers［S］.Arlington:Air-conditioning and Refrieration Instit- ute Press,1996.

［16］ ARI.ARI-640-2005 performance rating of commercial and industrial humidifiers［S］.Arlington:Airconditioning and Refrieration Institute Press,2005.

［17］ ARI.ANSI//ARI-610-2004 performance rating of central systerm humidifiers［S］.Arlington:Airconditioning and Refrieration Institute Press,2004.

［18］ 孙玉明,陈杰.机房专用空调加湿器电流过大问题的探析［J］.山东煤炭科技,2009（1）:96-97.

［19］ 孙莹,孙艳秀.空调用加湿器的介绍及选用分析［J］. 制冷空调与电力机械 ,2010（3）:69-73.

［20］ 于勇.FLUENT入门与进阶教程［M］.北京:北京理工大学出版社, 2008.

［21］ 任泽霈.对流换热［M］.北京:高等教育出版社,1998.

［22］ 王国兴,孙万卿.近壁圆柱绕流水动力特性数值模拟与实验研究［J］.海洋工程 ,2010（1）:42-49.

［23］ 左珍君.层状送风的送风温度和出风角度对典型办公室室内热环境的影响［D］.天津：天津商业大学,2014.

［24］ 赵荣义,范存养,薛殿华,等.空气调节（第四版）［M］.北京:中国建筑工业出版社,2009.

［25］ 黄翔.空调工程［M］.北京:机械工业出版社，2009.