1、空调冷凝器外环境喷雾冷却的数值模拟王晓阳 1 ，余敏 1 ，龙时丹 2 ，崔明璐 1（1. 上海理工大学, 上海 200093; 2.上海法维莱交通车辆设备有限公司 ,上海,201906 ）摘要：当室外温度过高时，空调室外机组散热环境恶化，导致空调经济性降低。本文采用在室外机组冷凝器上加装喷嘴进行水的喷雾冷却的方法，降低进入冷凝器的风温，改善冷凝器散热工况。通过 CFD 软件进行数值模拟，模拟仿真不同水量、不同喷嘴角度的喷雾冷却对冷凝器外环境空气温度场以及对各点温度分布的影响。模拟结果表明，喷雾后冷凝器外环境温度降低，随喷雾量、喷雾角度的增大，进风截面各点温度分布更为均匀，冷凝器散热能力得到提
2、高。关键词：冷凝器，喷雾冷却，喷嘴角度，数值模拟中文分类号：TK 文献标识码： ASimulation Study Of Micro Fog Cooling Of Air Conditioning CondenserWang Xiao-Yang1 ,Yu Min1 , Long Shi-dan2 , Cui Ming-Lu1(1. University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai ,200093, China;2. Shanghai Faiveley Traffic Equipment Co., Ltd, Shanghai,
3、201906, China)Abstract: When temperature of air is too high ,the air-cooled conditioning units cooling effect of outdoor condenser become poorer .in order to reduce import air temperature and improve condenser cooling condition ,we use nozzle to spray water to condenser .simulated simulation by CFD
4、software after spraying ,we can simulate spray cooling of the condenser outside environment air temperature field distribution under different quantity and different spray angle .Simulation shows that spraying can cool air temperature . Along with the increase of spray angle, at various points into
5、the wind section temperature distribution more uniform, condenser cooling ability is improved.Key words : condenser ; spraying cooling ; spray angle ; numerical simulation随着近年来地球温室效应的不断加剧，夏季的室外温度比往年来高出了不少，越来越恶劣外环境使风冷式空调冷凝机组的散热急剧恶化，不但会降低空调机组的制冷效率，而且恶劣的外界条件甚至会造成空调机组寿命大大降低。在空调机组外加上喷雾冷却装置以达到改善散热的目的。本文在不
6、改变原有的冷却系统的基础上，加装喷嘴进行水收稿日期：资助项目：上海市宝山区产学研合作项目（CXY-2011-06）作者简介:王晓阳(1989-),男,硕士研究生.研究方向: 强化换热和高效换热器、数值传热.E-mail:通讯作者：余敏（1952-） ，女，教授.研究方向：能源有效利用与节能技术、强化换热和高效换热器. E-mail：的喷雾冷却方法，以降低进入冷凝器的进口风温，改善散热情况。CFD 软件对加装喷嘴喷水后环境温度场进行了数值模拟，对喷雾降温情况及其影响因素作了分析1、喷雾冷却原理及其系统组成喷雾冷却是利用雾化喷头喷出的细微液滴，与空气混合、蒸发，吸收大量热量，降低空气温度的过程，近
7、似于等焓加湿。如图 1，喷雾后的空气温度降低含湿量增加，图中 1、2 点为喷雾前后空气状态Fig.1 Enthalpy-humidity chart of adiabatic humidifying process喷雾系统由外部供水系统、冷却系统、以及控制系统组成。外部供水系统由供水泵、调节阀、及管路系统组成。喷雾系统简图如图 2 所示。图2 喷雾系统简图Fig.2 spray system diagram2、喷雾冷却的数值模拟2.1 数学模型喷雾增湿法属于直接蒸发冷却方法。基于水的传热能力明显优于空气的传热能力，尤其是水蒸发为水蒸汽所吸收的汽化潜热远远超过其相同温度下的焓值。假设冷凝器进口空
8、气以达饱和时空气状态。开启喷淋装置后，冷凝器空气侧入口空气的温度将由水入口温度升为干空气饱和温度吸热量和水变为水蒸汽吸收汽化潜热两部分组成。由于喷雾冷却喷水量很少，水换热量与水汽化吸热相比水吸热只占了很少比例，在此可以忽略不计。水蒸发成水蒸汽发吸收的汽化潜热：Q=Gwzf(21)=(12)式中， 为由水蒸发成水蒸汽的质量流率，Gwzfkg/s； 、 分别为蒸发前水的焓值和蒸h1 h2发后水的焓值，kj/kg； G 为空调冷凝器进风质量流率； 、 为空气冷却前后温度，1 2。2.2 几何模型及边界条件喷雾冷却系统中最重要的过程就是喷雾冷却效果。所以采用数值模拟模拟研究喷嘴喷雾对风机冷凝风的冷却效
9、果。本文计算以西北干旱夏季地区某额定制冷量 30KW 的空调机组为例，冷凝风量为 4.08Kg/s，在离空调 0.6m 处大约 0.875的范围内布置了 14 个喷嘴，喷嘴类型3为压力旋流喷嘴，通过计算此处风速大致为 4m/s。喷嘴布置如下图 3 所示，由于电脑计算能力有限，本文只建立两个喷嘴喷雾区域冷却模型， CFD 三维建模600500250 立方体区域网格下图 4 所示，网格数目 9x 106图 3 喷嘴布置图Fig.3 The nozzle arrangement图 4 计算区域模型Fig.4 the calculation area model计算区域中，模型入口采用速度入口边界类型
10、，出口采用压力出口模型，四周采用对称边界条件。入口边界空气速度为4m/s，入口温度 313K，相对湿度为 0。水雾与空气热湿交换过程采用 DPM 模型模拟，喷嘴压力为 3Mp，雾化角为 70，喷水温度为 293K2.3 控制方程采用了标准湍流模型和离散相模型分别模拟连续相和离散相。首先模拟连续相，然后再连续相中加入离散相，计算其与连续相的质量和能量交换。当选用标准湍流模型处理模拟区域内的湍流问题时，控制空气流动的微分方程包括：连续性方程、动量守恒方程、湍动能方程、湍动能耗散方程和能量守恒方程,其表达式如下所示：连续性方程：(41) ujx=0 式中， 为空气速度在 j 方向的速度分量； 为坐标
11、轴 j 方向分量，j 指标可以是坐标轴中的 x，y，z 坐标轴 动量守恒方程： = + 2+ () + (net)(42)式中， 为空气密度； 为压力； 为动力粘 性系数； 为脉动速度； ， 为 j，i 方向 的脉动速度分量； 为重力加速度； 为热 膨胀系数； 为环境温度； 为参考目标T T温度。湍流动能方程：()+() =(+)+ (43)式中，k 为湍动能；t 为时间； 为经验常数； , 为由平均速度梯度和浮力引起的湍动能 k 的产生项； 为动能耗散率。湍流动能耗散率方程：()+() =(+)+1(+3)22(44)式中， ， ， ， 为经验常数。123能量守恒方程：() =(+) (45
12、) 式中， 为定压比热容； 为经验常数。 T3.数值模拟的结果与分析取在时间步长为 s,误差为 ，10-5 10-3当残差稳定时的结果:（1）喷雾冷却区域内压力为大气压0.1MPa,温度为 313k，进口速度为 4m/s。图 5 取经过喷嘴到空调之间模型截面，喷嘴质量流量为 0.00267kg/s,喷雾半角为70，喷嘴压力为 3MPa 时,温度分布图：图 5 截面的温度场分布Fig.5 Distribution of temperature fields 从图上可以看出通过喷雾冷却，冷凝器迎面区域内受喷嘴喷入的雾化水影响，区域内温度降低喷雾以后区域内温度最低为 287K，大大改善了区域的冷却风
13、温过高的情况。由于进入冷凝器的冷却风温降低，使其在不改变换热面积的情况下增加冷凝器的换热量，从而提高整个空调机组的制冷系数和工作效率。从模拟结果可以看出对空调外环境进行喷雾冷却的方法，确实降低了室外环境的温度。下面讨论不同的喷雾量，不同的喷嘴雾化角对降温幅度的影响。（2）对喷雾冷却，不同的喷水量也会影响喷雾冷却的效果，本文对喷嘴质量流量为0.0032kg/s、0.0024kg/s、0.0018kg/s、0.0012kg/s、0.0006kg/s 情况下的冷却效果进行了模拟，结果如图 6 所示图 6 喷雾冷却降温模拟值与图表值比较Fig.6 Spray cooling simulation va
14、lue compared with the chart value喷雾降温过程近似为等焓加湿降温过程，图表值可以从湿空气的焓湿图中读出。从图上可以看出模拟值与图表值基本吻合，最大误差在 10以内。分析知在流量较大时，喷出的雾滴较大，在模拟区域内没有蒸发完全，造成比图表值偏低。较小时，由于喷嘴喷出液滴在区域内不均匀，造成液滴集中区域喷雾量过大，所以降温比图表值偏高。（3）喷嘴出口到雾化边界的两条切线之间夹角的雾化角也会影响雾化降温的区域大小，本文通过设定在喷嘴流量0.0025ks/s 下雾化半角 20、60的模拟来说明。如图 7 所示（a）20雾化半角温度分布（b）60雾化半角温度分布图 7 不
15、同雾化角下温度分布Fig.7 The temperature distribution under different spray Angle从两图比较可以看出在相同喷雾量情况下，雾化角越大，雾滴在区域内喷洒的越均匀，降温区域越大，区域内截面温度分布越均匀，有效降温的范围越大（当雾化角过大时可能出现的回流本文未做考虑）,进入冷凝器散热器的迎面风温均匀，充分利用散热器散热面，而且避免出现过大的热应力，降低散热器寿命。4、结论（1）通过数值模拟结果表明，在直接空冷系统中加装喷嘴，通过水的喷雾冷却，可以使进入冷凝器迎面风温降低。（2）模拟结果与理论结果大致相符，再次证明了喷雾冷却对冷凝器起到增强换热
16、的预期。（3）喷水量不同影响喷雾冷却的效果，在实际运用喷雾减温时，可以通过喷入水量的多少来控制进入冷凝器的空气温度。（4）喷雾雾化角不同影响喷雾区域的降温情况。在相同喷水量情况下，雾化角越大，降温区域越大，降温区域内各点温度差越小。（5）在环境温度不断上升的今天，通过对冷凝器迎面外环境区域喷雾降温，改善空调运行工况，提高空调机组的工作效率和经济性，是一个可行且效果显著的方法。参考文献：1 SHORTTH Dynamic model of naturally ventilated poly housesJ In Grower Talks Magazine，1996，34:65-722 李永欣，李
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