典型地区管式间接蒸发空气冷却器的性能优化

王 芳 武俊梅 黄 翔

（1.陕西国防工业职业技术学院 西安 710302；2.西安交通大学 西安 710049；3.西安工程大学 西安 710043）

0 引言

蒸发冷却空调不使用压缩机，以水为工质，能耗为传统空调的1/4，成本为传统空调的80%，是真正意义上的“绿色产品”[1,2]。

管式间接蒸发冷却器是减焓等湿降温过程，避免降温的同时对空气加湿，可使用与低湿度地区和中等湿度地区[3-5]。

文献[6]在已建立的热工模型的基础上，依据多元函数下山单纯形法求最小值的思想，使用Fortran语言编制了计算程序。文献[7]用所编程序计算了一、二次空气流量，入口温、湿度以及换热器几何参数对管式间接蒸发空气冷却器冷却效率的影响。本文选取三个典型地区—新疆吐鲁番、西安、北京，通过自编的Fortran语言程序进行计算分析，得出此三个地区管式间接蒸发冷却器的最优工作参数，并与文献[7]进行对比。

1 典型地区一、二次空气流速变化对换热效率的影响

1.1 新疆吐鲁番地区一、二次空气流速变化对换热效率的影响

图1是新疆吐鲁番地区一、二次空气均为室外新风，空气进口干球温度为40.3℃，湿球温度为24.2℃，管径为0.02m，管长为1.5m，纵向、横向管间距均为0.035m，二次空气流速为2.8m/s时计算出的换热效率随一次空气流速的变化关系图。可以看出，一次空气流速4.0m/s（一、二次空气质量流量比在0.36左右）时，换热效率最大。

图1 吐鲁番地区一次空气流速变化对换热效率的影响Fig.1 The effect of the primary air velocity on the cooling efficiency in Turpan area

图2是吐鲁番地区一、二次空气均为室外新风，空气进口干球温度为40.3℃，湿球温度为24.2℃，管径为0.02m，管长为1.5m，纵向、横向管间距均为0.035m，一次空气流速为4.0m/s时计算出的换热效率随二次空气流速的变化关系图。可以看出，二次空气流速3.0m/s（一、二次空气质量流量比在0.35左右）时，换热效率最大。

图2 吐鲁番地区二次空气流速变化对换热效率的影响Fig.2 The effects of the Secondary air heat convection coefficient on the cooling efficiency in Turpan area

分析：吐鲁番地区，一次空气流速为4.0m/s，二次空气流速为3.0m/s（一、二次空气质量流量比在0.35左右）时，换热效率最大。

1.2 西安地区一、二次空气流速变化对换热效率的影响

图3是西安地区一、二次空气均为室外新风，空气进口干球温度为35.1℃，湿球温度为25.8℃，管径为0.02m，管长为1.5m，纵向、横向管间距均为0.035m，二次空气流速为2.8m/s时计算出的换热效率随一次空气流速的变化关系图。可以看出，一次空气流速为3.0m/s（一、二次空气质量流量比在0.27左右）时，换热效率最大。

图3 西安地区一次空气流速变化对换热效率的影响Fig.3 The effect of the primary air velocity on the cooling efficiency in Xi’an area

图4是西安地区一、二次空气均为室外新风，空气进口干球温度为35.1℃，湿球温度为25.8℃，管径为0.02m，管长为1.5m，纵向、横向管间距均为0.035m，一次空气流速为3.0m/s时计算出的换热效率随二次空气流速的变化关系图。可以看出，二次空气流速为2.0m/s（一、二次空气质量流量比在0.38左右）时，换热效率最大。

图4 西安地区二次空气流速变化对换热效率的影响Fig.4 The effects of the Secondary air heat convection coefficienton the cooling efficiency in Xi’an area

分析：因此西安地区，一次空气流速为3.0m/s，二次空气流速为2.0 m/s（一、二次空气质量流量比在0.38左右）时，换热效率最大。

1.3 北京地区一、二次空气流速变化对换热效率的影响

图5是北京地区一、二次空气均为室外新风，空气进口干球温度为33.6℃，湿球温度为26.3℃，管径为0.02m，管长为1.5m，纵向、横向管间距均为0.035m，二次空气流速为2.8m/s时计算出的换热效率随一次空气流速的变化关系图。可以看出，一次空气流速为2.0m/s（一、二次空气质量流量比在0.18左右）时，换热效率最大。

图5 北京地区一次空气流速变化对换热效率的影响Fig.5 The effect of the primary air velocity on the cooling efficiency in Beijing area

图6是北京地区一、二次空气均为室外新风，空气进口干球温度为33.6℃，湿球温度为26.3℃，管径为0.02m，管长为1.5m，纵向、横向管间距均为0.035m，一次空气流速为2.0m/s时计算出的换热效率随二次空气流速的变化关系图。可以看出，二次空气流速为3.0m/s（一、二次空气质量流量比在0.17左右）时，换热效率最大。

图6 北京地区二次空气流速变化对换热效率的影响Fig.6 The effects of the Secondary air heat convection coefficienton the cooling efficiency in Bei’jing area

分析：因此北京地区，一次空气流速为2.0m/s，二次空气流速为3.0m/s（一、二次空气质量流量比在0.17左右）时，换热效率最大。

2 典型地区换热器管间距变化对换热效率的影响

2.1 新疆吐鲁番地区换热器管间距对换热效率的影响

图7是新疆吐鲁番地区一、二次空气均为室外新风，空气进口干球温度为40.3℃，湿球温度为24.2℃，管径为0.02m，管长为1.5m，横向管间距为0.035m，二次空气流速为2.8m/s，一次空气流速为4.0m/s时计算出的换热效率随纵向管间距的变化关系图。可以看出，纵向管间距在0.035时，换热效率最大。

图7 吐鲁番地区纵向管间距对换热效率的影响Fig.7 The effects of longitudinal tube spacing on the cooling efficiency in Turpan area

图8是新疆吐鲁番地区一、二次空气均为室外新风，空气进口干球温度为40.3℃，湿球温度为24.2℃，管径为0.02m，管长为1.5m，纵向管间距为0.035m，二次空气流速为2.8m/s，一次空气流速为4.0m/s时计算出的换热效率随横向管间距的变化关系图。可以看出，横向管间距在0.030m时，换热效率最大。

图8 吐鲁番地区横向管间距对换热效率的影响Fig.8 The effects of horizontal tube spacing on the cooling efficiency in Turpan area

分析：新疆吐鲁番地区，纵向管间距为0.035m，横向管间距为0.030m（横向、纵向管间距比为0.86）时的换热效率最大。

2.2 西安地区换热器管间距对换热效率的影响

图9是西安地区一、二次空气均为室外新风，空气进口干球温度为35.1℃，湿球温度为25.8℃，管径为0.02m，管长为1.5m，横向管间为0.035m，二次空气流速为2.8m/s，一次空气流速为3.0m/s时计算出的换热效率随纵向管间距的变化关系图。可以看出，纵向管间距在0.035m时，换热效率最大。

图9 西安地区纵向管间距对换热效率的影响Fig.9 The effects of longitudinal tube spacing on the cooling efficiency in Xi’an area

图10是西安地区一、二次空气均为室外新风，空气进口干球温度为35.1℃，湿球温度为25.8℃，管径为0.02m，管长为1.5m，纵向管间为0.035m，二次空气流速为2.8m/s，一次空气流速为3.0m/s时计算出的换热效率随横向管间距的变化关系图。可以看出，横向管间距在0.030m（横向、纵向管间距比为0.86）时，换热效率最大。

图10 西安地区横向管间距对换热效率的影响Fig.10 The effects of horizontal tube spacing on the cooling efficiency in Xi’an area

分析：西安地区，纵向管间为0.035m，横向管间距为0.030m时的换热效率最大。

2.3 北京地区换热器管间距对换热效率的影响

图11 北京地区纵向管间距对换热效率的影响Fig.11 The effects of longitudinal tube spacing on the cooling efficiency in Beijing area

图11是北京地区一、二次空气均为室外新风，空气进口干球温度为33.6℃，湿球温度为26.3℃，管径为0.02m，管长为1.5m，横向管间距为0.035m，二次空气流速为2.8m/s，一次空气流速为2.0m/s时计算出的换热效率随纵向管间距的变化关系图。可以看出，纵向管间距在0.035m时，换热效率最大。

图12是北京地区一、二次空气均为室外新风，空气进口干球温度为33.6℃，湿球温度为26.3℃，管径为0.02m，管长为1.5m，纵向管间距为0.035m，二次空气流速为2.8m/s，一次空气流速为2.0m/s时计算出的换热效率随横向管间距的变化关系图。可以看出，横向管间距在0.030m（横向、纵向管间距比为0.86）时，换热效率最大。

图12 北京地区横向管间距对换热效率的影响Fig.12 The effects of horizontal tube spacing on the cooling efficiency in Beijing area

分析：北京地区，纵向管间距为0.035m，横向管间距在0.030m时，换热效率最大。

3 典型地区换热器管管径变化对换热效率的影响

3.1 新疆吐鲁番地区换热器管管径对换热效率的影响

图13 吐鲁番地区换热管管径对换热效率的影响Fig.13 The effects of heat exchange tube diameter on the cooling efficiency in Turpan area

图13是新疆吐鲁番地区一、二次空气均为室外新风，空气进口干球温度为40.3℃，湿球温度为24.2℃，管径为0.02m，管长为1.5m，纵向管间距为0.035m，横向管间距为0.30m，二次空气流速为2.8m/s，一次空气流速为4.0m/s时计算出的换热效率随管径的变化关系图。可以看出，换热管管径为0.02m（换热管管径与纵向管间距比为0.57）时，换热效率最大。

3.2 西安地区换热器管径对换热效率的影响

图14是西安地区一、二次空气均为室外新风，空气进口干球温度为35.1℃，湿球温度为25.8℃，管径为0.02m，管长为1.5m，纵向管间距为0.035m，横向管间为0.030m，二次空气流速为2.8m/s，一次空气流速为3.0m/s时计算出的换热效率随换热管管径的变化关系图。可以看出，换热管管径为0.02m（换热管管径与纵向管间距比为0.57）时，换热效率最大。

图14 西安地区换热管管径对换热效率的影响Fig.14 The effects of heat exchange tube diameter on the cooling efficiency in Xi’an area

3.3 北京地区换热器管径对换热效率的影响

图15 北京地区换热管管径对换热效率的影响Fig.15 The effects of heat exchange tube diameter on the cooling efficiency in Beijing area

图15是北京地区一、二次空气均为室外新风，空气进口干球温度为33.6℃，湿球温度为26.3℃，管径为0.02m，管长为1.5m，横向管间距为0.035m，二次空气流速为2.8m/s，一次空气流速为2.0m/s时计算出的换热效率随纵向管间距的变化关系图。可以看出，纵向管间距为0.035m时，换热效率最大。

4 结论

本文通过模拟计算，得到了管式间接蒸发空气冷却器用于吐鲁番、西安、北京适宜的工作参数和几何参数。结论如下：

（1）西安地区，一、二次空气质量流量比在0.38左右时，冷却效率最大；吐鲁番地区，一、二次空气质量流量比在0.35左右时，冷却效率最大；北京地区，一、二次空气质量流量比在0.17左右时，冷却效率最大。

（2）新疆、兰州、北京等典型地区换热管横、纵向管间距比为0.86时，冷却效率也是最大，这与文献[7]中非典型地区结果一致。

（3）新疆、兰州、北京等典型地区换热管管径与纵向管间距比为0.57时，冷却效率也是最大，这与文献[7]中非典型地区结果一致。