间接蒸发冷却冷水机组排风对进风的影响

孙铁柱,马 杰

(西安工程大学 城市规划与市政工程学院，陕西 西安 710048)

0 引 言

在我国力争于2030年前，二氧化碳排放达到峰值，2060年前实现碳中和，实现应对气候变化确定的“双碳”目标作出更大努力和贡献的大环境下[1]，环保、高效、经济的蒸发冷却空调技术在节能减排中发挥着越来越重要的作用[2]。我国蒸发冷却空调技术取得长足发展，在内得到广泛的推广使用，并形成一个完整的体系。孙铁柱等提出了复合制取高温冷水的方法，将蒸发冷却技术与机械制冷技术相结合，并对水系统配比和机组设计进行了分析[3-5]；黄翔等对风侧蒸发冷却空调技术和水侧蒸发冷却空调技术的异同进行了介绍，并推导出蒸发冷却冷水机组的出水温度，提出其相应的出水温度以及蒸发冷却与机械制冷联合冷水机组综合负荷性能系数的计算方法[6-7]；褚俊杰等提出了评价数据中心全年间接蒸发自然冷却潜力计算的新方法并对3种不同的露点间接蒸发冷却器的技术原理、结构形式、传热传质特点进行对比分析[8-10]。胡凯等将板式换热器从干工况运行模式切换到湿工况运行模式下的间接蒸发冷却器换热性能进行研究[11];常健佩等对使用不同间接蒸发冷却器的蒸发冷却冷水机组的性能进行分析[12]; 郭志成等分析单双面进风蒸发冷却冷水机组性能及适用情况[13];崔鑫等提出一种复合式蒸发预冷空调系统，以此提高热带潮湿气候条件下蒸发冷却空调系统的制冷效率和舒适度[14]。以上文献对间接蒸发冷却冷水机组的研究主要在机组的出水温度、组成部件以及配比等性能上，但忽略了机组排风对自身进风的影响。

空气的干燥程度对间接蒸发冷却冷水机组的出水温度影响较大，然而间接蒸发冷却冷水机组排风湿度较高，如果高湿度排风与进风掺混，则会导致进风的湿度增大，从而对间接蒸发冷却冷水机组的性能产生较大的影响。本文针对排风与进风掺混，分析了间接蒸发冷却冷水机组单机运行时排风对进风的影响。

1 气流组织理论模型

1.1 空气流程

间接蒸发冷却冷水机组由间接蒸发冷却器、填料、布水装置、水泵以及风机等组成。机组一次与二次空气排风都从机组顶部排出，气流热湿处理焓湿图如图1所示。

图 1 气流热湿处理焓湿图Fig.1 Enthalpy and humidity diagram

图1中O状态点的一次空气首先经过间接蒸发冷却器的干通道等湿冷却，到达状态点C，再经过直接段与水换热到达状态点E，再由排风机从机组顶部排出[15-17]；O状态点二次空气进入间接蒸发冷却器的湿通道与淋水进行热湿交换，转化为高湿度状态空气P，再由机组顶部二次风机排出。机组回水经填料换热器处理后，从状态点H冷却到状态点G。一、二次风的进风方向与其排风方向垂直，进风为干燥的室外空气，排风为高湿度空气，排风，对进风湿度的影响直接关系到机组的出水性能。

1.2 单机组气流组织模型

间接蒸发冷却冷水机组设置在室外开阔空间，上部排风流场为典型的自由射流流场，自由射流的流场结构特征如图2所示。

图 2 自由射流的流场结构特征Fig.2 Structural characteristics of the flow field of a free jet

从图2可以看出，排风轴心速度在起始段不变，到主体段之后随着距离增大而减小；排风功能从起始段到主体段，则随距离增大不断衰减。机组两侧进风口流场类似于大空间回风口气流组织，随着进风口风速增大，有一定量的排风被进风口吸入。为便于研究高湿度排风对进风的影响，在建立气流组织模型时做如下假设：①稳态湍流传热；②流体按连续介质处理；③室内空气为低速不可压缩流体；④空气密度采用 Boussinesq 假设，其他物性参数取常数；⑤忽略流体中的黏性耗散； ⑥不考虑机组漏风影响；⑦忽略机组附近建筑物对气流的影响，认为机组处于开阔的户外场地。

当风量恒定时，间接蒸发冷却冷水机组的风口处的截面积较小,风速较大，而随着射流距离的增大，截面积增大,风速减小，因此流场区域呈扩散形式。

1.3 理论模型

间接蒸发冷却冷水机组的排风属于紊流射流[18]，排风扩张角数学计算公式为

θ=2arctan(2.44a)

(1)

式中：θ为紊流射流扩张角；a为紊流系数。带网格的轴流风机出口紊流系数a取0.334，紊流射流扩张角θ约为78.4°。

排风扩张宽度数学计算公式为

(2)

式中：B为排风扩张宽度；B0为风口半宽；s为射流的中心轴长度。

排风射流中心速度数学计算公式为

(3)

式中：μm为射流的中心速度;μo为排风口初始速度。

排风区域中任意一点速度数学计算公式为

(4)

式中：u为排风区域任意质点速度；y为所取流体质点至风口中心轴线的距离。

间接蒸发冷却冷水机组的进风气流流动规律近似于点汇流，在风口边长比大于0.2且在0.2～1.5内仍可用的数学计算公式为

(5)

式中：vo为进风口初速度;x为进风口至被吸入点的距离(本文中根据勾股定理取得);vx为半径为x的等速球面上的速度;F为进风口面积。

2 排风对进风影响的理论

2.1 排风湿空气运动

湿空气由干空气和一定量的水蒸气组成。根据理想气体湿空气的状态方程可知，在温度压力不变时，当空气相对湿度增大即水汽含量增多时，水汽压加大，湿空气密度必然减小。根据阿伏伽德罗定律可知，在相同温度和压力下，单位体积的空气中含有的分子数相同。在外界空气中，氮气和氧气的占比极高，而湿度接近100%的空气中大约含2%的水蒸气，因此如果单位体积内的空气中水蒸气增加，氮气和氧气则相应减少。而与氮气分子和氧气分子相比，水蒸气分子质量更小。

在温度和压力相同下，潮湿空气比干燥空气轻[19]。在不受其他因素影响时，湿空气不断向上运动。机组进排风气流运动在不考虑进风对排风的影响下，仅对排出湿空气进行分析。排风在起始段时速度分布均匀，沿轴线方向流动一段距离后，由于射流抽引和卷吸大量周围的流体，使排出湿空气扩张宽度越来越大，而射流的主体速度逐渐降低，速度仍保持在初速度μo的区域逐渐减小，直至进入主体段没有速度等于μo的区域并且速度不断衰减，排出湿空气扩张宽度也越来越宽。顶部排出的湿空气运动过程分为3个阶段[20],即

第一阶段：顶部空气在起始段核心射流区I时，该区域的空气以初速度μo向上扩散喷射，并同时与周围空气进行热湿交换，此时的初速度占据主导地位，湿空气向上运动至主体段，此阶段仍有湿空气速度等于μo的区域。

第二阶段：湿空气进入主体段后速度逐渐减小，射流边界越来越宽，同时湿空气与外界空气进行热湿交换，湿空气的湿度逐渐减小，温度逐渐增大[21-22]。在此阶段湿空气的速度虽然减小并受重力影响，但由于湿空气密度较小，且小于外界空气的密度，湿空气仍向上运动。

第三阶段：湿空气与外界空气进行热湿交换，其湿度与温度变化与外界空气相同。但由于侧面进风影响使湿空气与进风掺混，因此需结合进风口的流场特性进行分析。

2.2 进风流场特性

间接蒸发冷却冷水机组的排风流场为自由射流流场，与平面紊流射流性相似[23]。侧面进风的空气流动规律完全不同[24]，顶部排风以一定的角度向外扩散，进风气流则从四面八方流向进风口[25-26]，进风口气流流动规律近似于流体力学中的点汇流，但是进风口具有一定的面积，不是一个汇点[27-28]。理想状态下，距汇点不同距离的等速球面上流量相等，因而随着离开汇点距离的增大[29]，流速呈二次方衰减，或在汇流作用范围内，任意两点间的流速与汇点的距离平方成反比，因此进风口速度衰减很快[30]。

2.3 排风对进风的影响

进风口的进风区与排风区产生重叠，因此导致机组顶部排出的部分湿空气被吸入侧面进风口区域。排风、进风的流场特性都较为规律，为方便起见，本文将三维空间简化在二维平面上对空气的影响状况进行计算分析[31-32]。

间接蒸发冷却冷水机组流场特性示意图如图3所示。

图 3 间接蒸发冷却冷水机组流场特性Fig.3 Schematic diagram of the flow field characteristics of the indirect evaporative cooling chiller

从图3可以看出，机组进风区域与排风区域产生重叠。由于进风速度衰减较快，因此在右侧排风区域的右边界和左侧排风区域的左边界会被吸入。M点湿空气受进风口气流影响，造成在竖直向上的方向速度为μcos(θ/2)，此时进风口造成竖直向下的风速为vx。由于越靠近射流边界风速越小最后削减至零，因此同截面M点右侧的空气会被吸入进风口。由于被吸入空气区域靠近边界，进风口竖直方向的速度为μcos(θ/2)，因此对于在湿通道排风的射流区域内任意点的湿空气，该点受进风口影响产生的速度大于受排风影响产生的速度，即μcos(θ/2)

(6)

式中：v为进风影响产生的速度。

结合理论模型中的排风口以及进风口参数计算，将式(6)代入式(3)～(5),即

(7)

进风口到被吸入点的距离为x，利用三角函数关系可得

(8)

式中：L1为湿通道风口中心与机组边界距离；L2为进风口中心与机组边界距离。

将式(8)代入式(7)得到所取流体质点至风口中心轴线的距离y在任一排风射流距离s下机组排风速度与进风速度关联式，即

(9)

通过式(9)可以计算得到出风口中心射流距离在任意s情况下取得的被吸入质点至中心线的距离y，通过计算各射流距离s所对应y值，即可得出n个被吸入点，确定被吸入湿空气的区域。吸入点至中心线距离示意图如图4所示。

图 4 湿空气吸入点至中心线距离Fig.4 Schematic diagram of the distance from wet air inlet point to the centerline

从图4可以看出，在一定进风速度和排风速度下，湿通道排出的吸入湿空气区域的变化与射流距离s有关。随着距离s增大以及进风、排风的衰减，吸入湿空气的量不断变化。在排风出口处由于排风速度较大，扩张宽度较小，导致吸入湿空气区域较小。随着距离增大，排风速度衰减，扩张区域增大，吸入湿空气区域逐渐增大。由于排风衰减，吸入湿空气区域会逐渐增大。之后随着进风衰减，吸入湿空气区域减小，再随后由于排风衰减，吸入湿空气区域增大，最后由于进风衰减更快，吸入湿空气区域减小至零。

2.4 实测分析

以某实际间接蒸发冷却冷水机组为例，二次排风风口尺寸为900 mm×900 mm，单面进风口尺寸为3 650 mm×2 180 mm。排风扩张宽度仅与其射流距离s和风口半宽B0有关，因此对于不同风速下在同一射流距离s时的排风扩张宽度B相同，因此y值越小被吸入的高湿度排风越多。在任一射流距离s下排风的扩张宽度B减去吸入流体质点至中心线的距离y，即为该射流距离s下被吸入高湿度排风区域的宽度。不同风速时各射流距离下吸入高湿度排风区域宽度见表1。从表1可以看出，射流距离为5 m，进风口速度vo为3 m/s,排风口风速μo为9.8 m/s时,吸入湿空气最少。在不同风速下，排风距离为1 m时吸入的高湿度排风最少。射流距离在5 m内时，由于排风衰减，被吸入湿空气的量先增多，由于进风衰减，被吸入湿空气的量减少，再随着排风衰减，被吸入湿空气的量增多。

表1 不同风速时各射流距离下吸入高湿度排风区域宽度表Tab.1 Width table of inhaled high humidity exhaust area under each jet distance at different wind speeds

3 结 论

1) 当排风风速一定时，机组吸入高湿度排风量受进风速度的影响，进风速度增大时，被吸入的高湿度排风增多；进风速度一定时，机组吸入高湿度排风量与排风速度和排风距离有关，排风速度越大，被吸入高湿度排风越少；排风距离越大，吸入湿空气会先增多再减少再增多，最后减小至零。

2) 当进风和排风速度一定时，进风口中心与排风口中心垂直距离越大，排风对进风的影响越小。当进风速度和排风速度以一定比例变化时，各风速下进风口吸入湿空气的量几乎相等。