典型地區管式間接蒸發空氣冷卻器的性能優化

王 芳 武俊梅 黃 翔

（1.陜西國防工業職業技術學院 西安 710302；2.西安交通大學 西安 710049；3.西安工程大學 西安 710043）

0 引言

蒸發冷卻空調不使用壓縮機，以水為工質，能耗為傳統空調的1/4，成本為傳統空調的80%，是真正意義上的“綠色產品”[1,2]。

管式間接蒸發冷卻器是減焓等濕降溫過程，避免降溫的同時對空氣加濕，可使用與低濕度地區和中等濕度地區[3-5]。

文獻[6]在已建立的熱工模型的基礎上，依據多元函數下山單純形法求最小值的思想，使用Fortran語言編制了計算程序。文獻[7]用所編程序計算了一、二次空氣流量，入口溫、濕度以及換熱器幾何參數對管式間接蒸發空氣冷卻器冷卻效率的影響。本文選取三個典型地區—新疆吐魯番、西安、北京，通過自編的Fortran語言程序進行計算分析，得出此三個地區管式間接蒸發冷卻器的最優工作參數，并與文獻[7]進行對比。

1 典型地區一、二次空氣流速變化對換熱效率的影響

1.1 新疆吐魯番地區一、二次空氣流速變化對換熱效率的影響

圖1是新疆吐魯番地區一、二次空氣均為室外新風，空氣進口干球溫度為40.3℃，濕球溫度為24.2℃，管徑為0.02m，管長為1.5m，縱向、橫向管間距均為0.035m，二次空氣流速為2.8m/s時計算出的換熱效率隨一次空氣流速的變化關系圖?？梢钥闯?，一次空氣流速4.0m/s（一、二次空氣質量流量比在0.36左右）時，換熱效率最大。

圖1 吐魯番地區一次空氣流速變化對換熱效率的影響Fig.1 The effect of the primary air velocity on the cooling efficiency in Turpan area

圖2是吐魯番地區一、二次空氣均為室外新風，空氣進口干球溫度為40.3℃，濕球溫度為24.2℃，管徑為0.02m，管長為1.5m，縱向、橫向管間距均為0.035m，一次空氣流速為4.0m/s時計算出的換熱效率隨二次空氣流速的變化關系圖?？梢钥闯?，二次空氣流速3.0m/s（一、二次空氣質量流量比在0.35左右）時，換熱效率最大。

圖2 吐魯番地區二次空氣流速變化對換熱效率的影響Fig.2 The effects of the Secondary air heat convection coefficient on the cooling efficiency in Turpan area

分析：吐魯番地區，一次空氣流速為4.0m/s，二次空氣流速為3.0m/s（一、二次空氣質量流量比在0.35左右）時，換熱效率最大。

1.2 西安地區一、二次空氣流速變化對換熱效率的影響

圖3是西安地區一、二次空氣均為室外新風，空氣進口干球溫度為35.1℃，濕球溫度為25.8℃，管徑為0.02m，管長為1.5m，縱向、橫向管間距均為0.035m，二次空氣流速為2.8m/s時計算出的換熱效率隨一次空氣流速的變化關系圖?？梢钥闯?，一次空氣流速為3.0m/s（一、二次空氣質量流量比在0.27左右）時，換熱效率最大。

圖3 西安地區一次空氣流速變化對換熱效率的影響Fig.3 The effect of the primary air velocity on the cooling efficiency in Xi’an area

圖4是西安地區一、二次空氣均為室外新風，空氣進口干球溫度為35.1℃，濕球溫度為25.8℃，管徑為0.02m，管長為1.5m，縱向、橫向管間距均為0.035m，一次空氣流速為3.0m/s時計算出的換熱效率隨二次空氣流速的變化關系圖?？梢钥闯?，二次空氣流速為2.0m/s（一、二次空氣質量流量比在0.38左右）時，換熱效率最大。

圖4 西安地區二次空氣流速變化對換熱效率的影響Fig.4 The effects of the Secondary air heat convection coefficienton the cooling efficiency in Xi’an area

分析：因此西安地區，一次空氣流速為3.0m/s，二次空氣流速為2.0 m/s（一、二次空氣質量流量比在0.38左右）時，換熱效率最大。

1.3 北京地區一、二次空氣流速變化對換熱效率的影響

圖5是北京地區一、二次空氣均為室外新風，空氣進口干球溫度為33.6℃，濕球溫度為26.3℃，管徑為0.02m，管長為1.5m，縱向、橫向管間距均為0.035m，二次空氣流速為2.8m/s時計算出的換熱效率隨一次空氣流速的變化關系圖?？梢钥闯?，一次空氣流速為2.0m/s（一、二次空氣質量流量比在0.18左右）時，換熱效率最大。

圖5 北京地區一次空氣流速變化對換熱效率的影響Fig.5 The effect of the primary air velocity on the cooling efficiency in Beijing area

圖6是北京地區一、二次空氣均為室外新風，空氣進口干球溫度為33.6℃，濕球溫度為26.3℃，管徑為0.02m，管長為1.5m，縱向、橫向管間距均為0.035m，一次空氣流速為2.0m/s時計算出的換熱效率隨二次空氣流速的變化關系圖?？梢钥闯?，二次空氣流速為3.0m/s（一、二次空氣質量流量比在0.17左右）時，換熱效率最大。

圖6 北京地區二次空氣流速變化對換熱效率的影響Fig.6 The effects of the Secondary air heat convection coefficienton the cooling efficiency in Bei’jing area

分析：因此北京地區，一次空氣流速為2.0m/s，二次空氣流速為3.0m/s（一、二次空氣質量流量比在0.17左右）時，換熱效率最大。

2 典型地區換熱器管間距變化對換熱效率的影響

2.1 新疆吐魯番地區換熱器管間距對換熱效率的影響

圖7是新疆吐魯番地區一、二次空氣均為室外新風，空氣進口干球溫度為40.3℃，濕球溫度為24.2℃，管徑為0.02m，管長為1.5m，橫向管間距為0.035m，二次空氣流速為2.8m/s，一次空氣流速為4.0m/s時計算出的換熱效率隨縱向管間距的變化關系圖?？梢钥闯?，縱向管間距在0.035時，換熱效率最大。

圖7 吐魯番地區縱向管間距對換熱效率的影響Fig.7 The effects of longitudinal tube spacing on the cooling efficiency in Turpan area

圖8是新疆吐魯番地區一、二次空氣均為室外新風，空氣進口干球溫度為40.3℃，濕球溫度為24.2℃，管徑為0.02m，管長為1.5m，縱向管間距為0.035m，二次空氣流速為2.8m/s，一次空氣流速為4.0m/s時計算出的換熱效率隨橫向管間距的變化關系圖?？梢钥闯?，橫向管間距在0.030m時，換熱效率最大。

圖8 吐魯番地區橫向管間距對換熱效率的影響Fig.8 The effects of horizontal tube spacing on the cooling efficiency in Turpan area

分析：新疆吐魯番地區，縱向管間距為0.035m，橫向管間距為0.030m（橫向、縱向管間距比為0.86）時的換熱效率最大。

2.2 西安地區換熱器管間距對換熱效率的影響

圖9是西安地區一、二次空氣均為室外新風，空氣進口干球溫度為35.1℃，濕球溫度為25.8℃，管徑為0.02m，管長為1.5m，橫向管間為0.035m，二次空氣流速為2.8m/s，一次空氣流速為3.0m/s時計算出的換熱效率隨縱向管間距的變化關系圖?？梢钥闯?，縱向管間距在0.035m時，換熱效率最大。

圖9 西安地區縱向管間距對換熱效率的影響Fig.9 The effects of longitudinal tube spacing on the cooling efficiency in Xi’an area

圖10是西安地區一、二次空氣均為室外新風，空氣進口干球溫度為35.1℃，濕球溫度為25.8℃，管徑為0.02m，管長為1.5m，縱向管間為0.035m，二次空氣流速為2.8m/s，一次空氣流速為3.0m/s時計算出的換熱效率隨橫向管間距的變化關系圖?？梢钥闯?，橫向管間距在0.030m（橫向、縱向管間距比為0.86）時，換熱效率最大。

圖10 西安地區橫向管間距對換熱效率的影響Fig.10 The effects of horizontal tube spacing on the cooling efficiency in Xi’an area

分析：西安地區，縱向管間為0.035m，橫向管間距為0.030m時的換熱效率最大。

2.3 北京地區換熱器管間距對換熱效率的影響

圖11 北京地區縱向管間距對換熱效率的影響Fig.11 The effects of longitudinal tube spacing on the cooling efficiency in Beijing area

圖11是北京地區一、二次空氣均為室外新風，空氣進口干球溫度為33.6℃，濕球溫度為26.3℃，管徑為0.02m，管長為1.5m，橫向管間距為0.035m，二次空氣流速為2.8m/s，一次空氣流速為2.0m/s時計算出的換熱效率隨縱向管間距的變化關系圖?？梢钥闯?，縱向管間距在0.035m時，換熱效率最大。

圖12是北京地區一、二次空氣均為室外新風，空氣進口干球溫度為33.6℃，濕球溫度為26.3℃，管徑為0.02m，管長為1.5m，縱向管間距為0.035m，二次空氣流速為2.8m/s，一次空氣流速為2.0m/s時計算出的換熱效率隨橫向管間距的變化關系圖?？梢钥闯?，橫向管間距在0.030m（橫向、縱向管間距比為0.86）時，換熱效率最大。

圖12 北京地區橫向管間距對換熱效率的影響Fig.12 The effects of horizontal tube spacing on the cooling efficiency in Beijing area

分析：北京地區，縱向管間距為0.035m，橫向管間距在0.030m時，換熱效率最大。

3 典型地區換熱器管管徑變化對換熱效率的影響

3.1 新疆吐魯番地區換熱器管管徑對換熱效率的影響

圖13 吐魯番地區換熱管管徑對換熱效率的影響Fig.13 The effects of heat exchange tube diameter on the cooling efficiency in Turpan area

圖13是新疆吐魯番地區一、二次空氣均為室外新風，空氣進口干球溫度為40.3℃，濕球溫度為24.2℃，管徑為0.02m，管長為1.5m，縱向管間距為0.035m，橫向管間距為0.30m，二次空氣流速為2.8m/s，一次空氣流速為4.0m/s時計算出的換熱效率隨管徑的變化關系圖?？梢钥闯?，換熱管管徑為0.02m（換熱管管徑與縱向管間距比為0.57）時，換熱效率最大。

3.2 西安地區換熱器管徑對換熱效率的影響

圖14是西安地區一、二次空氣均為室外新風，空氣進口干球溫度為35.1℃，濕球溫度為25.8℃，管徑為0.02m，管長為1.5m，縱向管間距為0.035m，橫向管間為0.030m，二次空氣流速為2.8m/s，一次空氣流速為3.0m/s時計算出的換熱效率隨換熱管管徑的變化關系圖?？梢钥闯?，換熱管管徑為0.02m（換熱管管徑與縱向管間距比為0.57）時，換熱效率最大。

圖14 西安地區換熱管管徑對換熱效率的影響Fig.14 The effects of heat exchange tube diameter on the cooling efficiency in Xi’an area

3.3 北京地區換熱器管徑對換熱效率的影響

圖15 北京地區換熱管管徑對換熱效率的影響Fig.15 The effects of heat exchange tube diameter on the cooling efficiency in Beijing area

圖15是北京地區一、二次空氣均為室外新風，空氣進口干球溫度為33.6℃，濕球溫度為26.3℃，管徑為0.02m，管長為1.5m，橫向管間距為0.035m，二次空氣流速為2.8m/s，一次空氣流速為2.0m/s時計算出的換熱效率隨縱向管間距的變化關系圖?？梢钥闯?，縱向管間距為0.035m時，換熱效率最大。

4 結論

本文通過模擬計算，得到了管式間接蒸發空氣冷卻器用于吐魯番、西安、北京適宜的工作參數和幾何參數。結論如下：

（1）西安地區，一、二次空氣質量流量比在0.38左右時，冷卻效率最大；吐魯番地區，一、二次空氣質量流量比在0.35左右時，冷卻效率最大；北京地區，一、二次空氣質量流量比在0.17左右時，冷卻效率最大。

（2）新疆、蘭州、北京等典型地區換熱管橫、縱向管間距比為0.86時，冷卻效率也是最大，這與文獻[7]中非典型地區結果一致。

（3）新疆、蘭州、北京等典型地區換熱管管徑與縱向管間距比為0.57時，冷卻效率也是最大，這與文獻[7]中非典型地區結果一致。