管道內(nèi)噴霧蒸發(fā)冷卻的數(shù)值模擬及優(yōu)化設計

肖益民，陶 垚，高陽華

(1.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室(重慶大學)，400045重慶;2.重慶市氣象科學研究所，401147重慶)

直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組因其環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟等優(yōu)勢得到了廣泛應用，可分為滴水填料式和噴淋式，其中噴淋式又分為噴水室和微霧式［1］，微霧一般指粒徑為 10～100μm 的液滴［2］，直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)以填料式和噴水室為主［3］.文獻［4］采用噴霧降低空冷機組入口空氣干球溫度，文獻［5］將微霧技術(shù)應用在組合式空調(diào)機組以提高其降溫效果.相比常規(guī)的填料式設備和噴水室，噴霧蒸發(fā)冷卻無需循環(huán)水，耗水量少，設備結(jié)構(gòu)簡化，熱質(zhì)交換系數(shù)較高.

由于空氣與霧滴群熱濕交換十分復雜，無論物理模型建立還是數(shù)學模型求解都比較困難［6］，針對提高噴霧降溫系統(tǒng)蒸發(fā)效率的研究較少.噴霧系統(tǒng)及空氣參數(shù)均會影響液滴的蒸發(fā)速率和沉積特性，且各參數(shù)間相互影響，實驗測量困難.目前對噴霧降溫非穩(wěn)態(tài)過程的求解，可行的方法是依靠計算流體力學(CFD)［7］.

本文根據(jù)噴霧降溫技術(shù)特點，提出在管道內(nèi)直接噴霧實現(xiàn)對送風降溫，最大限度降低直接蒸發(fā)冷卻裝置的造價、占地和阻力.理想效果是通過合理配置參數(shù)，使霧滴在有限的管道長度內(nèi)盡可能蒸發(fā)，空氣接近濕球溫度以獲得最大溫降.本文采用計算流體力學方法，對主要影響參數(shù)進行變工況模擬與分析，得到影響因素之間的主次關(guān)系和最佳運行工況，為噴霧設備設計提供參考.

1 模擬方法與評價指標

1.1 數(shù)值模擬方法

噴霧蒸發(fā)冷卻是氣相流場中液滴相變吸熱的傳熱傳質(zhì)過程.將空氣視為連續(xù)介質(zhì)，液滴相視為離散介質(zhì)，利用基于歐拉-拉格朗日方法的離散相模型(DPM)［8］在歐拉坐標下對連續(xù)相進行計算，求解時均N-S方程得到連續(xù)相的速度等參量;在拉格朗日坐標下對離散相進行計算，得到顆粒運動軌跡和液滴蒸發(fā)對氣相的影響.霧滴在空氣中的流動及傳熱傳質(zhì)過程遵守連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、湍流輸運方程以及組分守恒方程.連續(xù)相控制方程通式為

式中Φ分別代表密度、速度、溫度、湍流動能和湍動耗散率，Γ代表相應擴散系數(shù).

在連續(xù)相流場計算結(jié)果基礎上加入噴射源，通過傳熱傳質(zhì)方程、顆粒受力平衡方程以及顆粒湍流擴散方程，得到顆粒軌跡以及與空氣的熱質(zhì)傳遞結(jié)果.

文獻［9］采用歐拉-拉格朗日方法，模擬換熱器來流空氣噴霧降溫過程，并通過實驗［10］測量噴頭下游截面溫度，結(jié)果顯示，溫度分布趨勢吻合，管道斷面溫度平均值得到了驗證;文獻［11］設計了風洞內(nèi)噴霧降溫實驗和數(shù)值模擬，結(jié)果在干球溫度、濕球溫度、比焓方面的局部方差分別為10%、5%、7%.表明基于DPM模型的CFD模擬方法用于噴霧降溫過程模擬可行，本文采用該模型方法進行噴霧過程的模擬計算.

1.2 評價指標

對空氣的噴霧降溫過程在焓濕圖上表示，見圖1.空氣初狀態(tài)點為1，降溫后為2，理想等焓降溫極限為空氣濕球溫度狀態(tài)點S.為評價噴霧蒸發(fā)及降溫效果，將用到以下參數(shù).

圖1 噴霧降溫過程在焓濕圖上的表示

1.2.1 水氣比、飽和水氣比與噴霧比

式中:μp為噴霧水氣比;Gp為噴霧質(zhì)量流量，kg/s;Ga為空氣質(zhì)量流量，kg/s;P點表示Gp全部蒸發(fā)時，空氣等焓降溫所達到的狀態(tài)點.

式中:μs為飽和水氣比;Gs為飽和噴水量，kg/s;ds為空氣濕球溫度對應的飽和含濕量，kg/kg;d1為空氣含濕量，kg/kg.μs表示單位質(zhì)量空氣等焓降溫至濕球溫度所需的水量，數(shù)值上等于空氣濕球溫度對應的含濕量與其初始含濕量之差Δd，μs越高，空氣吸納水蒸氣的容量越大，理論上蒸發(fā)效率應越高.

噴霧水氣比與飽和水氣比之比定義為噴霧比，用 φp表示，即 φp=μp/μs，表征空氣質(zhì)量流量相同時噴霧量的相對大小.

1.2.2 蒸發(fā)效率和飽和效率

蒸發(fā)效率ηe定義為霧滴實際蒸發(fā)量Ge與噴霧質(zhì)量流量Gp之比，表征實際蒸發(fā)與完全蒸發(fā)接近的程度.由于霧滴幾乎可全部蒸發(fā)，從空氣吸收的顯熱以水蒸氣的潛熱形式帶回空氣中，液滴顯熱變化忽略不計，整個過程近似等焓降溫，蒸發(fā)效率可通過空氣干球溫度t1、降溫后干球溫度t2和噴霧量完全蒸發(fā)后的理論干球溫度tp計算:

冷卻飽和效率ηs表征空氣溫降接近干濕球溫差的程度［12］，由t1、t2和空氣濕球溫度ts計算得出.在0≤φp≤1范圍內(nèi)，有以下關(guān)系成立:

當φp＞1時為過量噴霧，ηs通過式(5)計算，空氣能達到理想狀態(tài)點S，理論溫降為空氣干濕球溫差.對于噴淋室，水氣比越大接觸系數(shù)越高［13］，但對于噴霧系統(tǒng)，水氣比越大噴霧量將過剩越多，對系統(tǒng)設計是一大缺點.因此本文僅考慮噴霧水氣比不大于飽和水氣比的情況.

當φp＜1時為欠量噴霧，噴霧量Gp全部蒸發(fā)時，所能達到的理想狀態(tài)點為P，此時飽和效率ηs將與φp密切相關(guān)，即不同噴霧水氣比時，飽和效率的大小還取決于噴霧比.φp和ηe越接近1，所獲得的溫降越大且噴霧越接近完全蒸發(fā)、飽和效率越高，霧滴的剩余量也越小，效果越理想.

蒸發(fā)式冷氣機標準［14］中，規(guī)定飽和效率不低于65%，對于本文的噴霧降溫系統(tǒng)，即使得到較高的蒸發(fā)效率，噴霧比也應有下限，因此，對噴霧降溫系統(tǒng)影響因素的研究，將是通過優(yōu)化設計使ηe提高至接近1.

2 模型與模擬方案

2.1 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

2.1.1 模型尺寸與形狀

取外形尺寸為0.9 m×0.9 m的方形截面風管，長度6.5 m，空氣入口位于Z=0 m截面，出口位于Z=6.5 m截面.在Z=0.5 m截面上設多個噴頭管道內(nèi)均勻排布9個噴頭，見圖2.

2.1.2 網(wǎng)格劃分

設計3種尺寸的網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)分別為5.6萬、22.5萬和44.8萬，3種網(wǎng)格的溫度計算結(jié)果從時間和空間上均無明顯差別.網(wǎng)格5.6萬個時，壁面邊界層網(wǎng)格中心距壁面高度0.022 m，風速最大為1.5 m/s時，第一個內(nèi)節(jié)點與壁面間的無量綱距離Y+在85～135之間.綜合考慮模型的計算效率及準確性，采用5.6萬的網(wǎng)格進行多工況模擬.

圖2 噴霧降溫系統(tǒng)模型(mm)

2.2 邊界條件

2.2.1 空氣入口參數(shù)

標準［14］中指出，蒸發(fā)式冷氣機名義實驗工況有干燥和高濕兩種，本文根據(jù)高濕工況作為模擬的入口參數(shù)，即干球溫度38℃，濕球溫度28℃，相對濕度47.2%，經(jīng)計算其飽和水氣比為0.44%.

2.2.2 噴頭模型

噴頭模型采用實心噴嘴模型，在三維空間進行噴射，噴射半角為30°，噴射方向為 -Z方向，即逆噴工況.根據(jù)工況需求設置不同噴霧粒徑，噴頭流量采用飽和水氣比所對應噴霧量.

2.3 模擬方案

通過前期實驗和模擬研究，認為霧滴粒徑、空氣流速以及噴頭間距對蒸發(fā)效率有較顯著的影響.采用單因素和正交分析的方法進行分析，設計15、30、45μm 3 種粒徑;0.5、1、1.5 m/s 3 種風速;L1=0.225 m，L2=0.3 m 和L3=0.45 m 3 種噴頭間距，分別對應16、9、4個噴頭.

3 模擬結(jié)果分析

定義αw=Gw/Gp為附壁比，αo=Go/Gp為逃逸比，其中Gp為噴霧流量，kg/s;Gw為附壁量，kg/s;Go為逃逸量，kg/s.通過模擬結(jié)果可以得到附壁量、逃逸量，從而分析各參數(shù)對附壁比、逃逸比和系統(tǒng)蒸發(fā)效率的影響.

3.1 單因素分析

3.1.1 液滴粒徑

空氣流速1 m/s、噴頭間距0.3 m、噴霧水氣比等于飽和水氣比0.44%時，對液滴粒徑為15、30、45μm的3種工況進行模擬.蒸發(fā)效率與粒徑的關(guān)系見圖3.液滴粒徑越小，蒸發(fā)效率越高.30μm以下液滴蒸發(fā)效率差別較小，當粒徑大于30μm時，蒸發(fā)效率隨粒徑增加而降低的程度有所增加.在粒徑增加過程中，逃逸量占噴霧量的比例幾乎不變，而附壁比增加的程度與蒸發(fā)效率降低的程度相當，說明粒徑的增大主要導致液滴沉積速度加快，附壁量增多，導致蒸發(fā)率降低.

圖3 蒸發(fā)效率隨粒徑的變化情況

3.1.2 噴頭間距

在空氣流速1 m/s、液滴粒徑30μm時，對噴頭間距為L1=0.225 m、L2=0.3 m 和L3=0.45 m的3種工況進行模擬，此時需保持噴霧水氣比為0.44%，對應的單個噴頭流量分別為G1=0.240 g/s、G2=0.426 g/s、G3=0.959 g/s.結(jié)果見圖4(a)，噴頭間距對蒸發(fā)效率的影響較大，主要體現(xiàn)在附壁比的變化程度上.

當噴頭布置較密時，有效射程內(nèi)霧滴間碰撞次數(shù)增加，液滴發(fā)生反彈、聚合和分離［15］，部分霧滴失去動能而下落，附壁比例增加，從而噴霧效率降低;當噴霧布置較稀疏時，噴頭個數(shù)減少，單個噴頭噴霧量增大，此時液滴群中的內(nèi)層液滴不能及時蒸發(fā)，沉積量增多，蒸發(fā)效率明顯下降.3種間距下的液滴沉積情況見圖4(b).

圖4 不同間距降溫效果對比

就單個噴頭而言，其覆蓋面積A對應的單噴頭水氣比為μi=Gi/Auρ，其中Gi為單噴頭流量，u為空氣流速，ρ為空氣密度.本文設定噴頭的噴出速度、噴射角度相同，則3種流量的A應相近.當單噴頭流量較大時，單噴頭水氣比明顯升高，不利于霧滴的迅速蒸發(fā).

因此認為，噴頭布置存在最佳間距，使噴出霧滴減少碰撞，從而減少附壁量;同時單噴頭水氣比應適當，使噴出霧滴較快蒸發(fā)，從而提高蒸發(fā)效率.最佳間距應根據(jù)飽和水氣比、空氣流速、噴射速度和噴射角度確定;最佳覆蓋面積A取決于噴頭種類、噴射角度、動力特性等參數(shù).

3.1.3 空氣流速

液滴粒徑30μm、噴頭間距0.3 m時，對空氣流速 0.5、1.0、1.5 m/s 的 3 種工況進行模擬.保持噴霧水氣比等于0.44%，因此空氣流速增加時，噴霧量也相應增大.空氣流速增加時，液滴表面Nu數(shù)提高，空氣與液滴之間的對流換熱系數(shù)增大，蒸發(fā)速率加快，但同時液滴在同一管長與空氣接觸時間減少.不同風速下的蒸發(fā)效率見圖5.空氣流速對附壁比的影響不大，對逃逸比影響較大.穩(wěn)定后的噴霧降溫系統(tǒng)，空氣流速為0.5、1、1.5 m/s時，溫度達到穩(wěn)定的截面分別在噴頭下游2 m、4 m和6 m處，說明空氣流速越小，設備所需長度越短，蒸發(fā)效率越高.

圖5 不同風速下的蒸發(fā)效率

3.1.4 噴霧比

液滴粒徑30μm、噴頭間距 0.3 m、空氣流速1.0 m/s時，設定噴霧比為 0.5、0.75 和 1 進行模擬，結(jié)果見圖6.噴霧比越小，附壁量和逃逸比越小，蒸發(fā)效率越高;隨著噴霧比升高，附壁比和逃逸比均增多，蒸發(fā)效率降低.

圖6 不同噴霧比的降溫效果

當以65%為最低飽和效率標準時，通過圖6可以得出，飽和效率65%對應的噴霧比約為0.7，此時蒸發(fā)效率接近95%.當需要飽和效率提高時，需要增加噴霧比;在溫降無需達到干濕球溫差的場合，可以降低噴霧比，以獲得接近完全蒸發(fā)的高蒸發(fā)效率，提高管內(nèi)直接噴霧的經(jīng)濟性和應用價值.

3.2 影響因素的正交分析

在噴霧降溫設備對降溫效果的影響因素中，空氣質(zhì)量流速Ga，噴霧粒徑dp，噴頭間距L是3個互不影響的因素，在噴霧比為1的工況下，設計3因素3水平的正交表對影響因素的主次效果進行分析，設計試驗因素與水平見表1.將這3個因素各水平填入正交表中，共9次模擬工況，模擬得到的蒸發(fā)效率見表2.

表1 試驗因素與水平

計算每一因素各同一水平所導致的結(jié)果之和及其極差.結(jié)果顯示，影響因素中，噴霧間距影響最大，粒徑其次，空氣流速影響最小.將各因素中影響最大的水平進行組合，得到最優(yōu)方案，即霧滴粒徑 15μm、風速 0.5 m/s，間距 0.3 m，此時通過模擬得到蒸發(fā)效率為93.4%.

表2 試驗結(jié)果分析

4 結(jié) 論

1)采用更小的粒徑有利于提高蒸發(fā)效率，但粒徑越小噴霧裝置代價越高昂，在本文模擬范圍內(nèi)，30μm以下的粒徑在飽和水氣比0.44%、風速小于1 m/s時可達到90%以上的蒸發(fā)效率.

2)噴霧水氣比不變時，噴頭間距并非越小越好;大流量噴頭的劣勢也較明顯，噴射中心霧滴無法快速蒸發(fā)，沉積量增加.本文噴頭間距0.3 m，單噴頭流量0.426 g/s的布置形式，在風速1 m/s、粒徑30μm時蒸發(fā)效率可達90%以上.

3)風速越大，霧滴與空氣接觸時間縮短，相同長度管段的蒸發(fā)效率越低，但風速較小時，同一尺寸管道處理的風量較小，設備經(jīng)濟性不高.當采用0.5～1 m/s之間的風速時，管道長度可以縮短到2～4 m.在實際工程中，可以將噴霧與系統(tǒng)靜壓箱等低風速設備結(jié)合應用.

4)噴霧比越小，蒸發(fā)效率越高，但飽和效率越低.為達到飽和效率不低于65%，噴霧比不應低于 0.7.

5)通過正交分析可以看出，影響因素中噴頭布置間距對蒸發(fā)效率的影響最大，粒徑其次，風速影響最小.

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