洁净室中蒸发冷却利用研究

1 洁净室蒸发冷却技术

1.1洁净室 蒸发冷却技术简介

所谓蒸发冷却（Evaporative Cooling）就是利用水分的蒸发来降低空气的干球温度，这是一种早已为人所知的降温方法。根据一次空气和水是否接触，蒸发冷却可分为直接蒸发冷却和间接蒸发冷却。水在空气中具有蒸发能力。由于蒸发冷却过程是以水作为制冷剂的，不使用CFCs，所以对大气环境无污染，而且可直接采用全新风，极大地改善了洁净室内空气品质。

1.2 蒸发冷却技术的发展及其研究现状

“空调之父”开利（Willis H.Carrier）博士受自然界降雨过程的启发，提出喷水室人工微气候设想。至此，蒸发冷却技术的研究和应用已有近100年的发展历史。在美国西南部和澳大利亚等地区，蒸发冷却广泛应用于工业（如纺织厂、制鞋厂）、农业（如养殖厂）、公共与民用建筑（如体育馆、展览厅）及家居、流动陈列箱等其他方面的空气调节中。在美国，已成立“蒸发冷却协会”（The EvaporativeCooling Institute,简称 ECI）。这一组织积极提倡应用蒸发冷却技术，收集并出版蒸发冷却系统的应用、安装、运行与维护数据，发布规范、标准，肯定并奖励对蒸发冷却进行研究，以此来推广蒸发冷却设备在全世界的应用。在我国，将蒸发冷却空调技术作为自然冷源替代人工冷源的研究早在 20 世纪 60年代已引起国内学者的关注。进入 21 世纪，西安工程大学以黄翔老师为领头人的蒸发冷却团队对蒸发冷却空调技术进行了大量的实验研究和推广应用工作，并取得了可喜的成绩。目前，蒸发冷却空调技术已经在新疆、甘肃、宁夏、青海等西北地区以及广东、福建、浙江等沿海地区得到推广应用。

2 蒸发冷却中的数值模拟研究现状

2.1 数值模拟技术

Fluent 是一种最常用的数值模拟技术，是用于计算流体流动和传热问题的程序，是目前市场占有率最大的 CFD 软件包，在美国的市场占有率为60%。FLUENT 是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序。它提供了完全的网格灵活性，你可以使用非结构网格，例如二维三角形或四边形网格、三维四面体/六面体/金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动。甚至可以用混合型非结构网格。这种软件允许你根据解的具体情况对网格进行修改（细化 / 粗化）。对于大梯度区域，如自由剪切层和边界层，为了非常准确地预测流动，自适应网格是非常有用的。与结构网格和块结构网格相比，这一特点很明显地减少了产生“好”网格所需要的时间。对于给定精度，解适应细化方法使网格细化方法变得很简单，并且减少了计算量。其原因在于网格细化仅限于那些需要更多网格的解域。FLUENT 是用 C语言写的，因此具有很大的灵活性与能力。因此，动态内存分配，高效数据结构，灵活的解控制都是可能的。除此之外，为了高效的执行，交互的控制，以及灵活的适应各种机器与操作系统，FLUENT 使用 client/server 结构，因此它允许同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序。在 FLUENT 中，解的计算与显示可以通过交互界面，菜单界面来完成。利用fluent完成一个流体流动与传热问题的计算流程为：首先利用Gambit或者其他前处理器完成模拟对象几何结构的建模以及计算网格的生成与划分，然后将网格导入到 fluent中进行求解计算，最后对计算结果进行处理和分析。

2.2 蒸发冷却中的数值模拟研究现状

国内针对蒸发冷却的理论研究起步较早，也很重视，其研究成果的理论深度和广度处于国际领先水平，由于其涉及到流体力学传热学的蒸发相变和两相流问题，无论从理论还是实验角度进行研究都有一定的限制，而且可能需要昂贵的实验费用。由于受到外界条件的干扰，实验效果会随着外界多种因素发生变化，实验结果往往并不准确、稳定，而数值模拟不受外界条件干扰，模拟结果较稳定、成本低且能模拟较复杂或较理想的过程，对我们的实

际工程有一定的指导作用。

X.Zhao等对一种新型的逆流露点式蒸发冷却器进行了数值研究。数值结果表明，冷却效率与空气通道的几何尺寸、空气流速有很大的相关性，而与淋水温度相关性较小，吸入口空气的流速应控制在0.3 m/s~0.5 m/s[^3]。Riffat 等对多孔陶瓷热管式间接蒸发冷却器建立了数学模型，并进行了数值模拟和热阻分析，将计算结果与实验值进行了比较，模拟的结果能够优化多孔陶瓷管式间接蒸发冷却器设计^{[4 ]}。武俊梅，黄翔、张华对直接蒸发冷却器中的传热、传质过程进行了数值模拟研究。提出了将蒸发产生的水蒸汽及伴随而来的动量、和蒸发潜热作为源项加入到空气的连续性方程、动量方程、能量方程中，空气的湍流模型中当量粘性系数采用经验公式^[5]。Yan Wei-Mon 对通道内降膜蒸发冷却的对流传热传质进行了数值研究。通过同时用数值方法研究液膜与空气之间的质量、动量、能量控制方程，并考虑对空气使用了低雷诺数 k-e 湍流模型。结果表明潜热传递占整个热量传递的主要部分，提高入口液膜温度和降低液膜质量流率以及提高空气流动的雷诺数，均有助于提高冷却效率^[6]。

同济大学的杨建坤、张旭、徐琳对长5 m、宽4 m、高 3 m 的蒸发冷却空调房间的气流组织进行了数值模拟，主要针对房间的三维温度场、速度场以及热舒适指标进行了模拟。结果表明：蒸发冷却空调器能够有效地改善室内热环境，使在通风和空气调节方面满足人体的热舒适要求，并且在常规满足最不利条件时空调要求的设计方案，适用于蒸发冷却空调的设计^[7]。湖南科技大学的段满清以直接蒸发冷却器为研究对象，通过模拟得出直接蒸发冷却器工作性能的影响因素以及影响规律，所得出的结论如下：填料厚度和迎面风速能够直接影响到直接蒸发冷却器的工作性能，其中温降、加湿量以及冷却效率会随着填料厚度的增加而增大，随着迎面风速的提高而减小，而入口空气干湿球温度及相对湿度对直接蒸发冷却器的冷却效率无多大影响，但被处理的空气如果其干湿球温度差增加了，它的温降和加湿量就会随之增大^[8]。西安工程大学的杜鹃从理论分析和数值模拟两个方面对直接蒸发冷却系统的传热传质进行了研究，得出了直接蒸发冷却空调机的热工计算方法，并找出了直接蒸发冷却空调机的冷却效率与其影响因素之间的定量关系，为进一步优选填料和优化蒸发冷却空调机的工作条件提供了依据，并通过模拟测试可以直观的看出各影响因素对直接蒸发冷却系统工作性能及被处理空气状态变化的影响规律，而且通过对西北四个城市使用直接蒸发冷却空调机的温降效果进行模拟测试并绘出测试曲线，这些都可以为实际工程提供参考和指导^[9]。香港大学的Y.J.Dai和K.Sumathy对采用波纹纸作为填料的交叉流动直接蒸发冷却器进行了理论研究。对直接蒸发冷却器内向下流动的水膜和湿空气间复杂的传热传质过程进行了分析，提出了数学模型，该模型包括水膜和空气及水－空气界面间的控制方程。在不变的入口空气状态参数条件下，对气流通道中空气的温度和含湿量的变化、系统尺寸的影响等分别进行了讨论^[10]。S.P.Fisenko 等人提出了自然通风冷却塔中水的蒸发冷却的数学模型。该模型包括两个相关的边界值问题，分别描述了冷却塔喷淋区水滴的蒸发冷却和填料层水膜的冷却，并对这两个边界值问题进行了模拟^{[ 1 1 ]}。Cracow科技大学的Wojciech Zalewski和Piotr Antoni

Gryglaszewski 对蒸发式流体冷却器（evaporativefluid coolers）内部的传热传质过程进行讨论，提出了水与空气逆流流动来冷却管式盘管中流体的新数学模型。该模型包括四个常微分方程及其边界条件，还有其他一些相关的代数方程^[12]。Boris Halasz对蒸发冷却设备进行研究，提出了一种通用无量纲数学模型，可以描述各种类型蒸发冷却设备（冷却塔、蒸发式冷凝器、蒸发式冷却器、加湿盘管等）的传热传质过程。该模型通过引入无量纲坐标及参数，并用直线型的空气饱和线来代替实际的空气饱和线，将微分方程组转化成了纯无量纲形式 。这样，不仅整个过程的描述变得非常简单，而且设备的整体性能也能通过几个参数或图表表示出来。该模型为蒸发冷却设备的研究提供了一定的理论基础。另外，Boris Halasz还专门针对冷却塔提出了一种通用无量纲数学模型。^[13]Bilal A.Qrueshi等对蒸发式冷却器与蒸发式冷凝器的传热传质过程建立了数学模型，模型中还包含了管外污垢的生长模型。并用实验结果验证了模型的正确性。利用污垢的生长模型预测了污垢热阻对换热器传热性能的影响。结果表明：随着时间的推移，污垢使换热器的换热效率下降了66.7%^[14]。

3 结语

鉴于蒸发冷却的种种优点，国内外关于蒸发冷却的研究及应用已经有一定的进展，但从总体研究现状来看，目前还是以实验研究与理论分析为主。由于其过程热质交换较为复杂，理论研究还不够完善。在国内，还缺乏真正从数值模拟的角度对蒸发冷却的传热传质过程进行的研究。而往往实验研究由于外界因素的影响其实验数据不够稳定、准确，并且可能消耗昂贵的实验费用，而数值模拟不受外界因素的影响，可以得到稳定的实验数据并可直接绘出在各影响因素下的温度、湿度、冷却效率等变化曲线，可以直观的为实际应用提供参考依据，同时省掉了很大一部分实验费用。数值模拟具有费用低、周期短、信息量大，能够充分反映几何形状的影响程度等特点。但目前数值模拟技术还没有真正达到用于优化设计结构的程度，虽然几何模型由简单模型发展到趋于实际模型，流体流动分析计算精度逐步提高，国内外研究者在二维以及多维数值模拟计算蒸发冷却工作过程方面也取得了很大的成绩，但仍存在很多问题，如：三维的计算还很不完善，复杂边界的处理很粗糙，对网格处理进行了简化，模型比较简单；一系列CFD软件的模拟计算结果经试验验证的不多，并且如何运用这些软件实现逆命题的研究尚未实现等等。所以我们必须不断加强对数值模拟方面的学习与研究、拓宽研究范围，为实际工程提供可靠的实验数据，并起到一定的指导作用 。