數值模擬在蒸發冷卻中的應用

李 婷,強天偉

(西安工程大學環境與化學工程學院,西安710048)

引言

近年來,鑒于蒸發冷卻技術的種種優點,國內外對蒸發冷卻技術越來越重視,對該領域的研究不斷深入。目前國內以實驗研究與理論分析為主。無論是理論分析還是實驗研究的方法都有較大的限制。鑒于問題的復雜性,要得到分析解有時是不可能的,實驗的方法又可能需要昂貴的費用,而數值計算的方法具有成本較低且能模擬較復雜或較理想的過程等優點。對蒸發冷卻過程中的傳熱傳質問題,一旦建立了合理的數學模型,數值模擬結果對實驗研究和理論分析就會具有一定的指導作用,而且可以拓寬實驗研究的范圍,減少成本昂貴的實驗工作。但目前數值模擬技術在蒸發冷卻中的應用還沒有真正達到用于優化設計結構的程度,還存在很多問題,需要我們不斷進行研究并解決。

1 蒸發冷卻技術

1.1 蒸發冷卻技術簡介

蒸發冷卻空調技術是一項利用水蒸發吸熱制冷的技術。水在空氣中具有蒸發能力。在沒有其他熱源的情況下,水與空氣進行熱濕交換,空氣把顯熱傳遞給水,使空氣溫度降低;由于水的蒸發,空氣中的含濕量增加,且進入空氣的水蒸氣帶回一些氣化潛熱[1]。由于蒸發冷卻過程是以水作為制冷劑的,不使用CFCs,所以對大氣環境無污染,而且可直接采用全新風,極大地改善了室內空氣品質。

1.2 蒸發冷卻技術的發展及其研究現狀

蒸發冷卻技術在美國和澳大利亞的研究較早。在美國,已成立 “蒸發冷卻協會”(The Evaporative Cooling Institude,簡稱ECI),這一組織積極提倡應用蒸發冷卻技術,收集并出版蒸發冷卻系統的應用、安裝、運行與維護數據,發布規范、標準,肯定并獎勵對蒸發冷卻的研究,以此來推廣蒸發冷卻設備在全世界的應用。由于蒸發冷卻空調技術是一種環保、高效、節能的冷卻技術。鑒于其無以倫比的優越性,引起了各國科學家對蒸發冷卻技術研究工作的關注。在我國,將蒸發冷卻空調技術作為自然冷源替代人工冷源的研究早在20世紀60年代已引起國內學者的關注,20世紀80-90年代,我國對蒸發冷卻技術的研究主要集中在同濟大學、哈爾濱工業大學、天津大學等高校,主要研究蒸發冷卻空調技術的傳遞過程理論分析、熱濕交換計算、填料性能以及其他相關試驗。與此同時,哈爾濱空調廠生產出第一臺填料蒸發式空氣冷卻機,新疆綠色使者有限公司開發出了親水性鋁填料直接蒸發冷卻器等系列產品,福建奧藍集團開發出了系列蒸發冷卻機。進入21世紀,西安工程大學以黃翔老師為領頭人的蒸發冷卻團隊對蒸發冷卻空調技術進行了大量的實驗研究和推廣應用工作,并取得了可喜的成績。目前,蒸發冷卻空調技術已經在新疆、甘肅、寧夏、青海等西北地區以及廣東、福建、浙江等沿海地區得到推廣應用。

2 數值模擬技術在蒸發冷卻空調中的應用

2.1 Fluent技術

Fluent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開發了適用于各個領域的流動模擬軟件,模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動,模擬流體流動、傳熱傳質、化學反應和其它復雜的物理現象,軟件之間采用了統一的網格生成技術及共同的圖形界面,而各軟件之間的區別僅在于應用的工業背景不同。舉凡跟流體,熱傳遞及化學反應等有關的工程問題均可使用。它具有豐富的物理模型、先進的數值方法以及強大的前后處理功能,在航空航天、汽車設計、石油天然氣、渦輪機設計等方面都有著廣泛的應用。其在石油天然氣工業上的應用包括:燃燒、井下分析、噴射控制、環境分析、油氣消散/聚積、多相流、管道流動等等。軟件的設計基于CFD軟件群的思想,從用戶需求角度出發,針對各種復雜流動的物理現象,軟件采用不同的離散格式和數值方法,以期在特定的領域內使計算速度、穩定性和精度等方面達到最佳組合,從而高效率地解決各個領域的復雜流動計算問題。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構的建模以及計算網格的生成與劃分,然后將網格導入到Fluent中進行求解計算,最后對計算結果進行處理和分析。

2.2 數值模擬技術在蒸發冷卻中的應用

國內針對蒸發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先水平,由于其涉及到流體力學傳熱學的蒸發相變和兩相流問題,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生變化,實驗結果往往并不準確、穩定,但數值模擬不受外界條件干擾,模擬結果較穩定、成本低且能模擬較復雜或較理想的過程,對我們的實際工程有一定的指導作用。

同濟大學的楊建坤,張旭,徐琳對長5m,寬4m,高3m的蒸發冷卻空調房間的氣流組織進行了數值模擬,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。結果表明:蒸發冷卻空調器能夠有效的改善室內熱環境,使在通風和空氣調節方面滿足人體的熱舒適要求,并且在常規滿足最不利條件時空調要求的設計方案,適用于蒸發冷卻空調的設計[3]。廖毅剛、侯小全、周光厚對三峽地下電廠水輪發電機的蒸發冷卻進行了模擬試驗研究,通過一系列全面的模型試驗,掌握了負荷、壓力、液位、二次水流量等與溫度的關系,科學地指導了三峽地下電廠蒸發冷卻系統設計中重要部件的合理選型,如冷凝器、管路接頭、卡套等的選擇,同時提出了蒸發冷卻系統的液位、流量、壓力等主要參數在各種工況下的合理設定值以及故障工況下的報警值、極限值,確保了三峽地下電廠蒸發冷卻水輪發電機冷卻系統的安全性和合理性[4]。西安工程大學的汪周建對管式間接蒸發冷卻器的傳熱傳質進行了數值模擬,并測定了換熱器內部的叉排管束間溫度場、速度場,以及換熱器內部橢圓管外壁水膜蒸發的質量通量密度,這些都是實驗不易測定的數據[5]。湖南科技大學的段滿清以直接蒸發冷卻器為研究對象,通過模擬得出直接蒸發冷卻器工作性能的影響因素以及影響規律,所得出的結論如下:填料厚度和迎面風速能夠直接影響到直接蒸發冷卻器的工作性能,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[6]。西安工程大學的杜鵑從理論分析和數值模擬兩個方面對直接蒸發冷卻系統的傳熱傳質進行了研究,得出了直接蒸發冷卻空調機的熱工計算方法,并找出了直接蒸發冷卻空調機的冷卻效率與其影響因素之間的定量關系,為進一步優選填料和優化蒸發冷卻空調機的工作條件提供了依據,并通過模擬測試可以直觀的看出各影響因素對直接蒸發冷卻系統工作性能及被處理空氣狀態變化的影響規律,而且通過對西北四個城市使用直接蒸發冷卻空調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[7]。

2.3 數值模擬技術在蒸發冷卻中的應用所存在的問題及今后的研究方向

數值模擬具有費用低、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。目前數值模擬技術還沒有真正達到用于優化設計結構的程度,雖然幾何模型由簡單模型發展到趨于實際模型,流體流動分析計算精度逐步提高,國內外研究者在二維以及多維數值模擬計算蒸發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,復雜邊界的處理很粗糙,對網格處理進行了簡化,模型比較簡單;一系列CFD軟件的模擬計算結果經試驗驗證的不多,并且如何運用這些軟件實現逆命題的研究尚未實現等等。因此,我們應該看到目前的數值模擬還沒有真正達到用于優化設計結構的程度,應進一步進行研究:加強對穩態數值模擬技術的研究;尋找合適通用的蒸發冷卻填料的網格系統生成方法,提高處理復雜幾何邊界的能力;尋找和開發更接近實際的蒸發冷卻層流及湍流模型;開發高精度、高效率的計算方法,提高計算效率;積極開展實際流場的測量,獲得更多的定量的信息,為檢驗模擬結果提供試驗依據。

3 結語

雖然現在關于蒸發冷卻的研究及應用已經有一定的進展,但從國內外對蒸發冷卻技術的總體研究現狀來看,目前還是以實驗研究與理論分析為主。而由于蒸發冷卻過程熱質交換的復雜性,其理論研究還不夠完善。在國內,還缺乏真正從數值模擬的角度對蒸發冷卻的傳熱傳質過程進行的研究。而往往實驗研究由于外界因素的影響其實驗數據不夠穩定、準確,并且可能需要昂貴的實驗費用,但數值模擬不受外界因素的影響,可以得到穩定的實驗數據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用提供參考依據,同時省掉了很大一部分實驗費用,所以我們必須不斷加強數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據,并起到一定的指導作用。

[1]黃翔.蒸發冷卻空調理論與應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2010

[2]黃翔.空調工程[M].北京:機械工業出版社,2008

[3]楊建坤,張旭,徐琳.蒸發冷卻空調房間氣流組織的數值模擬[J].建筑熱能通風空調.2004,23(3):14-17

[4]廖毅剛,侯小全,周光厚.三峽地下電廠水輪發電機蒸發冷卻模擬試驗研究[J].東方電機.2010,(1):61-64

[5]汪周建.管式間接蒸發冷卻的數值模擬[D].西安工程大學碩士論文,2011

[6]段滿清.直接蒸發冷卻的數值模擬及應用研究[D].湖南科技大學碩士論文,2008

[7]杜鵑.直接蒸發冷卻傳熱傳質過程的理論分析與數值模擬[D].西安工程大學碩士論文,2004

[8]屈元,黃翔.間接蒸發冷卻器熱工計算數學模型及驗證[J].FLUID MACHINERY.VOL.32.NO.11,2004