182 直接蒸发冷却空调器数学模型

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1、直接蒸发冷却空调器数学模型西安工程大学强天伟黄翔张大镇摘要：蒸发冷却填料中空气与水之间传热传质过程同时发生，过程复杂。在对蒸发冷却传热传质及空气处理过程机理的分析基础上，建立边界层理论模型，为蒸发冷却设备的设计、应用提供理论基础和依据。关键词：直接蒸发冷却边界层理论模型传热传质符号说明阿拉伯字母B大气压力Pab1,b2,b3与填料种类和结构有关的实验常数cp定压比热1.01kJ/（kg·K）d含湿量kg/kgg重力加速度m/s2Ka基于含湿量差的容积传质系数kg/（m3·s）ma质量流率kg/（m2·s）mv质量源项，即空气与水的质交换率kg/（m3·s）N室内工况

2、点O送风点pq湿空气中的水蒸气分压力Paqv能量源项，即空气与水膜的热交换率W/m3Sxx方向动量方程源项，由质量源项产生Syy方向动量方程源项，由质量源项产生Tt+273.15Kt温度℃tgw空气干球温度℃tgo绝热条件下空气被冷却的温度℃tsw空气湿球温度℃u速度m/sv速度m/sW室外工况点w速度m/s希腊字母λ导热系数W/（m·℃）μ动力粘滞系数N·s/m2ρ密度kg/m3τ时间sΓ淋水密度kg/（m2·s）下角标a空气s水/空气交界面(surface)w水1直接蒸发冷却空调器蒸发冷却过程不使用CFCs，对大气环境无污染，可直接采用全新风，提供良好的室内空气

3、品质。一般可以直接补充水分来维持蒸发过程的进行。目前国外对蒸发冷却技术的应用非常广泛，在我国也有许多公司开始制造生产单元式和机组式直接蒸发冷却空调，这些产品的生产与应用对中国低能耗制冷技术的推广和应用起到了极大的促进作用[1]。图1直接蒸发冷却空调器如图1所示，直接蒸发冷却空调器是一种使用循环水的蒸发冷却设备，主要包括一个风机，填料，水泵（不断地将水池里的水喷到填料上以保持填料湿润）以及补水泄流部件。风机抽室外空气通过湿润的填料，使得室外空气更潮湿更冷却，冷却的空气进入房间，并将室内热空气从打开的窗口、门等处排出，这一点和传统制冷空调明显不同，它不使用循环风，能保持

4、室内空气清新[2]。2直接蒸发冷却传热传质及空气处理过程分析图2直接蒸发冷却示意图图3直接蒸发冷却过程h-d图图2，3显示了直接蒸发冷却的物理过程和空气处理工程，室外空气在风机的作用下流过被水淋湿的填料而被冷却，空气的干球温度降低而湿球温度保持不变，蒸发冷却器通过液态水汽化吸收汽化潜热来降低干空气温度。理论上是显热和潜热的转化，当水和未饱和干空气接触时发生热和质的传递，传递是由水和空气之间的温度差和蒸汽压力差引起。从空气到水的热传递使部分水分蒸发，而部分水分蒸发成水蒸气进入空气又是质传递，热质传递在蒸发冷却器中同时进行，结果干空气的部分显热传给了水并通过蒸发部分水分

5、而变成潜热，蒸发的部分水分带着吸收的潜热变成水蒸气又成为空气中的一部分，所以空气的全部热量既没增加也没减少，但是空气干球温度由于失去部分显热而降温，而它的湿球温度并不因为吸收了水蒸气中的潜热而受影响，因为水蒸气是在湿球温度下进入空气中的。这个过程为绝热加湿。空气的全热（焓）始终不变只是热的干空气变成冷的湿空气。[3]tgw空气干球温度tgo绝热条件下空气被冷却的温度tsw空气湿球温度W室外工况点N室内工况点O送风点3边界层理论模型蒸发冷却技术属于低品位能源利用技术，其主要特点是在淋水填料表面进行热质交换，其过程是流动、传热、传质同时发生，相互耦合，交叉影响的复杂不可

6、逆热力过程，空气和水呈叉流状，故对其内部的流动状况进行描述、测量和计算比较困难，研究主要以实验为基础，理论计算也是其难点之一[4,5]。本章通过分析填料式直接蒸发冷却设备内部传热、传质过程，建立数学模型，为蒸发冷却设备的设计、应用提供理论基础和依据。现有的边界层理论建立的数学模型很少考虑到质量源项产生的动量源项对动量方程的影响，为此，在建立动量方程时将动量源项的影响考虑进去以减小数学模型和实际问题之间的偏差。假设条件：（1）忽略空气、水与外界的换热，空气进行绝热加湿。（2）空气温度、含湿量和水温只沿流动方向变化。（3）液膜流动为层流，表面无波动。（4）水膜很薄，淋水

7、量只要满足润湿整个填料表面即可，故而忽略其厚度。（5）直接蒸发冷却过程稳定。（6）气液、液固界面表面无滑移。如图4所示,空气流动方向为x，水流动方向为y，填料宽度方向为z。根据假设条件，可简化为二维模型，确定如图5所示的计算区域。图5计算区域及边界图4空气和水流动坐标示意图3.1控制方程[6]（1）质量方程空气：(1)水：(2)（2）动量方程通常x轴（速度为u）动量方程为：考虑了动量源项影响的空气、水的动量方程如下：空气：(3)水：(4)（3）能量方程空气：(5)水：(6)（4）空气含湿量质量守恒方程(7)（5）湿空气状态方程(8)（6）质量交换方程(9)（7）