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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 Pa b1,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） 含湿量 kg/kg g 重力加速度 m/s2 Ka 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 室内工况点 O 送风点 pq 湿空气中的水蒸气分压力 Pa qv 能量源项，即空气与水膜的热交换率 W/m3 Sx x方向动量方程源项，由质量源项产生 Sy y方向动量方程源项，由质量源项产生 T t+273.15 K t 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/s v 速度 m/s W 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 /m2 ρ 密度 kg/m3 τ 时间 s Γ 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。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2，3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