干燥地区管式间接蒸发空气冷却器的数值模拟

王 芳 武俊梅 黄 翔

（1.陕西国防工业职业技术学院 西安 710302；2.西安交通大学 西安 710049；3.西安工程大学 西安 710043）

0 引言

《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）4.2.1.7 规定：夏季室外空气设计露点温度较低的地区，宜采用间接蒸发冷却冷水机组作为空调系统的冷源。

目前对各种间接蒸发冷却器传热、传质过程的数学模型都是在不同的假设条件下建立起来的，多数模型是针对简化的微元控制容积建立的，没有考虑换热器内流体的实际流动方向和传热面结构[1-3]。现有的一些管式间接蒸发冷却器的热工计算模型简化时的假设条件也各不相同，多数不能将换热器作为整体进行模拟[4,5]。

文献[6]在分析管式间接蒸发空气冷却器传热、传质过程各环节及其影响因素的基础上，建立了针对管式间接蒸发空气冷却器的整体热工性能模拟的数学模型。基于模型中管外二次空气侧空气与水膜之间的传热、传质系数是影响模型精度的重要因素，所以对管外二次空气侧空气与水膜之间的传热、传质系数进行了广泛的分析，将修正后的公式用于水平单管外蒸发传热、传质系数的计算，文献[7]将计算结果与文献[8]中的实验数据进行了对比，证明了所选模型的正确性。对所建立的热工模型采用下山单纯形法来求解。根据下山单纯形法求多元函数最小值的思想，使用Fortran 语言自编了的计算程序。文献[9，10]用所编程序计算了一、二次空气流量、入口温、湿度以及换热器几何参数对管式间接蒸发空气冷却器冷却效率的影响，对管式间接蒸发空气冷却器工作参数和几何参数进行了性能优化。本文通过以上计算程序，将干燥地区的最佳空气质量流量比、最佳换热管间距、最佳管径进行优化确定。

1 干燥地区的一、二次空气最佳质量流量比

1.1 内蒙古、陕西地区一、二次空气最佳质量流量比

换热管管径0.02m，管长1.5m，纵向、横向管间距均为0.035m，二次空气流速2.8m/s，以上数值为定值时，包头地区一、二次空气均为室外新风，如图1 所示，包头、赤峰、榆林一次空气流速3.0m/s，换热效率最大。宝鸡地区，一次空气流速5.0m/s，换热效率最大。

图1 一次空气流速变化对换热效率的影响Fig.1 The effect of the primary air velocity on the cooling efficiency

图2 是包头、赤峰、榆林一次空气流速3.0m/s，宝鸡地区一次空气流速5.0m/s，计算出的换热效率随二次空气流速的变化关系图。可以看出，包头、赤峰、榆林二次空气流速2.0m/s（一、二次空气质量流量比0.38 左右）时，冷却效率最大。宝鸡地区，二次空气流速2.0m/s（一、二次空气质量流量比0.54 左右）时，冷却效率最大。

图2 二次空气流速变化对换热效率的影响Fig.2 The effects of the primaryair heat convection coefficienton the cooling efficiency

1.2 甘肃、宁夏、新疆地区一、二次空气最佳质量流量比

换热管管径0.02m，管长1.5m，纵向、横向管间距均为0.035m，二次空气流速2.8m/s，以上数值为定值时，一、二次空气均为室外新风，图3 所示，酒泉、银川、乌鲁木齐一次空气流速3.0m/s，换热效率最大；吐鲁番地区，一次空气流速5.0m/s，换热效率最大；克拉玛依一次空气流速4.0m/s，换热效率最大。

图3 一次空气流速变化对换热效率的影响Fig.3 The effect of the primary air velocity on the cooling efficiency

图4 是酒泉、银川、乌鲁木齐一次空气流速3.0m/s，吐鲁番地区一次空气流速5.0m/s，克拉玛依一次空气流速4.0m/s，换热效率随二次空气流速的变化关系图。可以看出，酒泉地区，二次空气流速2.0m/s（一、二次空气质量流量比在0.4 左右）时，换热效率最大。乌鲁木齐地区，二次空气流速3.0m/s（一、二次空气质量流量比在0.32 左右）时，换热效率最大；吐鲁番地区，二次空气流速2.2m/s（一、二次空气质量流量比在0.58 左右）时，换热效率最大；克拉玛依地区，二次空气流速2.0m/s（一、二次空气质量流量比在0.5 左右）时，换热效率最大。

图4 二次空气流速变化对换热效率的影响Fig.4 The effects of the primaryair heat convection coefficient on the cooling efficiency

2 干燥地区最佳换热器管间距

2.1 内蒙古、陕西地区最佳换热管间距

换热管管径0.02m，管长1.5m，二次空气均为室外新风，二次空气速度均为0.2m/s，包头、赤峰、榆林一次空气流速3.0m/s，宝鸡地区一次空气流速5.0m/s，图5 是换热效率随横向管间距的变化关系图。可以看出，各地区纵向管间距0.035 m 时，换热效率最大。

图5 纵向管间距对换热效率的影响Fig.5 The effects of longitudinal tube spacingon the cooling efficiency

图6 是纵向管间距0.035m 时，冷却效率随横向管间距的变化关系图。可以看出，横向管间距0.030m 时，换热效率均为最大。

图6 横向管间距对换热效率的影响Fig.6 The effects of horizontal tube spacingon the cooling efficiency

2.2 甘肃、宁夏、新疆地区最佳换热管间距

换热管管径0.02m，管长1.5m，一、二次空气均为室外新风，二次空气速度0.2m/s，酒泉、银川、乌鲁木齐一次空气流速3.0m/s，吐鲁番地区一次空气流速5.0m/s，克拉玛依一次空气流速4.0m/s，图7 是冷却效率随纵向管间距的变化关系图。可以看出，吐鲁番地区纵向管间距0.03 m，其余地区纵向管间距0.035m 时，换热效率最大。

图7 纵向管间距对换热效率的影响Fig.7 The effects of longitudinal tube spacingon the cooling efficiency

图8 是吐鲁番地区纵向管间距0.03m，其余地区纵向管间距0.035m 时，冷却效率随横向管间距的变化关系图。可以看出，横向管间距0.030m 时，换热效率均为最大。

图8 横向管间距对换热效率的影响Fig.8 The effects of horizontal tube spacingon the cooling efficiency

3 干燥地区最佳换热器管管径

换热管管长为1.5m，横、纵向管间距均为最佳间距，一、二次空气流速为最佳流速，以上数值为定值时，图9 是包头、榆林、克拉玛依、银川地区冷却效率随管径的变化关系图。可以看出，换热管管径为0.02m 时，冷却效率均为最大。

图9 换热管管径对换热效率的影响Fig.9 The effects of heat exchange tube diameter on the cooling efficiency

4 结论

本文通过模拟计算，得到了管式间接蒸发空气冷却器用于不同干燥地区的最佳空气流速、最佳管间距和最佳管径。模拟结果表明：

（1）不同干燥地区的一、二次空气质量流量比分别为：包头、赤峰、榆林地区0.38；宝鸡地区0.54，酒泉地区0.4，乌鲁木齐地区0.3，吐鲁番地区0.58，拉玛依地区0.5。

（2）吐鲁番地区纵向管间距0.03m，其余地区纵向管间距0.035m 时，换热效率最大。横向管间距0.030m 时，换热效率均为最大。

（3）换热管管径为0.02m 时，冷却效率均为最大。