肖益民，陶 垚，高陽華

(1.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，400045重慶;2.重慶市氣象科學(xué)研究所，401147重慶)

直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組因其環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用，可分為滴水填料式和噴淋式，其中噴淋式又分為噴水室和微霧式［1］，微霧一般指粒徑為 10～100μm 的液滴［2］，直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)以填料式和噴水室為主［3］.文獻(xiàn)［4］采用噴霧降低空冷機(jī)組入口空氣干球溫度，文獻(xiàn)［5］將微霧技術(shù)應(yīng)用在組合式空調(diào)機(jī)組以提高其降溫效果.相比常規(guī)的填料式設(shè)備和噴水室，噴霧蒸發(fā)冷卻無需循環(huán)水，耗水量少，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡化，熱質(zhì)交換系數(shù)較高.

由于空氣與霧滴群熱濕交換十分復(fù)雜，無論物理模型建立還是數(shù)學(xué)模型求解都比較困難［6］，針對(duì)提高噴霧降溫系統(tǒng)蒸發(fā)效率的研究較少.噴霧系統(tǒng)及空氣參數(shù)均會(huì)影響液滴的蒸發(fā)速率和沉積特性，且各參數(shù)間相互影響，實(shí)驗(yàn)測量困難.目前對(duì)噴霧降溫非穩(wěn)態(tài)過程的求解，可行的方法是依靠計(jì)算流體力學(xué)(CFD)［7］.

本文根據(jù)噴霧降溫技術(shù)特點(diǎn)，提出在管道內(nèi)直接噴霧實(shí)現(xiàn)對(duì)送風(fēng)降溫，最大限度降低直接蒸發(fā)冷卻裝置的造價(jià)、占地和阻力.理想效果是通過合理配置參數(shù)，使霧滴在有限的管道長度內(nèi)盡可能蒸發(fā)，空氣接近濕球溫度以獲得最大溫降.本文采用計(jì)算流體力學(xué)方法，對(duì)主要影響參數(shù)進(jìn)行變工況模擬與分析，得到影響因素之間的主次關(guān)系和最佳運(yùn)行工況，為噴霧設(shè)備設(shè)計(jì)提供參考.

1 模擬方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 數(shù)值模擬方法

噴霧蒸發(fā)冷卻是氣相流場中液滴相變吸熱的傳熱傳質(zhì)過程.將空氣視為連續(xù)介質(zhì)，液滴相視為離散介質(zhì)，利用基于歐拉-拉格朗日方法的離散相模型(DPM)［8］在歐拉坐標(biāo)下對(duì)連續(xù)相進(jìn)行計(jì)算，求解時(shí)均N-S方程得到連續(xù)相的速度等參量;在拉格朗日坐標(biāo)下對(duì)離散相進(jìn)行計(jì)算，得到顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡和液滴蒸發(fā)對(duì)氣相的影響.霧滴在空氣中的流動(dòng)及傳熱傳質(zhì)過程遵守連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍流輸運(yùn)方程以及組分守恒方程.連續(xù)相控制方程通式為

式中Φ分別代表密度、速度、溫度、湍流動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率，Γ代表相應(yīng)擴(kuò)散系數(shù).

在連續(xù)相流場計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上加入噴射源，通過傳熱傳質(zhì)方程、顆粒受力平衡方程以及顆粒湍流擴(kuò)散方程，得到顆粒軌跡以及與空氣的熱質(zhì)傳遞結(jié)果.

文獻(xiàn)［9］采用歐拉-拉格朗日方法，模擬換熱器來流空氣噴霧降溫過程，并通過實(shí)驗(yàn)［10］測量噴頭下游截面溫度，結(jié)果顯示，溫度分布趨勢吻合，管道斷面溫度平均值得到了驗(yàn)證;文獻(xiàn)［11］設(shè)計(jì)了風(fēng)洞內(nèi)噴霧降溫實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，結(jié)果在干球溫度、濕球溫度、比焓方面的局部方差分別為10%、5%、7%.表明基于DPM模型的CFD模擬方法用于噴霧降溫過程模擬可行，本文采用該模型方法進(jìn)行噴霧過程的模擬計(jì)算.

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)空氣的噴霧降溫過程在焓濕圖上表示，見圖1.空氣初狀態(tài)點(diǎn)為1，降溫后為2，理想等焓降溫極限為空氣濕球溫度狀態(tài)點(diǎn)S.為評(píng)價(jià)噴霧蒸發(fā)及降溫效果，將用到以下參數(shù).

圖1 噴霧降溫過程在焓濕圖上的表示

1.2.1 水氣比、飽和水氣比與噴霧比

式中:μp為噴霧水氣比;Gp為噴霧質(zhì)量流量，kg/s;Ga為空氣質(zhì)量流量，kg/s;P點(diǎn)表示Gp全部蒸發(fā)時(shí)，空氣等焓降溫所達(dá)到的狀態(tài)點(diǎn).

式中:μs為飽和水氣比;Gs為飽和噴水量，kg/s;ds為空氣濕球溫度對(duì)應(yīng)的飽和含濕量，kg/kg;d1為空氣含濕量，kg/kg.μs表示單位質(zhì)量空氣等焓降溫至濕球溫度所需的水量，數(shù)值上等于空氣濕球溫度對(duì)應(yīng)的含濕量與其初始含濕量之差Δd，μs越高，空氣吸納水蒸氣的容量越大，理論上蒸發(fā)效率應(yīng)越高.

噴霧水氣比與飽和水氣比之比定義為噴霧比，用 φp表示，即 φp=μp/μs，表征空氣質(zhì)量流量相同時(shí)噴霧量的相對(duì)大小.

1.2.2 蒸發(fā)效率和飽和效率

蒸發(fā)效率ηe定義為霧滴實(shí)際蒸發(fā)量Ge與噴霧質(zhì)量流量Gp之比，表征實(shí)際蒸發(fā)與完全蒸發(fā)接近的程度.由于霧滴幾乎可全部蒸發(fā)，從空氣吸收的顯熱以水蒸氣的潛熱形式帶回空氣中，液滴顯熱變化忽略不計(jì)，整個(gè)過程近似等焓降溫，蒸發(fā)效率可通過空氣干球溫度t1、降溫后干球溫度t2和噴霧量完全蒸發(fā)后的理論干球溫度tp計(jì)算:

冷卻飽和效率ηs表征空氣溫降接近干濕球溫差的程度［12］，由t1、t2和空氣濕球溫度ts計(jì)算得出.在0≤φp≤1范圍內(nèi)，有以下關(guān)系成立:

當(dāng)φp＞1時(shí)為過量噴霧，ηs通過式(5)計(jì)算，空氣能達(dá)到理想狀態(tài)點(diǎn)S，理論溫降為空氣干濕球溫差.對(duì)于噴淋室，水氣比越大接觸系數(shù)越高［13］，但對(duì)于噴霧系統(tǒng)，水氣比越大噴霧量將過剩越多，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一大缺點(diǎn).因此本文僅考慮噴霧水氣比不大于飽和水氣比的情況.

當(dāng)φp＜1時(shí)為欠量噴霧，噴霧量Gp全部蒸發(fā)時(shí)，所能達(dá)到的理想狀態(tài)點(diǎn)為P，此時(shí)飽和效率ηs將與φp密切相關(guān)，即不同噴霧水氣比時(shí)，飽和效率的大小還取決于噴霧比.φp和ηe越接近1，所獲得的溫降越大且噴霧越接近完全蒸發(fā)、飽和效率越高，霧滴的剩余量也越小，效果越理想.

蒸發(fā)式冷氣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)［14］中，規(guī)定飽和效率不低于65%，對(duì)于本文的噴霧降溫系統(tǒng)，即使得到較高的蒸發(fā)效率，噴霧比也應(yīng)有下限，因此，對(duì)噴霧降溫系統(tǒng)影響因素的研究，將是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)使ηe提高至接近1.

2 模型與模擬方案

2.1 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

2.1.1 模型尺寸與形狀

取外形尺寸為0.9 m×0.9 m的方形截面風(fēng)管，長度6.5 m，空氣入口位于Z=0 m截面，出口位于Z=6.5 m截面.在Z=0.5 m截面上設(shè)多個(gè)噴頭管道內(nèi)均勻排布9個(gè)噴頭，見圖2.

2.1.2 網(wǎng)格劃分

設(shè)計(jì)3種尺寸的網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)分別為5.6萬、22.5萬和44.8萬，3種網(wǎng)格的溫度計(jì)算結(jié)果從時(shí)間和空間上均無明顯差別.網(wǎng)格5.6萬個(gè)時(shí)，壁面邊界層網(wǎng)格中心距壁面高度0.022 m，風(fēng)速最大為1.5 m/s時(shí)，第一個(gè)內(nèi)節(jié)點(diǎn)與壁面間的無量綱距離Y+在85～135之間.綜合考慮模型的計(jì)算效率及準(zhǔn)確性，采用5.6萬的網(wǎng)格進(jìn)行多工況模擬.

圖2 噴霧降溫系統(tǒng)模型(mm)

2.2 邊界條件

2.2.1 空氣入口參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)［14］中指出，蒸發(fā)式冷氣機(jī)名義實(shí)驗(yàn)工況有干燥和高濕兩種，本文根據(jù)高濕工況作為模擬的入口參數(shù)，即干球溫度38℃，濕球溫度28℃，相對(duì)濕度47.2%，經(jīng)計(jì)算其飽和水氣比為0.44%.

2.2.2 噴頭模型

噴頭模型采用實(shí)心噴嘴模型，在三維空間進(jìn)行噴射，噴射半角為30°，噴射方向?yàn)?-Z方向，即逆噴工況.根據(jù)工況需求設(shè)置不同噴霧粒徑，噴頭流量采用飽和水氣比所對(duì)應(yīng)噴霧量.

2.3 模擬方案

通過前期實(shí)驗(yàn)和模擬研究，認(rèn)為霧滴粒徑、空氣流速以及噴頭間距對(duì)蒸發(fā)效率有較顯著的影響.采用單因素和正交分析的方法進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)15、30、45μm 3 種粒徑;0.5、1、1.5 m/s 3 種風(fēng)速;L1=0.225 m，L2=0.3 m 和L3=0.45 m 3 種噴頭間距，分別對(duì)應(yīng)16、9、4個(gè)噴頭.

3 模擬結(jié)果分析

定義αw=Gw/Gp為附壁比，αo=Go/Gp為逃逸比，其中Gp為噴霧流量，kg/s;Gw為附壁量，kg/s;Go為逃逸量，kg/s.通過模擬結(jié)果可以得到附壁量、逃逸量，從而分析各參數(shù)對(duì)附壁比、逃逸比和系統(tǒng)蒸發(fā)效率的影響.

3.1 單因素分析

3.1.1 液滴粒徑

空氣流速1 m/s、噴頭間距0.3 m、噴霧水氣比等于飽和水氣比0.44%時(shí)，對(duì)液滴粒徑為15、30、45μm的3種工況進(jìn)行模擬.蒸發(fā)效率與粒徑的關(guān)系見圖3.液滴粒徑越小，蒸發(fā)效率越高.30μm以下液滴蒸發(fā)效率差別較小，當(dāng)粒徑大于30μm時(shí)，蒸發(fā)效率隨粒徑增加而降低的程度有所增加.在粒徑增加過程中，逃逸量占噴霧量的比例幾乎不變，而附壁比增加的程度與蒸發(fā)效率降低的程度相當(dāng)，說明粒徑的增大主要導(dǎo)致液滴沉積速度加快，附壁量增多，導(dǎo)致蒸發(fā)率降低.

圖3 蒸發(fā)效率隨粒徑的變化情況

3.1.2 噴頭間距

在空氣流速1 m/s、液滴粒徑30μm時(shí)，對(duì)噴頭間距為L1=0.225 m、L2=0.3 m 和L3=0.45 m的3種工況進(jìn)行模擬，此時(shí)需保持噴霧水氣比為0.44%，對(duì)應(yīng)的單個(gè)噴頭流量分別為G1=0.240 g/s、G2=0.426 g/s、G3=0.959 g/s.結(jié)果見圖4(a)，噴頭間距對(duì)蒸發(fā)效率的影響較大，主要體現(xiàn)在附壁比的變化程度上.

當(dāng)噴頭布置較密時(shí)，有效射程內(nèi)霧滴間碰撞次數(shù)增加，液滴發(fā)生反彈、聚合和分離［15］，部分霧滴失去動(dòng)能而下落，附壁比例增加，從而噴霧效率降低;當(dāng)噴霧布置較稀疏時(shí)，噴頭個(gè)數(shù)減少，單個(gè)噴頭噴霧量增大，此時(shí)液滴群中的內(nèi)層液滴不能及時(shí)蒸發(fā)，沉積量增多，蒸發(fā)效率明顯下降.3種間距下的液滴沉積情況見圖4(b).

圖4 不同間距降溫效果對(duì)比

就單個(gè)噴頭而言，其覆蓋面積A對(duì)應(yīng)的單噴頭水氣比為μi=Gi/Auρ，其中Gi為單噴頭流量，u為空氣流速，ρ為空氣密度.本文設(shè)定噴頭的噴出速度、噴射角度相同，則3種流量的A應(yīng)相近.當(dāng)單噴頭流量較大時(shí)，單噴頭水氣比明顯升高，不利于霧滴的迅速蒸發(fā).

因此認(rèn)為，噴頭布置存在最佳間距，使噴出霧滴減少碰撞，從而減少附壁量;同時(shí)單噴頭水氣比應(yīng)適當(dāng)，使噴出霧滴較快蒸發(fā)，從而提高蒸發(fā)效率.最佳間距應(yīng)根據(jù)飽和水氣比、空氣流速、噴射速度和噴射角度確定;最佳覆蓋面積A取決于噴頭種類、噴射角度、動(dòng)力特性等參數(shù).

3.1.3 空氣流速

液滴粒徑30μm、噴頭間距0.3 m時(shí)，對(duì)空氣流速 0.5、1.0、1.5 m/s 的 3 種工況進(jìn)行模擬.保持噴霧水氣比等于0.44%，因此空氣流速增加時(shí)，噴霧量也相應(yīng)增大.空氣流速增加時(shí)，液滴表面Nu數(shù)提高，空氣與液滴之間的對(duì)流換熱系數(shù)增大，蒸發(fā)速率加快，但同時(shí)液滴在同一管長與空氣接觸時(shí)間減少.不同風(fēng)速下的蒸發(fā)效率見圖5.空氣流速對(duì)附壁比的影響不大，對(duì)逃逸比影響較大.穩(wěn)定后的噴霧降溫系統(tǒng)，空氣流速為0.5、1、1.5 m/s時(shí)，溫度達(dá)到穩(wěn)定的截面分別在噴頭下游2 m、4 m和6 m處，說明空氣流速越小，設(shè)備所需長度越短，蒸發(fā)效率越高.

圖5 不同風(fēng)速下的蒸發(fā)效率

3.1.4 噴霧比

液滴粒徑30μm、噴頭間距 0.3 m、空氣流速1.0 m/s時(shí)，設(shè)定噴霧比為 0.5、0.75 和 1 進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖6.噴霧比越小，附壁量和逃逸比越小，蒸發(fā)效率越高;隨著噴霧比升高，附壁比和逃逸比均增多，蒸發(fā)效率降低.

圖6 不同噴霧比的降溫效果

當(dāng)以65%為最低飽和效率標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，通過圖6可以得出，飽和效率65%對(duì)應(yīng)的噴霧比約為0.7，此時(shí)蒸發(fā)效率接近95%.當(dāng)需要飽和效率提高時(shí)，需要增加噴霧比;在溫降無需達(dá)到干濕球溫差的場合，可以降低噴霧比，以獲得接近完全蒸發(fā)的高蒸發(fā)效率，提高管內(nèi)直接噴霧的經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用價(jià)值.

3.2 影響因素的正交分析

在噴霧降溫設(shè)備對(duì)降溫效果的影響因素中，空氣質(zhì)量流速Ga，噴霧粒徑dp，噴頭間距L是3個(gè)互不影響的因素，在噴霧比為1的工況下，設(shè)計(jì)3因素3水平的正交表對(duì)影響因素的主次效果進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素與水平見表1.將這3個(gè)因素各水平填入正交表中，共9次模擬工況，模擬得到的蒸發(fā)效率見表2.

表1 試驗(yàn)因素與水平

計(jì)算每一因素各同一水平所導(dǎo)致的結(jié)果之和及其極差.結(jié)果顯示，影響因素中，噴霧間距影響最大，粒徑其次，空氣流速影響最小.將各因素中影響最大的水平進(jìn)行組合，得到最優(yōu)方案，即霧滴粒徑 15μm、風(fēng)速 0.5 m/s，間距 0.3 m，此時(shí)通過模擬得到蒸發(fā)效率為93.4%.

表2 試驗(yàn)結(jié)果分析

4 結(jié) 論

1)采用更小的粒徑有利于提高蒸發(fā)效率，但粒徑越小噴霧裝置代價(jià)越高昂，在本文模擬范圍內(nèi)，30μm以下的粒徑在飽和水氣比0.44%、風(fēng)速小于1 m/s時(shí)可達(dá)到90%以上的蒸發(fā)效率.

2)噴霧水氣比不變時(shí)，噴頭間距并非越小越好;大流量噴頭的劣勢也較明顯，噴射中心霧滴無法快速蒸發(fā)，沉積量增加.本文噴頭間距0.3 m，單噴頭流量0.426 g/s的布置形式，在風(fēng)速1 m/s、粒徑30μm時(shí)蒸發(fā)效率可達(dá)90%以上.

3)風(fēng)速越大，霧滴與空氣接觸時(shí)間縮短，相同長度管段的蒸發(fā)效率越低，但風(fēng)速較小時(shí)，同一尺寸管道處理的風(fēng)量較小，設(shè)備經(jīng)濟(jì)性不高.當(dāng)采用0.5～1 m/s之間的風(fēng)速時(shí)，管道長度可以縮短到2～4 m.在實(shí)際工程中，可以將噴霧與系統(tǒng)靜壓箱等低風(fēng)速設(shè)備結(jié)合應(yīng)用.

4)噴霧比越小，蒸發(fā)效率越高，但飽和效率越低.為達(dá)到飽和效率不低于65%，噴霧比不應(yīng)低于 0.7.

5)通過正交分析可以看出，影響因素中噴頭布置間距對(duì)蒸發(fā)效率的影響最大，粒徑其次，風(fēng)速影響最小.

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