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，所以對大氣環(huán)境無污染，而且可直接采用全新風，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、流動陳列箱等其他方面的空氣調(diào)節(jié)中。在美國，已成立“蒸發(fā)冷卻協(xié)會”（The EvaporativeCooling Institute,簡稱 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、運行與維護數(shù)據(jù)，發(fā)布規(guī)范、標準，肯定并獎勵對蒸發(fā)冷卻進行研究，以此來推廣蒸發(fā)冷卻設(shè)備在全世界的應(yīng)用。在我國，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 60年代已引起國內(nèi)學者的關(guān)注。進入 21 世紀，西安工程大學以黃翔老師為領(lǐng)頭人的蒸發(fā)冷卻團隊對蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)進行了大量的實驗研究和推廣應(yīng)用工作，并取得了可喜的成績。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)，是用于計算流體流動和傳熱問題的程序，是目前市場占有率最大的 CFD 軟件包，在美國的市場占有率為60%。FLUENT 是用于模擬具有復(fù)雜外形的流體流動以及熱傳導的計算機程序。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。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)解的具體情況對網(wǎng)格進行修改（細化 / 粗化）。對于大梯度區(qū)域，如自由剪切層和邊界層，為了非常準確地預(yù)測流動，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，這一特點很明顯地減少了產(chǎn)生“好”網(wǎng)格所需要的時間。對于給定精度，解適應(yīng)細化方法使網(wǎng)格細化方法變得很簡單，并且減少了計算量。其原因在于網(wǎng)格細化僅限于那些需要更多網(wǎng)格的解域。FLUENT 是用 C語言寫的，因此具有很大的靈活性與能力。因此，動態(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)，因此它允許同時在用戶桌面工作站和強有力的服務(wù)器上分離地運行程序。在 FLUENT 中，解的計算與顯示可以通過交互界面，菜單界面來完成。利用fluent完成一個流體流動與傳熱問題的計算流程為：首先利用Gambit或者其他前處理器完成模擬對象幾何結(jié)構(gòu)的建模以及計算網(wǎng)格的生成與劃分，然后將網(wǎng)格導入到 fluent中進行求解計算，最后對計算結(jié)果進行處理和分析。

2.2 蒸發(fā)冷卻中的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

國內(nèi)針對蒸發(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際領(lǐng)先水平，由于其涉及到流體力學傳熱學的蒸發(fā)相變和兩相流問題，無論從理論還是實驗角度進行研究都有一定的限制，而且可能需要昂貴的實驗費用。由于受到外界條件的干擾，實驗效果會隨著外界多種因素發(fā)生變化，實驗結(jié)果往往并不準確、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，對我們的實

際工程有一定的指導作用。

X.Zhao等對一種新型的逆流露點式蒸發(fā)冷卻器進行了數(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 等對多孔陶瓷熱管式間接蒸發(fā)冷卻器建立了數(shù)學模型，并進行了數(shù)值模擬和熱阻分析，將計算結(jié)果與實驗值進行了比較，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^{[4 ]}。武俊梅，黃翔、張華對直接蒸發(fā)冷卻器中的傳熱、傳質(zhì)過程進行了數(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量、和蒸發(fā)潛熱作為源項加入到空氣的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程中，空氣的湍流模型中當量粘性系數(shù)采用經(jīng)驗公式^[5]。Yan Wei-Mon 對通道內(nèi)降膜蒸發(fā)冷卻的對流傳熱傳質(zhì)進行了數(shù)值研究。通過同時用數(shù)值方法研究液膜與空氣之間的質(zhì)量、動量、能量控制方程，并考慮對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的雷諾數(shù)，均有助于提高冷卻效率^[6]。

同濟大學的楊建坤、張旭、徐琳對長5 m、寬4 m、高 3 m 的蒸發(fā)冷卻空調(diào)房間的氣流組織進行了數(shù)值模擬，主要針對房間的三維溫度場、速度場以及熱舒適指標進行了模擬。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)滿足最不利條件時空調(diào)要求的設(shè)計方案，適用于蒸發(fā)冷卻空調(diào)的設(shè)計^[7]。湖南科技大學的段滿清以直接蒸發(fā)冷卻器為研究對象，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隨著填料厚度的增加而增大，隨著迎面風速的提高而減小，而入口空氣干濕球溫度及相對濕度對直接蒸發(fā)冷卻器的冷卻效率無多大影響，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隨之增大^[8]。西安工程大學的杜鵑從理論分析和數(shù)值模擬兩個方面對直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)進行了研究，得出了直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機的熱工計算方法，并找出了直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機的冷卻效率與其影響因素之間的定量關(guān)系，為進一步優(yōu)選填料和優(yōu)化蒸發(fā)冷卻空調(diào)機的工作條件提供了依據(jù)，并通過模擬測試可以直觀的看出各影響因素對直接蒸發(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，而且通過對西北四個城市使用直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機的溫降效果進行模擬測試并繪出測試曲線，這些都可以為實際工程提供參考和指導^[9]。香港大學的Y.J.Dai和K.Sumathy對采用波紋紙作為填料的交叉流動直接蒸發(fā)冷卻器進行了理論研究。對直接蒸發(fā)冷卻器內(nèi)向下流動的水膜和濕空氣間復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程進行了分析，提出了數(shù)學模型，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行了討論^[10]。S.P.Fisenko 等人提出了自然通風冷卻塔中水的蒸發(fā)冷卻的數(shù)學模型。該模型包括兩個相關(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，并對這兩個邊界值問題進行了模擬^{[ 1 1 ]}。Cracow科技大學的Wojciech Zalewski和Piotr Antoni

Gryglaszewski 對蒸發(fā)式流體冷卻器（evaporativefluid coolers）內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過程進行討論，提出了水與空氣逆流流動來冷卻管式盤管中流體的新數(shù)學模型。該模型包括四個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對蒸發(fā)冷卻設(shè)備進行研究，提出了一種通用無量綱數(shù)學模型，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。該模型通過引入無量綱坐標及參數(shù)，并用直線型的空氣飽和線來代替實際的空氣飽和線，將微分方程組轉(zhuǎn)化成了純無量綱形式 。這樣，不僅整個過程的描述變得非常簡單，而且設(shè)備的整體性能也能通過幾個參數(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還專門針對冷卻塔提出了一種通用無量綱數(shù)學模型。^[13]Bilal A.Qrueshi等對蒸發(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)學模型，模型中還包含了管外污垢的生長模型。并用實驗結(jié)果驗證了模型的正確性。利用污垢的生長模型預(yù)測了污垢熱阻對換熱器傳熱性能的影響。結(jié)果表明：隨著時間的推移，污垢使換熱器的換熱效率下降了66.7%^[14]。

3 結(jié)語

鑒于蒸發(fā)冷卻的種種優(yōu)點，國內(nèi)外關(guān)于蒸發(fā)冷卻的研究及應(yīng)用已經(jīng)有一定的進展，但從總體研究現(xiàn)狀來看，目前還是以實驗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。在國內(nèi)，還缺乏真正從數(shù)值模擬的角度對蒸發(fā)冷卻的傳熱傳質(zhì)過程進行的研究。而往往實驗研究由于外界因素的影響其實驗數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定、準確，并且可能消耗昂貴的實驗費用，而數(shù)值模擬不受外界因素的影響，可以得到穩(wěn)定的實驗數(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，可以直觀的為實際應(yīng)用提供參考依據(jù)，同時省掉了很大一部分實驗費用。數(shù)值模擬具有費用低、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。但目前數(shù)值模擬技術(shù)還沒有真正達到用于優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)的程度，雖然幾何模型由簡單模型發(fā)展到趨于實際模型，流體流動分析計算精度逐步提高，國內(nèi)外研究者在二維以及多維數(shù)值模擬計算蒸發(fā)冷卻工作過程方面也取得了很大的成績，但仍存在很多問題，如：三維的計算還很不完善，復(fù)雜邊界的處理很粗糙，對網(wǎng)格處理進行了簡化，模型比較簡單；一系列CFD軟件的模擬計算結(jié)果經(jīng)試驗驗證的不多，并且如何運用這些軟件實現(xiàn)逆命題的研究尚未實現(xiàn)等等。所以我們必須不斷加強對數(shù)值模擬方面的學習與研究、拓寬研究范圍，為實際工程提供可靠的實驗數(shù)據(jù)，并起到一定的指導作用 。