李 婷,强天伟

(西安工程大学环境与化学工程学院,西安710048)

引言

近年来,鉴于蒸发冷却技术的种种优点,国内外对蒸发冷却技术越来越重视,对该领域的研究不断深入。目前国内以实验研究与理论分析为主。无论是理论分析还是实验研究的方法都有较大的限制。鉴于问题的复杂性,要得到分析解有时是不可能的,实验的方法又可能需要昂贵的费用,而数值计算的方法具有成本较低且能模拟较复杂或较理想的过程等优点。对蒸发冷却过程中的传热传质问题,一旦建立了合理的数学模型,数值模拟结果对实验研究和理论分析就会具有一定的指导作用,而且可以拓宽实验研究的范围,减少成本昂贵的实验工作。但目前数值模拟技术在蒸发冷却中的应用还没有真正达到用于优化设计结构的程度,还存在很多问题,需要我们不断进行研究并解决。

1 蒸发冷却技术

1.1 蒸发冷却技术简介

蒸发冷却空调技术是一项利用水蒸发吸热制冷的技术。水在空气中具有蒸发能力。在没有其他热源的情况下,水与空气进行热湿交换,空气把显热传递给水,使空气温度降低;由于水的蒸发,空气中的含湿量增加,且进入空气的水蒸气带回一些气化潜热[1]。由于蒸发冷却过程是以水作为制冷剂的,不使用CFCs,所以对大气环境无污染,而且可直接采用全新风,极大地改善了室内空气品质。

1.2 蒸发冷却技术的发展及其研究现状

蒸发冷却技术在美国和澳大利亚的研究较早。在美国,已成立 “蒸发冷却协会”(The Evaporative Cooling Institude,简称ECI),这一组织积极提倡应用蒸发冷却技术,收集并出版蒸发冷却系统的应用、安装、运行与维护数据,发布规范、标准,肯定并奖励对蒸发冷却的研究,以此来推广蒸发冷却设备在全世界的应用。由于蒸发冷却空调技术是一种环保、高效、节能的冷却技术。鉴于其无以伦比的优越性,引起了各国科学家对蒸发冷却技术研究工作的关注。在我国,将蒸发冷却空调技术作为自然冷源替代人工冷源的研究早在20世纪60年代已引起国内学者的关注,20世纪80-90年代,我国对蒸发冷却技术的研究主要集中在同济大学、哈尔滨工业大学、天津大学等高校,主要研究蒸发冷却空调技术的传递过程理论分析、热湿交换计算、填料性能以及其他相关试验。与此同时,哈尔滨空调厂生产出第一台填料蒸发式空气冷却机,新疆绿色使者有限公司开发出了亲水性铝填料直接蒸发冷却器等系列产品,福建奥蓝集团开发出了系列蒸发冷却机。进入21世纪,西安工程大学以黄翔老师为领头人的蒸发冷却团队对蒸发冷却空调技术进行了大量的实验研究和推广应用工作,并取得了可喜的成绩。目前,蒸发冷却空调技术已经在新疆、甘肃、宁夏、青海等西北地区以及广东、福建、浙江等沿海地区得到推广应用。

2 数值模拟技术在蒸发冷却空调中的应用

2.1 Fluent技术

Fluent是用于计算流体流动和传热问题的程序,是目前市场占有率最大的CFD软件包,在美国的市场占有率为60%。Fluent开发了适用于各个领域的流动模拟软件,模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动,模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象,软件之间采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面,而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同。举凡跟流体,热传递及化学反应等有关的工程问题均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能,在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。其在石油天然气工业上的应用包括:燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散/聚积、多相流、管道流动等等。软件的设计基于CFD软件群的思想,从用户需求角度出发,针对各种复杂流动的物理现象,软件采用不同的离散格式和数值方法,以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合,从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。利用Fluent完成一个流体流动与传热问题的计算流程为:首先利用Gambit或者其他前处理器完成模拟对象几何结构的建模以及计算网格的生成与划分,然后将网格导入到Fluent中进行求解计算,最后对计算结果进行处理和分析。

2.2 数值模拟技术在蒸发冷却中的应用

国内针对蒸发冷却的理论研究起步较早,也很重视,其研究成果的理论深度和广度处于国际领先水平,由于其涉及到流体力学传热学的蒸发相变和两相流问题,无论从理论还是实验角度进行研究都有一定的限制,而且可能需要昂贵的实验费用。由于受到外界条件的干扰,实验效果会随着外界多种因素发生变化,实验结果往往并不准确、稳定,但数值模拟不受外界条件干扰,模拟结果较稳定、成本低且能模拟较复杂或较理想的过程,对我们的实际工程有一定的指导作用。

同济大学的杨建坤,张旭,徐琳对长5m,宽4m,高3m的蒸发冷却空调房间的气流组织进行了数值模拟,主要针对房间的三维温度场、速度场以及热舒适指标进行了模拟。结果表明:蒸发冷却空调器能够有效的改善室内热环境,使在通风和空气调节方面满足人体的热舒适要求,并且在常规满足最不利条件时空调要求的设计方案,适用于蒸发冷却空调的设计[3]。廖毅刚、侯小全、周光厚对三峡地下电厂水轮发电机的蒸发冷却进行了模拟试验研究,通过一系列全面的模型试验,掌握了负荷、压力、液位、二次水流量等与温度的关系,科学地指导了三峡地下电厂蒸发冷却系统设计中重要部件的合理选型,如冷凝器、管路接头、卡套等的选择,同时提出了蒸发冷却系统的液位、流量、压力等主要参数在各种工况下的合理设定值以及故障工况下的报警值、极限值,确保了三峡地下电厂蒸发冷却水轮发电机冷却系统的安全性和合理性[4]。西安工程大学的汪周建对管式间接蒸发冷却器的传热传质进行了数值模拟,并测定了换热器内部的叉排管束间温度场、速度场,以及换热器内部椭圆管外壁水膜蒸发的质量通量密度,这些都是实验不易测定的数据[5]。湖南科技大学的段满清以直接蒸发冷却器为研究对象,通过模拟得出直接蒸发冷却器工作性能的影响因素以及影响规律,所得出的结论如下:填料厚度和迎面风速能够直接影响到直接蒸发冷却器的工作性能,其中温降、加湿量以及冷却效率会随着填料厚度的增加而增大,随着迎面风速的提高而减小,而入口空气干湿球温度及相对湿度对直接蒸发冷却器的冷却效率无多大影响,但被处理的空气如果其干湿球温度差增加了,它的温降和加湿量就会随之增大[6]。西安工程大学的杜鹃从理论分析和数值模拟两个方面对直接蒸发冷却系统的传热传质进行了研究,得出了直接蒸发冷却空调机的热工计算方法,并找出了直接蒸发冷却空调机的冷却效率与其影响因素之间的定量关系,为进一步优选填料和优化蒸发冷却空调机的工作条件提供了依据,并通过模拟测试可以直观的看出各影响因素对直接蒸发冷却系统工作性能及被处理空气状态变化的影响规律,而且通过对西北四个城市使用直接蒸发冷却空调机的温降效果进行模拟测试并绘出测试曲线,这些都可以为实际工程提供参考和指导[7]。

2.3 数值模拟技术在蒸发冷却中的应用所存在的问题及今后的研究方向

数值模拟具有费用低、周期短、信息量大,能够充分反映几何形状的影响程度等特点。目前数值模拟技术还没有真正达到用于优化设计结构的程度,虽然几何模型由简单模型发展到趋于实际模型,流体流动分析计算精度逐步提高,国内外研究者在二维以及多维数值模拟计算蒸发冷却工作过程方面也取得了很大的成绩,但仍存在很多问题,如:三维的计算还很不完善,复杂边界的处理很粗糙,对网格处理进行了简化,模型比较简单;一系列CFD软件的模拟计算结果经试验验证的不多,并且如何运用这些软件实现逆命题的研究尚未实现等等。因此,我们应该看到目前的数值模拟还没有真正达到用于优化设计结构的程度,应进一步进行研究:加强对稳态数值模拟技术的研究;寻找合适通用的蒸发冷却填料的网格系统生成方法,提高处理复杂几何边界的能力;寻找和开发更接近实际的蒸发冷却层流及湍流模型;开发高精度、高效率的计算方法,提高计算效率;积极开展实际流场的测量,获得更多的定量的信息,为检验模拟结果提供试验依据。

3 结语

虽然现在关于蒸发冷却的研究及应用已经有一定的进展,但从国内外对蒸发冷却技术的总体研究现状来看,目前还是以实验研究与理论分析为主。而由于蒸发冷却过程热质交换的复杂性,其理论研究还不够完善。在国内,还缺乏真正从数值模拟的角度对蒸发冷却的传热传质过程进行的研究。而往往实验研究由于外界因素的影响其实验数据不够稳定、准确,并且可能需要昂贵的实验费用,但数值模拟不受外界因素的影响,可以得到稳定的实验数据并可直接绘出在各影响因素下的温度、湿度、冷却效率等变化曲线,可以直观的为实际应用提供参考依据,同时省掉了很大一部分实验费用,所以我们必须不断加强数值模拟方面的学习与研究、拓宽研究范围,为实际工程提供可靠的实验数据,并起到一定的指导作用。

[1]黄翔.蒸发冷却空调理论与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2010

[2]黄翔.空调工程[M].北京:机械工业出版社,2008

[3]杨建坤,张旭,徐琳.蒸发冷却空调房间气流组织的数值模拟[J].建筑热能通风空调.2004,23(3):14-17

[4]廖毅刚,侯小全,周光厚.三峡地下电厂水轮发电机蒸发冷却模拟试验研究[J].东方电机.2010,(1):61-64

[5]汪周建.管式间接蒸发冷却的数值模拟[D].西安工程大学硕士论文,2011

[6]段满清.直接蒸发冷却的数值模拟及应用研究[D].湖南科技大学硕士论文,2008

[7]杜鹃.直接蒸发冷却传热传质过程的理论分析与数值模拟[D].西安工程大学硕士论文,2004

[8]屈元,黄翔.间接蒸发冷却器热工计算数学模型及验证[J].FLUID MACHINERY.VOL.32.NO.11,2004