空調冷凝器外環境噴霧冷卻的數值模擬

王曉陽， 余 敏， 龍時丹， 崔明璐

(1.上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2.上海法維萊交通車輛設備有限公司，上海 201906)

空調冷凝器外環境噴霧冷卻的數值模擬

王曉陽1， 余 敏1， 龍時丹2， 崔明璐1

(1.上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2.上海法維萊交通車輛設備有限公司，上海 201906)

當室外溫度過高時，空調室外機組散熱環境惡化，導致空調經濟性降低.現采用在室外機組冷凝器上加裝噴嘴進行水的噴霧冷卻的方法，降低進入冷凝器的風溫，改善冷凝器散熱工況.通過CFD軟件進行數值模擬，模擬不同水量、不同噴嘴角度的噴霧冷卻對冷凝器外環境空氣溫度場以及對各點溫度分布的影響.模擬結果表明，噴霧后冷凝器外環境溫度降低，隨著噴霧量、噴霧角度的增大，進風截面各點溫度分布更為均勻，冷凝器散熱能力得到提高.

冷凝器；噴霧冷卻；噴嘴角度；數值模擬

近年來隨著地球溫室效應的不斷加劇，夏季的室外溫度比往年高出了不少，越來越惡劣的外環境使風冷式空調冷凝機組的散熱急劇惡化，不但降低了空調機組的制冷效率，而且會造成空調機組壽命

大大降低.在空調機組外加裝噴霧冷卻裝置可達到改善散熱的目的.本文在不改變原有的冷卻系統的基礎上，加裝噴嘴進行水的噴霧冷卻，以降低進入冷凝器的進口風溫，改善散熱情況.采用CFD軟件對加裝噴嘴噴水后的環境溫度場進行了數值模擬，對噴霧降溫情況及其影響因素作了分析.

1 噴霧冷卻原理及其系統組成

噴霧冷卻利用霧化噴頭噴出的細微液滴與空氣混合、蒸發，吸收大量熱量，降低空氣溫度，近似于等焓加濕降溫過程[1].

如圖1所示，噴霧后的空氣溫度降低，含濕量增加.圖1中的1，2點為噴霧前、后空氣狀態，φ為相對濕度，l為等溫線，h為比焓，d為濕度.

圖1 空氣絕熱加濕過程焓濕(h-d)圖Fig.1 Enthalpy-humidity chart of adiabatic humidifying process

噴霧系統由外部供水系統、冷卻系統和控制系統組成.外部供水系統由供水泵、調節閥和管路系統組成.噴霧系統如圖2所示.

圖2 噴霧系統簡圖Fig.2 Spray system diagram

2 噴霧冷卻的數值模擬

2.1 數學模型

增濕降溫法屬于直接蒸發冷卻方法.基于水的傳熱能力明顯優于空氣的傳熱能力，尤其是水蒸發為水蒸氣所吸收的汽化潛熱遠遠超過其相同溫度下的焓值.假設冷凝器進口空氣已達飽和時空氣狀態，開啟噴淋裝置后，冷凝器空氣側入口空氣的溫度由水溫升吸熱和水汽化吸熱兩部分所決定.由于噴霧冷卻噴水量很少，水換熱量與水汽化吸熱相比，水吸熱只占了很少比例，在此可以忽略不計.

水蒸發吸收的汽化潛熱

式中，Gwzf為由水蒸發成水蒸氣的質量流量；h1，h2分別為蒸發前、后水的焓值；G為空調冷凝器進風質量流量；c為比熱容；t1，t2分別為空氣冷卻前、后溫度.

2.2 幾何模型及邊界條件

噴霧冷卻系統中最重要的過程就是噴霧冷卻過程.采用數值模擬研究噴嘴噴霧對進口風溫的冷卻效果[2].

以西北干旱地區某額定制冷量30 kW的空調機組為例，冷凝風量為4.08 kg/s，在離空調0.6 m處、大約0.875 m3的范圍內布置了14個噴嘴，噴嘴類型為壓力旋流噴嘴，噴嘴布置如圖3所示.通過計算得出此處風速大致為4 m/s.由于電腦計算能力有限，只建立了2個噴嘴噴霧區域冷卻模型，CFD三維建模區域為600 mm×500 mm×250 mm，網格如圖4所示，網格數為9×106.

圖3 噴嘴布置圖Fig.3 Nozzle arrangement

圖4 計算區域模型Fig.4 Model of calculation area

在計算區域中，模型入口采用速度入口邊界，出口采用壓力出口邊界，四周采用對稱邊界[3].入口邊界空氣速度為4 m/s，入口溫度為313 K，相對濕度假設為0.

水霧與空氣熱濕交換過程采用離散模型模擬，噴嘴壓力為3 MPa，霧化角為70°，噴水溫度為293 K.

2.3 控制方程

采用標準湍流模型和離散模型分別模擬連續相和離散相.首先模擬連續相，然后在連續相中加入離散相，計算其與連續相的質量和能量交換.當選用標準湍流模型處理模擬區域內的湍流問題時，控制空氣流動的微分方程包括連續性方程、動量守恒方程、湍流動能方程、湍流動能耗散率方程和能量守恒方程[4].

連續性方程

式中，uj為空氣速度在j方向的速度分量；xj為坐標軸j方向的位置分量；j指標可以是坐標軸中的x，y，z坐標軸.

動量守恒方程

式中，ρ為空氣密度；p為壓力；μ為動力黏度；u′j，u′i為j，i方向的脈動速度分量；g為重力加速度；β為熱膨脹系數；T為環境溫度；Tnet為參考目標溫度.

湍流動能方程

式中，k為湍動能；τ為時間；σk為經驗常數；Ga，Gb分別為由平均速度梯度和浮力引起的湍動能k的產生項；ε為動能耗散率；μt為湍流黏度.

湍流動能耗散率方程

式中，cp為比定壓熱容；εr為經驗常數.

3 數值模擬的結果與分析

取時間步長為10-5s進行模擬計算，當計算殘差達到穩定后保存輸出結果.

a.噴霧冷卻區域內的壓力為大氣壓0.1 MPa，溫度為313 K，進口速度為4 m/s.取經過2個噴嘴的中心截面為溫度場輸出截面，噴嘴質量流量為0.12 L/min，噴霧半角為70°，噴嘴壓力為3 MPa，溫度分布如圖5所示.

圖5 截面的溫度場分布Fig.5 Temperature distribution on the wind section

從圖5可以看出，通過噴霧冷卻，冷凝器迎面區域內受噴嘴噴入的霧化水的影響，溫度降低，噴霧后區域內溫度最低為295 K，大大改善了區域的冷卻風溫過高的情況.由于進入冷凝器的冷卻風溫降低，使其在不改變換熱面積的情況下增加了冷凝器的換熱量，從而提高了整個空調機組的制冷系數和工作效率.

從模擬結果可以看出，對空調外環境進行噴霧冷卻的方法，確實降低了室外環境的溫度.現討論不同的噴霧量、噴嘴霧化角對降溫幅度的影響[5-7].

b.不同的噴水量會影響噴霧冷卻的效果，對噴嘴質量流量為0.192，0.144，0.108，0.072，0.036 L/min情況下的冷卻效果進行了模擬，結果如圖6所示.

噴霧降溫過程近似為等焓加濕降溫過程，圖表值可以從濕空氣的焓濕圖中讀取.從圖6可以看出，模擬值與圖表值基本吻合，最大誤差在10%以內.通過分析可知，當噴水流量較大時，噴出的霧滴較大，在模擬區域內沒有蒸發完全，造成模擬的溫降比圖表值的低.當噴水流量較小時，由于噴嘴噴出液滴在區域內不均勻，造成液滴集中區域噴霧量過大，所以，模擬的降溫比圖表值的高.

圖6 噴霧冷卻降溫模擬值與圖表值比較Fig.6 Spray cooling simulation result compared with the chart value

c.噴嘴出口到霧化邊界的兩條切線之間的夾角為霧化角.霧化角影響霧化降溫的區域大小，通過設定噴嘴流量0.15 L/min時霧化半角為20°，60°的模擬來說明，如圖7所示.

圖7 不同霧化角下的溫度分布Fig.7 Temperature distribution under different spray angles

從圖7可以看出，在相同噴霧量情況下，霧化角越大，霧滴在區域內噴灑得越均勻，降溫區域越大.區域內截面溫度分布越均勻，有效降溫的范圍越大，進入冷凝器的空氣溫度分布均勻，可充分利用冷凝器散熱面進行散熱，且避免了由于散熱部件熱應力過大而導致的散熱器壽命降低.

4 結 論

a.數值模擬結果表明，在直接空冷系統中加裝噴嘴，通過水的噴霧冷卻可以使進入冷凝器迎面的風溫降低.

b.模擬結果與理論結果大致相符，再次證明了噴霧冷卻對冷凝器起到了增強換熱的作用.

c.噴水量不同會影響噴霧冷卻的效果.在實際運用噴霧減溫法時，可以通過噴入水量的多少來控制進入冷凝器的空氣溫度.

d.噴霧霧化角會影響噴霧區域的降溫情況.在相同噴水量情況下，霧化角越大，降溫區域越大，降溫區域內各點溫差越小.

e.隨著溫室效應的影響，夏季室外溫度越來越高.對冷凝器迎面外環境區域進行噴霧降溫的方法可以改善空調運行工況，提高空調機組的工作效率和經濟性.

[1] 王松嶺，趙文升，宋立琴，等.直接空冷機組噴霧增濕系統的研究[J].動力工程，2008，28(5):722-726.

[2] 李永欣，李保明，李真，等.Venlo型溫室夏季自然通風降溫的CFD數值模擬[J].中國農業大學學報，2004，9 (6):44-48.

[3] 吳飛青.溫室冬季熱環境數值分析與實驗研究[D].杭州:浙江工業大學，2010.

[4] 王松嶺.流體力學[M].北京:中國電力出版社，2007.

[5] 劉乃玲，張旭.壓力式細霧噴嘴霧化特性的研究[J].同濟大學學報，2005，33(12):1677-1679.

[6] 趙旭，余敏，龍時丹，等.內燃機車噴霧冷卻的模擬研究[J].上海理工大學學報，2013，35(5):475-478.

[7] 吳開奇，袁益超，黃燕，等.彈簧噴嘴霧化性能試驗研究[J].上海理工大學學報，2014，36(3):255-259.

(編輯:石 瑛)

Numerical Simulation of Spraying Cooling of Air Conditioning Condenser

WANG Xiaoyang1， YU Min1， LONGShidan2， CUIMinglu1
(1.School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2.Shanghai Faiveley Traffic Equipment Co.Ltd.，Shanghai 201906，China)

Under the environment of too high air temperature，the cooling effect of outdoor condenser of air-cooled conditioning units becomes poorer.In order to reduce the import air temperature and improve the condenser cooling condition，nozzles were installed to spray water to the condenser.The spray cooling of the condenser was numerically simulated by using CFD software and its effect on the outside environment air temperature field and the temperature distribution at different points under different water flow and different spray angle was analyzed. The simulation shows that the outside environment air temperature is reduced and along with the increase of spraying amount and spray angle，the temperature distribution at various points on the import wind section becomes more uniform.The condenser cooling ability is improved.

condenser；spray cooling；spray angle；numerical simulation

TB 657

A

1007-6735(2015)02-0122-04

10.13255/j.cnki.ju sst.2015.02.004

2014-01-19

上海市寶山區產學研合作資助項目(CXY-2011-06)

王曉陽(1989-)，男，碩士研究生.研究方向:強化換熱與節能技術.E-mail:wxyfjob@163.com

余 敏(1952-)，女，教授.研究方向:能源有效利用與節能技術.E-mail:usstym@qq.com