管式间接蒸发冷却器数学模型分析及验证

管式间接蒸发冷却器数学模型分析及验证

摘要：对现有的一些管式间接蒸发冷却器的数学模型进行了简单的介绍和比较，优选出了一种计算方法并进行了实验验证，结果表明此种计算方法十分适于指导工程实践。

关键字：管式间接蒸发冷却器数学模型实验验证

Analysis and Validation ofMathematical Model

of Tube Type Indirect Evaporative Cooler Abstract: It introducessome mathematical models of tube type indirect evaporative cooler and comparesthem, select one of the best methods and validate it with laboratory works, theresult indicates that this method is suitable for instruct engineeringpractice.

Key words: Tube Type IndirectEvaporative Cooler；mathematicalmodel；validation

主要符号表

—换热器效率

—质量流量，kg/s

—焓，J/kg

—对流传质系数，kg/（m2·s）

—对流换热系数，W/m2·℃

—空气比热，J/kg·℃

—二次空气与水膜的热湿交换效率

—一次空气的换热效率

—以空气湿球温度定义的饱和空气定压比热，J/kg·℃

—最大热容量，W/℃

—最小热容量，W/℃

1 引言

空调系统在改善人类生产、工作和生活环境的同时,消耗着大量的矿物燃料和CFC等制冷工质. 全球气候变暖和大气臭氧层受到破坏等对当代人类生存构成严重威胁的灾难性气候变化,都和暖通及制冷行业有关.间接蒸发冷却器是一种直接从自然界获取冷量、不使用CFC s、无环境污染的高节能性空调制冷装置，与一般常规制冷机械相比，总体上来说COP可提高2.5--5倍,从而可以大大降低空调制冷能耗，因此在空调领域有着广阔的应用前景［1］。

间接蒸发冷却既有直接蒸发冷却又有热交换，在间接蒸发冷却器中被处理的空气在没有增加湿度的情况下明显的被冷却了。目前间接蒸发冷却的型式主要有板式间接蒸发冷却器和管式间接蒸发冷却器两种，板式间接蒸发冷却器的优点是换热器换热效率较高，体积相对较小,但是由于其流道窄小，因而流道容易堵塞，尤其在空气含尘量大的场合，随着运行时间的增加，换热效率急剧降低，流动阻力增大，并且布水不均匀、浸润能力差，换热器表面结垢、维护困难。管式间接蒸发冷却器流道较宽，不会产生堵塞，流动阻力小，布水相对比较均匀，容易形成稳定水膜，有利于蒸发冷却的进行。

对于管式间接蒸发冷却器来说（图1）,一次空气在管子流动，而二次空气与管子呈交叉方向流过其外部，水喷洒在管子的外表面上。在每根管子的部，一次空气通过管壁与管外水膜之间发生热传递；在每根管子的外部，热量和质量交换

发生在二次空气和管外水膜之间。在管式间接蒸发冷却器的热工性能分析中,国外开展了大量的研究，许多研究者都进行了不同程度的理论和实验研究。目前对管式间接蒸发冷却器的研究,多是在某些实验条件下对其效率、COP等整体性能进行测定,现有理论分析也多是对某一换热面二侧的局部传递过程进行分析。但这些数学模型都过于理论化，缺乏对实际工程应用的指导。本文的目的是通过对作者所掌握的一些管式间接蒸发冷却器数学模型进行比较，优选出适用于工程实践的数学模型。

2 管式间接蒸发冷却器数学模型的分析

2.1 已建模型综述

目前所建立的关于管式间接蒸发冷却器的数学模型所给出的物理－数学模型主要是分析其中流体的初始状态参数对换热器性能的影响，描述换热器中的热质交换过程，从理论上求证换热器的冷却效率等，进而为管式间接蒸发冷却器的设计、优化、冷却性能的改进和推广应用奠定基础。

在间接蒸发冷却器的热工性能分析中，许多研究者都进行了不同程度的理论和实验研究。Kettleborough和Hsieh等提出了通过润湿率来估计表面的润湿状况对逆流间接蒸发冷却器冷却性能的影响，并引入“焓势”的概念，但实际表

面的润湿率难以准确确定。Peterson和Hunn等对交错流式间接蒸发却器进行了实验分析，并提出了相应的冷却性能分析模型；在二次空气出口状态为饱和空气，一次空气出口干球温度近似等于二次空气出口湿球温度的条件下，理论计算和实验结果基本一致，但间接蒸发冷却器在实际工作时，并不满足这一条件。P.L.Chen等提出了有关间接蒸发冷却器热性能和阻力性能的计算模型。Perez －Blance和Bird对单根垂直管蒸发冷却器建立了稳态一维模型；在假设水膜温度不变的条件下，导出了实验测定用的热质交换系数计算公式，并进行了相应的传热传质实验；在实验结果中表明，对流换热系数实验值与按Chilton－Colburn 类似律计算出的数值相差25％。Rana和Charan对水平单管蒸发式散热器进行了传热传质实验研究，实验确定的传质系数与按Lewis关系式计算的结果相差较大，其比值在在0.8～9.35之间，但作者没有给出理论解释［2］。交通大学的鱼剑琳［2］建立了一个研究管外对流换热系数以及可进行间接蒸发冷却实验的实验装置。同济大学的段光明［8］也对管式间接蒸发冷却器部传热传质过程进行了探讨分析，总结了当时管式间接蒸发冷却器的理论数学模型，然后建立了数学模型并进行了实验验证。

综合上述文献可知，以往在针对间接蒸发冷却器传热传质分析方面和在数学模型的建立过程中，都有一些不足之处，如：把整个热质交换过程简化为在一整体换热壁面上，按顺流形式完成的，没有考虑到不同形式间接蒸发冷却器的具体结构特点；认为淋水侧壁面上形成的水膜完整；在湿壁侧，二次空气与水膜之间传质系数是根据Lewis关系式（），用空气与干壁面的换热系数来确定的，没有考虑到壁面上流动水膜对传热和传质的影响。由此可以看出，关于管式间接蒸发冷却器的研究工作还远远不足，特别是对于二次空气与一次空气和淋