間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組排風(fēng)對(duì)進(jìn)風(fēng)的影響

孫鐵柱,馬 杰

(西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引 言

在我國(guó)力爭(zhēng)于2030年前，二氧化碳排放達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，實(shí)現(xiàn)應(yīng)對(duì)氣候變化確定的“雙碳”目標(biāo)作出更大努力和貢獻(xiàn)的大環(huán)境下[1]，環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)的蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)在節(jié)能減排中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[2]。我國(guó)蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)取得長(zhǎng)足發(fā)展，在內(nèi)得到廣泛的推廣使用，并形成一個(gè)完整的體系。孫鐵柱等提出了復(fù)合制取高溫冷水的方法，將蒸發(fā)冷卻技術(shù)與機(jī)械制冷技術(shù)相結(jié)合，并對(duì)水系統(tǒng)配比和機(jī)組設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析[3-5]；黃翔等對(duì)風(fēng)側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)和水側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的異同進(jìn)行了介紹，并推導(dǎo)出蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的出水溫度，提出其相應(yīng)的出水溫度以及蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷聯(lián)合冷水機(jī)組綜合負(fù)荷性能系數(shù)的計(jì)算方法[6-7]；褚俊杰等提出了評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心全年間接蒸發(fā)自然冷卻潛力計(jì)算的新方法并對(duì)3種不同的露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)形式、傳熱傳質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析[8-10]。胡凱等將板式換熱器從干工況運(yùn)行模式切換到濕工況運(yùn)行模式下的間接蒸發(fā)冷卻器換熱性能進(jìn)行研究[11];常健佩等對(duì)使用不同間接蒸發(fā)冷卻器的蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的性能進(jìn)行分析[12]; 郭志成等分析單雙面進(jìn)風(fēng)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組性能及適用情況[13];崔鑫等提出一種復(fù)合式蒸發(fā)預(yù)冷空調(diào)系統(tǒng)，以此提高熱帶潮濕氣候條件下蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的制冷效率和舒適度[14]。以上文獻(xiàn)對(duì)間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的研究主要在機(jī)組的出水溫度、組成部件以及配比等性能上，但忽略了機(jī)組排風(fēng)對(duì)自身進(jìn)風(fēng)的影響。

空氣的干燥程度對(duì)間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的出水溫度影響較大，然而間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組排風(fēng)濕度較高，如果高濕度排風(fēng)與進(jìn)風(fēng)摻混，則會(huì)導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)的濕度增大，從而對(duì)間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的性能產(chǎn)生較大的影響。本文針對(duì)排風(fēng)與進(jìn)風(fēng)摻混，分析了間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組單機(jī)運(yùn)行時(shí)排風(fēng)對(duì)進(jìn)風(fēng)的影響。

1 氣流組織理論模型

1.1 空氣流程

間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組由間接蒸發(fā)冷卻器、填料、布水裝置、水泵以及風(fēng)機(jī)等組成。機(jī)組一次與二次空氣排風(fēng)都從機(jī)組頂部排出，氣流熱濕處理焓濕圖如圖1所示。

圖 1 氣流熱濕處理焓濕圖Fig.1 Enthalpy and humidity diagram

圖1中O狀態(tài)點(diǎn)的一次空氣首先經(jīng)過(guò)間接蒸發(fā)冷卻器的干通道等濕冷卻，到達(dá)狀態(tài)點(diǎn)C，再經(jīng)過(guò)直接段與水換熱到達(dá)狀態(tài)點(diǎn)E，再由排風(fēng)機(jī)從機(jī)組頂部排出[15-17]；O狀態(tài)點(diǎn)二次空氣進(jìn)入間接蒸發(fā)冷卻器的濕通道與淋水進(jìn)行熱濕交換，轉(zhuǎn)化為高濕度狀態(tài)空氣P，再由機(jī)組頂部二次風(fēng)機(jī)排出。機(jī)組回水經(jīng)填料換熱器處理后，從狀態(tài)點(diǎn)H冷卻到狀態(tài)點(diǎn)G。一、二次風(fēng)的進(jìn)風(fēng)方向與其排風(fēng)方向垂直，進(jìn)風(fēng)為干燥的室外空氣，排風(fēng)為高濕度空氣，排風(fēng)，對(duì)進(jìn)風(fēng)濕度的影響直接關(guān)系到機(jī)組的出水性能。

1.2 單機(jī)組氣流組織模型

間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組設(shè)置在室外開(kāi)闊空間，上部排風(fēng)流場(chǎng)為典型的自由射流流場(chǎng)，自由射流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征如圖2所示。

圖 2 自由射流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征Fig.2 Structural characteristics of the flow field of a free jet

從圖2可以看出，排風(fēng)軸心速度在起始段不變，到主體段之后隨著距離增大而減小；排風(fēng)功能從起始段到主體段，則隨距離增大不斷衰減。機(jī)組兩側(cè)進(jìn)風(fēng)口流場(chǎng)類似于大空間回風(fēng)口氣流組織，隨著進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速增大，有一定量的排風(fēng)被進(jìn)風(fēng)口吸入。為便于研究高濕度排風(fēng)對(duì)進(jìn)風(fēng)的影響，在建立氣流組織模型時(shí)做如下假設(shè)：①穩(wěn)態(tài)湍流傳熱；②流體按連續(xù)介質(zhì)處理；③室內(nèi)空氣為低速不可壓縮流體；④空氣密度采用 Boussinesq 假設(shè)，其他物性參數(shù)取常數(shù)；⑤忽略流體中的黏性耗散； ⑥不考慮機(jī)組漏風(fēng)影響；⑦忽略機(jī)組附近建筑物對(duì)氣流的影響，認(rèn)為機(jī)組處于開(kāi)闊的戶外場(chǎng)地。

當(dāng)風(fēng)量恒定時(shí)，間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的風(fēng)口處的截面積較小,風(fēng)速較大，而隨著射流距離的增大，截面積增大,風(fēng)速減小，因此流場(chǎng)區(qū)域呈擴(kuò)散形式。

1.3 理論模型

間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的排風(fēng)屬于紊流射流[18]，排風(fēng)擴(kuò)張角數(shù)學(xué)計(jì)算公式為

θ=2arctan(2.44a)

(1)

式中：θ為紊流射流擴(kuò)張角；a為紊流系數(shù)。帶網(wǎng)格的軸流風(fēng)機(jī)出口紊流系數(shù)a取0.334，紊流射流擴(kuò)張角θ約為78.4°。

排風(fēng)擴(kuò)張寬度數(shù)學(xué)計(jì)算公式為

(2)

式中：B為排風(fēng)擴(kuò)張寬度；B0為風(fēng)口半寬；s為射流的中心軸長(zhǎng)度。

排風(fēng)射流中心速度數(shù)學(xué)計(jì)算公式為

(3)

式中：μm為射流的中心速度;μo為排風(fēng)口初始速度。

排風(fēng)區(qū)域中任意一點(diǎn)速度數(shù)學(xué)計(jì)算公式為

(4)

式中：u為排風(fēng)區(qū)域任意質(zhì)點(diǎn)速度；y為所取流體質(zhì)點(diǎn)至風(fēng)口中心軸線的距離。

間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的進(jìn)風(fēng)氣流流動(dòng)規(guī)律近似于點(diǎn)匯流，在風(fēng)口邊長(zhǎng)比大于0.2且在0.2～1.5內(nèi)仍可用的數(shù)學(xué)計(jì)算公式為

(5)

式中：vo為進(jìn)風(fēng)口初速度;x為進(jìn)風(fēng)口至被吸入點(diǎn)的距離(本文中根據(jù)勾股定理取得);vx為半徑為x的等速球面上的速度;F為進(jìn)風(fēng)口面積。

2 排風(fēng)對(duì)進(jìn)風(fēng)影響的理論

2.1 排風(fēng)濕空氣運(yùn)動(dòng)

濕空氣由干空氣和一定量的水蒸氣組成。根據(jù)理想氣體濕空氣的狀態(tài)方程可知，在溫度壓力不變時(shí)，當(dāng)空氣相對(duì)濕度增大即水汽含量增多時(shí)，水汽壓加大，濕空氣密度必然減小。根據(jù)阿伏伽德羅定律可知，在相同溫度和壓力下，單位體積的空氣中含有的分子數(shù)相同。在外界空氣中，氮?dú)夂脱鯕獾恼急葮O高，而濕度接近100%的空氣中大約含2%的水蒸氣，因此如果單位體積內(nèi)的空氣中水蒸氣增加，氮?dú)夂脱鯕鈩t相應(yīng)減少。而與氮?dú)夥肿雍脱鯕夥肿酉啾龋魵夥肿淤|(zhì)量更小。

在溫度和壓力相同下，潮濕空氣比干燥空氣輕[19]。在不受其他因素影響時(shí)，濕空氣不斷向上運(yùn)動(dòng)。機(jī)組進(jìn)排風(fēng)氣流運(yùn)動(dòng)在不考慮進(jìn)風(fēng)對(duì)排風(fēng)的影響下，僅對(duì)排出濕空氣進(jìn)行分析。排風(fēng)在起始段時(shí)速度分布均勻，沿軸線方向流動(dòng)一段距離后，由于射流抽引和卷吸大量周圍的流體，使排出濕空氣擴(kuò)張寬度越來(lái)越大，而射流的主體速度逐漸降低，速度仍保持在初速度μo的區(qū)域逐漸減小，直至進(jìn)入主體段沒(méi)有速度等于μo的區(qū)域并且速度不斷衰減，排出濕空氣擴(kuò)張寬度也越來(lái)越寬。頂部排出的濕空氣運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為3個(gè)階段[20],即

第一階段：頂部空氣在起始段核心射流區(qū)I時(shí)，該區(qū)域的空氣以初速度μo向上擴(kuò)散噴射，并同時(shí)與周圍空氣進(jìn)行熱濕交換，此時(shí)的初速度占據(jù)主導(dǎo)地位，濕空氣向上運(yùn)動(dòng)至主體段，此階段仍有濕空氣速度等于μo的區(qū)域。

第二階段：濕空氣進(jìn)入主體段后速度逐漸減小，射流邊界越來(lái)越寬，同時(shí)濕空氣與外界空氣進(jìn)行熱濕交換，濕空氣的濕度逐漸減小，溫度逐漸增大[21-22]。在此階段濕空氣的速度雖然減小并受重力影響，但由于濕空氣密度較小，且小于外界空氣的密度，濕空氣仍向上運(yùn)動(dòng)。

第三階段：濕空氣與外界空氣進(jìn)行熱濕交換，其濕度與溫度變化與外界空氣相同。但由于側(cè)面進(jìn)風(fēng)影響使?jié)窨諝馀c進(jìn)風(fēng)摻混，因此需結(jié)合進(jìn)風(fēng)口的流場(chǎng)特性進(jìn)行分析。

2.2 進(jìn)風(fēng)流場(chǎng)特性

間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的排風(fēng)流場(chǎng)為自由射流流場(chǎng)，與平面紊流射流性相似[23]。側(cè)面進(jìn)風(fēng)的空氣流動(dòng)規(guī)律完全不同[24]，頂部排風(fēng)以一定的角度向外擴(kuò)散，進(jìn)風(fēng)氣流則從四面八方流向進(jìn)風(fēng)口[25-26]，進(jìn)風(fēng)口氣流流動(dòng)規(guī)律近似于流體力學(xué)中的點(diǎn)匯流，但是進(jìn)風(fēng)口具有一定的面積，不是一個(gè)匯點(diǎn)[27-28]。理想狀態(tài)下，距匯點(diǎn)不同距離的等速球面上流量相等，因而隨著離開(kāi)匯點(diǎn)距離的增大[29]，流速呈二次方衰減，或在匯流作用范圍內(nèi)，任意兩點(diǎn)間的流速與匯點(diǎn)的距離平方成反比，因此進(jìn)風(fēng)口速度衰減很快[30]。

2.3 排風(fēng)對(duì)進(jìn)風(fēng)的影響

進(jìn)風(fēng)口的進(jìn)風(fēng)區(qū)與排風(fēng)區(qū)產(chǎn)生重疊，因此導(dǎo)致機(jī)組頂部排出的部分濕空氣被吸入側(cè)面進(jìn)風(fēng)口區(qū)域。排風(fēng)、進(jìn)風(fēng)的流場(chǎng)特性都較為規(guī)律，為方便起見(jiàn)，本文將三維空間簡(jiǎn)化在二維平面上對(duì)空氣的影響狀況進(jìn)行計(jì)算分析[31-32]。

間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組流場(chǎng)特性示意圖如圖3所示。

圖 3 間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組流場(chǎng)特性Fig.3 Schematic diagram of the flow field characteristics of the indirect evaporative cooling chiller

從圖3可以看出，機(jī)組進(jìn)風(fēng)區(qū)域與排風(fēng)區(qū)域產(chǎn)生重疊。由于進(jìn)風(fēng)速度衰減較快，因此在右側(cè)排風(fēng)區(qū)域的右邊界和左側(cè)排風(fēng)區(qū)域的左邊界會(huì)被吸入。M點(diǎn)濕空氣受進(jìn)風(fēng)口氣流影響，造成在豎直向上的方向速度為μcos(θ/2)，此時(shí)進(jìn)風(fēng)口造成豎直向下的風(fēng)速為vx。由于越靠近射流邊界風(fēng)速越小最后削減至零，因此同截面M點(diǎn)右側(cè)的空氣會(huì)被吸入進(jìn)風(fēng)口。由于被吸入空氣區(qū)域靠近邊界，進(jìn)風(fēng)口豎直方向的速度為μcos(θ/2)，因此對(duì)于在濕通道排風(fēng)的射流區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)的濕空氣，該點(diǎn)受進(jìn)風(fēng)口影響產(chǎn)生的速度大于受排風(fēng)影響產(chǎn)生的速度，即μcos(θ/2)

(6)

式中：v為進(jìn)風(fēng)影響產(chǎn)生的速度。

結(jié)合理論模型中的排風(fēng)口以及進(jìn)風(fēng)口參數(shù)計(jì)算，將式(6)代入式(3)～(5),即

(7)

進(jìn)風(fēng)口到被吸入點(diǎn)的距離為x，利用三角函數(shù)關(guān)系可得

(8)

式中：L1為濕通道風(fēng)口中心與機(jī)組邊界距離；L2為進(jìn)風(fēng)口中心與機(jī)組邊界距離。

將式(8)代入式(7)得到所取流體質(zhì)點(diǎn)至風(fēng)口中心軸線的距離y在任一排風(fēng)射流距離s下機(jī)組排風(fēng)速度與進(jìn)風(fēng)速度關(guān)聯(lián)式，即

(9)

通過(guò)式(9)可以計(jì)算得到出風(fēng)口中心射流距離在任意s情況下取得的被吸入質(zhì)點(diǎn)至中心線的距離y，通過(guò)計(jì)算各射流距離s所對(duì)應(yīng)y值，即可得出n個(gè)被吸入點(diǎn)，確定被吸入濕空氣的區(qū)域。吸入點(diǎn)至中心線距離示意圖如圖4所示。

圖 4 濕空氣吸入點(diǎn)至中心線距離Fig.4 Schematic diagram of the distance from wet air inlet point to the centerline

從圖4可以看出，在一定進(jìn)風(fēng)速度和排風(fēng)速度下，濕通道排出的吸入濕空氣區(qū)域的變化與射流距離s有關(guān)。隨著距離s增大以及進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)的衰減，吸入濕空氣的量不斷變化。在排風(fēng)出口處由于排風(fēng)速度較大，擴(kuò)張寬度較小，導(dǎo)致吸入濕空氣區(qū)域較小。隨著距離增大，排風(fēng)速度衰減，擴(kuò)張區(qū)域增大，吸入濕空氣區(qū)域逐漸增大。由于排風(fēng)衰減，吸入濕空氣區(qū)域會(huì)逐漸增大。之后隨著進(jìn)風(fēng)衰減，吸入濕空氣區(qū)域減小，再隨后由于排風(fēng)衰減，吸入濕空氣區(qū)域增大，最后由于進(jìn)風(fēng)衰減更快，吸入濕空氣區(qū)域減小至零。

2.4 實(shí)測(cè)分析

以某實(shí)際間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組為例，二次排風(fēng)風(fēng)口尺寸為900 mm×900 mm，單面進(jìn)風(fēng)口尺寸為3 650 mm×2 180 mm。排風(fēng)擴(kuò)張寬度僅與其射流距離s和風(fēng)口半寬B0有關(guān)，因此對(duì)于不同風(fēng)速下在同一射流距離s時(shí)的排風(fēng)擴(kuò)張寬度B相同，因此y值越小被吸入的高濕度排風(fēng)越多。在任一射流距離s下排風(fēng)的擴(kuò)張寬度B減去吸入流體質(zhì)點(diǎn)至中心線的距離y，即為該射流距離s下被吸入高濕度排風(fēng)區(qū)域的寬度。不同風(fēng)速時(shí)各射流距離下吸入高濕度排風(fēng)區(qū)域?qū)挾纫?jiàn)表1。從表1可以看出，射流距離為5 m，進(jìn)風(fēng)口速度vo為3 m/s,排風(fēng)口風(fēng)速μo為9.8 m/s時(shí),吸入濕空氣最少。在不同風(fēng)速下，排風(fēng)距離為1 m時(shí)吸入的高濕度排風(fēng)最少。射流距離在5 m內(nèi)時(shí)，由于排風(fēng)衰減，被吸入濕空氣的量先增多，由于進(jìn)風(fēng)衰減，被吸入濕空氣的量減少，再隨著排風(fēng)衰減，被吸入濕空氣的量增多。

表1 不同風(fēng)速時(shí)各射流距離下吸入高濕度排風(fēng)區(qū)域?qū)挾缺鞹ab.1 Width table of inhaled high humidity exhaust area under each jet distance at different wind speeds

3 結(jié) 論

1) 當(dāng)排風(fēng)風(fēng)速一定時(shí)，機(jī)組吸入高濕度排風(fēng)量受進(jìn)風(fēng)速度的影響，進(jìn)風(fēng)速度增大時(shí)，被吸入的高濕度排風(fēng)增多；進(jìn)風(fēng)速度一定時(shí)，機(jī)組吸入高濕度排風(fēng)量與排風(fēng)速度和排風(fēng)距離有關(guān)，排風(fēng)速度越大，被吸入高濕度排風(fēng)越少；排風(fēng)距離越大，吸入濕空氣會(huì)先增多再減少再增多，最后減小至零。

2) 當(dāng)進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)速度一定時(shí)，進(jìn)風(fēng)口中心與排風(fēng)口中心垂直距離越大，排風(fēng)對(duì)進(jìn)風(fēng)的影響越小。當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度和排風(fēng)速度以一定比例變化時(shí)，各風(fēng)速下進(jìn)風(fēng)口吸入濕空氣的量幾乎相等。