潔凈室中蒸發(fā)冷卻利用研究

1 潔凈室蒸發(fā)冷卻技術(shù)

1.1潔凈室 蒸發(fā)冷卻技術(shù)簡(jiǎn)介

所謂蒸發(fā)冷卻（Evaporative Cooling）就是利用水分的蒸發(fā)來降低空氣的干球溫度，這是一種早已為人所知的降溫方法。根據(jù)一次空氣和水是否接觸，蒸發(fā)冷卻可分為直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻。水在空氣中具有蒸發(fā)能力。由于蒸發(fā)冷卻過程是以水作為制冷劑的，不使用CFCs，所以對(duì)大氣環(huán)境無(wú)污染，而且可直接采用全新風(fēng)，極大地改善了潔凈室內(nèi)空氣品質(zhì)。

1.2 蒸發(fā)冷卻技術(shù)的發(fā)展及其研究現(xiàn)狀

“空調(diào)之父”開利（Willis H.Carrier）博士受自然界降雨過程的啟發(fā)，提出噴水室人工微氣候設(shè)想。至此，蒸發(fā)冷卻技術(shù)的研究和應(yīng)用已有近100年的發(fā)展歷史。在美國(guó)西南部和澳大利亞等地區(qū)，蒸發(fā)冷卻廣泛應(yīng)用于工業(yè)（如紡織廠、制鞋廠）、農(nóng)業(yè)（如養(yǎng)殖廠）、公共與民用建筑（如體育館、展覽廳）及家居、流動(dòng)陳列箱等其他方面的空氣調(diào)節(jié)中。在美國(guó)，已成立“蒸發(fā)冷卻協(xié)會(huì)”（The EvaporativeCooling Institute,簡(jiǎn)稱 ECI）。這一組織積極提倡應(yīng)用蒸發(fā)冷卻技術(shù)，收集并出版蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用、安裝、運(yùn)行與維護(hù)數(shù)據(jù)，發(fā)布規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，肯定并獎(jiǎng)勵(lì)對(duì)蒸發(fā)冷卻進(jìn)行研究，以此來推廣蒸發(fā)冷卻設(shè)備在全世界的應(yīng)用。在我國(guó)，將蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)作為自然冷源替代人工冷源的研究早在 20 世紀(jì) 60年代已引起國(guó)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注。進(jìn)入 21 世紀(jì)，西安工程大學(xué)以黃翔老師為領(lǐng)頭人的蒸發(fā)冷卻團(tuán)隊(duì)對(duì)蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和推廣應(yīng)用工作，并取得了可喜的成績(jī)。目前，蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)已經(jīng)在新疆、甘肅、寧夏、青海等西北地區(qū)以及廣東、福建、浙江等沿海地區(qū)得到推廣應(yīng)用。

2 蒸發(fā)冷卻中的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

2.1 數(shù)值模擬技術(shù)

Fluent 是一種最常用的數(shù)值模擬技術(shù)，是用于計(jì)算流體流動(dòng)和傳熱問題的程序，是目前市場(chǎng)占有率最大的 CFD 軟件包，在美國(guó)的市場(chǎng)占有率為60%。FLUENT 是用于模擬具有復(fù)雜外形的流體流動(dòng)以及熱傳導(dǎo)的計(jì)算機(jī)程序。它提供了完全的網(wǎng)格靈活性，你可以使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，例如二維三角形或四邊形網(wǎng)格、三維四面體/六面體/金字塔形網(wǎng)格來解決具有復(fù)雜外形的流動(dòng)。甚至可以用混合型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。這種軟件允許你根據(jù)解的具體情況對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行修改（細(xì)化 / 粗化）。對(duì)于大梯度區(qū)域，如自由剪切層和邊界層，為了非常準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)流動(dòng)，自適應(yīng)網(wǎng)格是非常有用的。與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相比，這一特點(diǎn)很明顯地減少了產(chǎn)生“好”網(wǎng)格所需要的時(shí)間。對(duì)于給定精度，解適應(yīng)細(xì)化方法使網(wǎng)格細(xì)化方法變得很簡(jiǎn)單，并且減少了計(jì)算量。其原因在于網(wǎng)格細(xì)化僅限于那些需要更多網(wǎng)格的解域。FLUENT 是用 C語(yǔ)言寫的，因此具有很大的靈活性與能力。因此，動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，靈活的解控制都是可能的。除此之外，為了高效的執(zhí)行，交互的控制，以及靈活的適應(yīng)各種機(jī)器與操作系統(tǒng)，F(xiàn)LUENT 使用 client/server 結(jié)構(gòu)，因此它允許同時(shí)在用戶桌面工作站和強(qiáng)有力的服務(wù)器上分離地運(yùn)行程序。在 FLUENT 中，解的計(jì)算與顯示可以通過交互界面，菜單界面來完成。利用fluent完成一個(gè)流體流動(dòng)與傳熱問題的計(jì)算流程為：首先利用Gambit或者其他前處理器完成模擬對(duì)象幾何結(jié)構(gòu)的建模以及計(jì)算網(wǎng)格的生成與劃分，然后將網(wǎng)格導(dǎo)入到 fluent中進(jìn)行求解計(jì)算，最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理和分析。

2.2 蒸發(fā)冷卻中的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)針對(duì)蒸發(fā)冷卻的理論研究起步較早，也很重視，其研究成果的理論深度和廣度處于國(guó)際領(lǐng)先水平，由于其涉及到流體力學(xué)傳熱學(xué)的蒸發(fā)相變和兩相流問題，無(wú)論從理論還是實(shí)驗(yàn)角度進(jìn)行研究都有一定的限制，而且可能需要昂貴的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。由于受到外界條件的干擾，實(shí)驗(yàn)效果會(huì)隨著外界多種因素發(fā)生變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往并不準(zhǔn)確、穩(wěn)定，而數(shù)值模擬不受外界條件干擾，模擬結(jié)果較穩(wěn)定、成本低且能模擬較復(fù)雜或較理想的過程，對(duì)我們的實(shí)

際工程有一定的指導(dǎo)作用。

X.Zhao等對(duì)一種新型的逆流露點(diǎn)式蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了數(shù)值研究。數(shù)值結(jié)果表明，冷卻效率與空氣通道的幾何尺寸、空氣流速有很大的相關(guān)性，而與淋水溫度相關(guān)性較小，吸入口空氣的流速應(yīng)控制在0.3 m/s~0.5 m/s[^3]。Riffat 等對(duì)多孔陶瓷熱管式間接蒸發(fā)冷卻器建立了數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了數(shù)值模擬和熱阻分析，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較，模擬的結(jié)果能夠優(yōu)化多孔陶瓷管式間接蒸發(fā)冷卻器設(shè)計(jì)^{[4 ]}。武俊梅，黃翔、張華對(duì)直接蒸發(fā)冷卻器中的傳熱、傳質(zhì)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。提出了將蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸汽及伴隨而來的動(dòng)量、和蒸發(fā)潛熱作為源項(xiàng)加入到空氣的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程中，空氣的湍流模型中當(dāng)量粘性系數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)公式^[5]。Yan Wei-Mon 對(duì)通道內(nèi)降膜蒸發(fā)冷卻的對(duì)流傳熱傳質(zhì)進(jìn)行了數(shù)值研究。通過同時(shí)用數(shù)值方法研究液膜與空氣之間的質(zhì)量、動(dòng)量、能量控制方程，并考慮對(duì)空氣使用了低雷諾數(shù) k-e 湍流模型。結(jié)果表明潛熱傳遞占整個(gè)熱量傳遞的主要部分，提高入口液膜溫度和降低液膜質(zhì)量流率以及提高空氣流動(dòng)的雷諾數(shù)，均有助于提高冷卻效率^[6]。

同濟(jì)大學(xué)的楊建坤、張旭、徐琳對(duì)長(zhǎng)5 m、寬4 m、高 3 m 的蒸發(fā)冷卻空調(diào)房間的氣流組織進(jìn)行了數(shù)值模擬，主要針對(duì)房間的三維溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)以及熱舒適指標(biāo)進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明：蒸發(fā)冷卻空調(diào)器能夠有效地改善室內(nèi)熱環(huán)境，使在通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)方面滿足人體的熱舒適要求，并且在常規(guī)滿足最不利條件時(shí)空調(diào)要求的設(shè)計(jì)方案，適用于蒸發(fā)冷卻空調(diào)的設(shè)計(jì)^[7]。湖南科技大學(xué)的段滿清以直接蒸發(fā)冷卻器為研究對(duì)象，通過模擬得出直接蒸發(fā)冷卻器工作性能的影響因素以及影響規(guī)律，所得出的結(jié)論如下：填料厚度和迎面風(fēng)速能夠直接影響到直接蒸發(fā)冷卻器的工作性能，其中溫降、加濕量以及冷卻效率會(huì)隨著填料厚度的增加而增大，隨著迎面風(fēng)速的提高而減小，而入口空氣干濕球溫度及相對(duì)濕度對(duì)直接蒸發(fā)冷卻器的冷卻效率無(wú)多大影響，但被處理的空氣如果其干濕球溫度差增加了，它的溫降和加濕量就會(huì)隨之增大^[8]。西安工程大學(xué)的杜鵑從理論分析和數(shù)值模擬兩個(gè)方面對(duì)直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)進(jìn)行了研究，得出了直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)的熱工計(jì)算方法，并找出了直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)的冷卻效率與其影響因素之間的定量關(guān)系，為進(jìn)一步優(yōu)選填料和優(yōu)化蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)的工作條件提供了依據(jù)，并通過模擬測(cè)試可以直觀的看出各影響因素對(duì)直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)工作性能及被處理空氣狀態(tài)變化的影響規(guī)律，而且通過對(duì)西北四個(gè)城市使用直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)的溫降效果進(jìn)行模擬測(cè)試并繪出測(cè)試曲線，這些都可以為實(shí)際工程提供參考和指導(dǎo)^[9]。香港大學(xué)的Y.J.Dai和K.Sumathy對(duì)采用波紋紙作為填料的交叉流動(dòng)直接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了理論研究。對(duì)直接蒸發(fā)冷卻器內(nèi)向下流動(dòng)的水膜和濕空氣間復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行了分析，提出了數(shù)學(xué)模型，該模型包括水膜和空氣及水－空氣界面間的控制方程。在不變的入口空氣狀態(tài)參數(shù)條件下，對(duì)氣流通道中空氣的溫度和含濕量的變化、系統(tǒng)尺寸的影響等分別進(jìn)行了討論^[10]。S.P.Fisenko 等人提出了自然通風(fēng)冷卻塔中水的蒸發(fā)冷卻的數(shù)學(xué)模型。該模型包括兩個(gè)相關(guān)的邊界值問題，分別描述了冷卻塔噴淋區(qū)水滴的蒸發(fā)冷卻和填料層水膜的冷卻，并對(duì)這兩個(gè)邊界值問題進(jìn)行了模擬^{[ 1 1 ]}。Cracow科技大學(xué)的Wojciech Zalewski和Piotr Antoni

Gryglaszewski 對(duì)蒸發(fā)式流體冷卻器（evaporativefluid coolers）內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行討論，提出了水與空氣逆流流動(dòng)來冷卻管式盤管中流體的新數(shù)學(xué)模型。該模型包括四個(gè)常微分方程及其邊界條件，還有其他一些相關(guān)的代數(shù)方程^[12]。Boris Halasz對(duì)蒸發(fā)冷卻設(shè)備進(jìn)行研究，提出了一種通用無(wú)量綱數(shù)學(xué)模型，可以描述各種類型蒸發(fā)冷卻設(shè)備（冷卻塔、蒸發(fā)式冷凝器、蒸發(fā)式冷卻器、加濕盤管等）的傳熱傳質(zhì)過程。該模型通過引入無(wú)量綱坐標(biāo)及參數(shù)，并用直線型的空氣飽和線來代替實(shí)際的空氣飽和線，將微分方程組轉(zhuǎn)化成了純無(wú)量綱形式 。這樣，不僅整個(gè)過程的描述變得非常簡(jiǎn)單，而且設(shè)備的整體性能也能通過幾個(gè)參數(shù)或圖表表示出來。該模型為蒸發(fā)冷卻設(shè)備的研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。另外，Boris Halasz還專門針對(duì)冷卻塔提出了一種通用無(wú)量綱數(shù)學(xué)模型。^[13]Bilal A.Qrueshi等對(duì)蒸發(fā)式冷卻器與蒸發(fā)式冷凝器的傳熱傳質(zhì)過程建立了數(shù)學(xué)模型，模型中還包含了管外污垢的生長(zhǎng)模型。并用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性。利用污垢的生長(zhǎng)模型預(yù)測(cè)了污垢熱阻對(duì)換熱器傳熱性能的影響。結(jié)果表明：隨著時(shí)間的推移，污垢使換熱器的換熱效率下降了66.7%^[14]。

3 結(jié)語(yǔ)

鑒于蒸發(fā)冷卻的種種優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于蒸發(fā)冷卻的研究及應(yīng)用已經(jīng)有一定的進(jìn)展，但從總體研究現(xiàn)狀來看，目前還是以實(shí)驗(yàn)研究與理論分析為主。由于其過程熱質(zhì)交換較為復(fù)雜，理論研究還不夠完善。在國(guó)內(nèi)，還缺乏真正從數(shù)值模擬的角度對(duì)蒸發(fā)冷卻的傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行的研究。而往往實(shí)驗(yàn)研究由于外界因素的影響其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確，并且可能消耗昂貴的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，而數(shù)值模擬不受外界因素的影響，可以得到穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并可直接繪出在各影響因素下的溫度、濕度、冷卻效率等變化曲線，可以直觀的為實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)，同時(shí)省掉了很大一部分實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。數(shù)值模擬具有費(fèi)用低、周期短、信息量大，能夠充分反映幾何形狀的影響程度等特點(diǎn)。但目前數(shù)值模擬技術(shù)還沒有真正達(dá)到用于優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的程度，雖然幾何模型由簡(jiǎn)單模型發(fā)展到趨于實(shí)際模型，流體流動(dòng)分析計(jì)算精度逐步提高，國(guó)內(nèi)外研究者在二維以及多維數(shù)值模擬計(jì)算蒸發(fā)冷卻工作過程方面也取得了很大的成績(jī)，但仍存在很多問題，如：三維的計(jì)算還很不完善，復(fù)雜邊界的處理很粗糙，對(duì)網(wǎng)格處理進(jìn)行了簡(jiǎn)化，模型比較簡(jiǎn)單；一系列CFD軟件的模擬計(jì)算結(jié)果經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的不多，并且如何運(yùn)用這些軟件實(shí)現(xiàn)逆命題的研究尚未實(shí)現(xiàn)等等。所以我們必須不斷加強(qiáng)對(duì)數(shù)值模擬方面的學(xué)習(xí)與研究、拓寬研究范圍，為實(shí)際工程提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并起到一定的指導(dǎo)作用 。