2026/6/9
来源：《制冷》2026年1月文章编号:ISSN1005-9180(2026)01-0080-04
徐杰，满余，李燕，李国铭，林峰磊
（广东申菱环境系统股份有限公司，广东申菱专业环境系统企业重点实验室，广东佛山，528000）
摘要： 本文为了改善干冷器在低温环境下的管束冻裂情况，以低温地区停机状态干冷器为例，结合CFD耦合辐射放热模型，研究挡板上布置电加热方式对干冷器防冻效果的影响。研究结果表明，在低温工况下挡板处增加电加热方案使41.17%换热盘管空气域温度高于冰点温度，减少了干冷器停机状态下管束结冰概率。干冷器所需加热功率随进口风速的增加而增加，因此结合干冷器进口初始风速匹配合理的电加热布置方式能够显著改善干冷器的防冻性能。
关键词： 干冷器；加热装置；速度场；温度场；防冻
中图分类号： TK1 文献标志码： A doi:10.3969/J.ISSN.1005-9180.2026.01.0016
XU Jie, MAN Yu, LI Yan, LI Guoming, LIN Fenglei
(Guangdong Shenling Environmental System Co., Ltd., Guangdong Shenling Key Laboratory of Professional Environmental System Enterprises, Foshan 528000, China)
Abstract: In this paper, in order to improve the frost cracking at the dry cooler tube bundle in low temperature environment. Taking the dry cooler in shutdown state as an example, combined with CFD coupled radiation heat release model, the influence of electric heating mode on the anti-freezing effect of dry cooler has been studied. The results showed that under low temperature conditions, the electric heating scheme at the baffle made 41.17% of the air domain temperature of the heat exchange coil higher than the freezing point temperature, and reduced the icing probability of the tube bundle under the shutdown state. The heating power required by the dry cooler increased with the increase of the inlet velocity. Therefore, the reasonable electric heating arrangement combined with the initial inlet wind speed of the dry cooler can significantly improve the anti-freezing performance of the dry cooler.
Key words: Dry Cooler; Heating Device; Velocity Field; Temperature Field; Antifreeze
近年来，随着绿色可持续能源发展政策的发布和市场对节能型数据中心、低能耗空调冷却系统以及自然冷却系统等需求量加大[1-2]，干冷器作为一种用水量少且有效减少机械制冷能耗，提高机组能源效率的热交换设备，广泛应用于电力、化工、制冷等领域。在数据中心领域，随着数据量的爆发式增长以及对能源效率和环保要求的日益提高，干冷器无需大量水资源即可实现高效散热的特性，使其成为保障数据中心稳定运行的关键设备之一[3]。康楠等人以哈尔滨云数据中心DC1机房楼为例进行对比分析，相比于传统制冷运行模式，采用干冷器的自然冷却空调系统年节电率达31%，节水率达21%，具有良好的节能效益[4-5]。王泽青等人通过收集全国各地区气象分布及变化，得出干冷器在全国的应用范围广，具有巨大的节能潜力，还分析出干冷器的设计参数如：送风温度、设备内部的换热温差等对干冷器有效冷却时长和能耗降低具有重要影响[6]。
然而，干冷器在实际应用过程中仍有不足[7-9]，在寒冷地区或低温工况下，干冷器在待机或刚开启状态时容易出现结冰现象[10]，这一现象导致干冷器换热效率大幅降低，热量无法及时有效地散发出去，同时干扰了干冷器内部空气对流均匀分布，进而影响整个冷却系统的性能。其次，内部管束结冰还会导致局部过热或过冷，严重时出现冻裂现象，缩短设备的使用寿命。传统的防冻方法如间隙运行、喷淋防冻液、增加保温层厚度等减少管束冻结程度有限[11]，并存在能耗高、可控性差等缺陷[12]。为了解决上述问题，研究干冷器的加热方案显得尤为重要，合理的加热方案能够有效防止干冷器结冰，使其在低温环境下依然保持良好的换热性能和运行状态。
目前，针对干冷器加热方案及其内部温度、速度分布的研究分析较少。基于此，本文提出一种在防水挡板处增加加热装置的干冷器设备，结合CFD软件，对流通30%乙二醇载冷剂的干冷器内部温度、速度现象进行描述，深入研究在挡板上布置加热器对干冷器防冻问题的作用和干冷器内速度场分布与温度分布的耦合影响，旨在为优化干冷器设计提供科学依据，推动干冷器在更广泛的领域中发挥作用。
以一组盘管的干冷器为例，干冷器主要部件如图1所示，该装置由管束和翅片组成换热盘管组、框架、防水挡板、湿膜、百叶以及风机等部件组成。干冷器利用空气作为冷却介质，通过轴流风机在干冷器上方运行，形成由下至上的空气流动方向，管内高温流体与管外空气之间的热交换，实现对高温流体的冷却。当机组处于刚开机、待机状态或者环境温度较低时，管内流体温度可能降低至冰点以下，导致管内或管外结冰，从而引发防冻问题。根据干冷器内冷却介质温度分布特点，提出在靠近防水挡板处的区域布置电加热作为加热热源，以迅速加热被湿膜降温的空气介质温度，提升换热盘管空气域温度。
防冻干冷器工况设计参数要求及其结构设计参数分别如表1、表2所示。考虑到计算精度和效率，对干冷器模型进行部分简化，忽略框架部件以及翅片的影响，采用三排交错排列的圆形铜管。此外，考虑到冻结现象更多存在于待机状态，假设管内换热介质静止不动。同时，由于计算模型呈对称式，选取一侧的管束和翅片组成的换热盘管组作为研究对象，其余部分采用镜像展示，以减少计算量。
[图1 干冷器几何模型]
表1 防冻干冷器工况设计参数
表2 防冻干冷器结构设计参数
干冷器空气域内对流介质遵循流体基础方程，其连续性方程和动量方程分别由公式（1）和公式（2）表示[13]：
空气介质域中能量方程由公式（3）表示：
式中，Cp,f 为空气比热，J/(kg·K)；Tf 为空气介质温度，K；kf 为导热系数，W/(m·K)；qelec 为电加热热源项。
干冷器内的传热过程包括管内流体与管壁的对流换热、管壁与外部空气的对流换热和辐射换热，对流换热由公式（4）-（5）描述：
式中，qin 为热流密度，J/(m2·s)；hin 为对流换热系数，W/(m2·K)；Tw 为盘管壁面温度，K；Nu 为努塞尔数；din 为换热管内径，mm。
根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律求解电加热装置的辐射换热，由公式（6）表示：
图2显示了在干冷器停机状态下风速0.5 m/s、风温-38℃的工况下，干冷器内速度场分布云图。如图2所示，由于挡板的影响，进口区域存在低风速涡流区域，34.37%换热盘管域内空气介质速度处于0.1-0.39 m/s，65.63%换热盘管域内空气对流充分横掠壁面，该域内空气介质速度为0.89-1.18 m/s。干冷器内风速最高点位于出风口区域，达到2.22 m/s。
初始工况下干冷器内温度场分布如图3所示，已知体积浓度为30%的乙二醇溶液在100.7KPa下冰点为-16.2℃，在此，设置超过-15℃的温度区域为空白区域（<-15℃以确保乙二醇溶液呈液态），以便着重观察低温区域。如图3（a）所示，在加热装置辐射影响下，41.17%换热盘管空气域温度已超过-15℃，表明在停机状态下，增添电加热补热装置显著提高进口区域内换热盘管壁面温度，电加热装置附近温度明显升高，形成一个高温区域，随着热量的传递，高温区域逐渐向周围扩散，减少干冷器在低温工况下待机状态时管束结冰概率。受不均匀速度场分布的影响，干冷器内部温度分布呈现出明显的差异，在挡板后的低风速区域，由于空气流动缓慢，热量积聚，导致该区域温度较高，而两侧高风速区域及干冷器出口区域，空气快速流动带走热量，使得温度相对较低。干冷器内速度场和温度场相互耦合，产生复杂热质传递过程。结合图3（b）中右侧换热盘管管内温度分布图，可以发现换热管内流体温度区域仍存在低于-15℃的现象，管内最低温度为-34.14℃，位于出口处换热管束内侧处位置。这一低温区域的存在对换热管内流体产生负面影响，易导致干冷器在停机状态下管内载冷剂结冰、涨管导致换热管冰裂，目前针对多种工况下干冷器防冻方案仍在不断改善。
[图2 进口风速0.5m/s工况下干冷器内速度场分布]
在2.1小节中，已知在电加热最高发热功率为5,100W时，进口风速为0.1 m/s满足防冻需求。为了适应多种不同的使用环境，分析出不同进口风速工况下满足换热管管内温度保持-15℃以上的电加热功率，如图4所示，分别计算进口风速为0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s、2 m/s、2.5 m/s、3 m/s工况下保证干冷器换热管内最低温度高于-15℃时所需的发热功率。由图4可知，随着进口风速的增加，干冷器加热装置所需的电加热功率提高，这一结果与以上模拟分析预期一致，因为较高的进口风速增强了空气与换热盘管之间的对流换热，导致更多的热量被带走，从而需要更大的电加热功率来维持换热盘管表面的温度。通过回归分析得到加热功率 Pc 和初始进口速率v0 的关系式为：
当初始进口风速为3 m/s时，电加热装置所需功率为81,000W，较0.5 m/s工况（20,000W）增加了305%。因此在初始进口风速较高的情况下，若为了满足干冷器的防冻需求，使用全电加热装置来提高盘管温度会导致机组整体能耗增加，经济性显著下降，可以考虑采用其他辅助防冻措施共同作用。
[图4 满足不同进口风速下的干冷器防冻加热装置所需功率曲线图]
本研究针对停机状态下带电加热装置的防冻干冷器内部换热盘管温度分布改善情况进行分析，重点分析了电加热装置对干冷器防冻性能的影响。研究结果表明，在初始进口风速0.5 m/s工况下，挡板增加电加热装置后41.17%换热盘管空气域温度已达到-15℃，电加热装置附近区域温度明显升高，形成了一个高温区域，有效提升了盘管表面温度，减少换热盘管表面的结冰现象。随着进口空气风速的增加，干冷器所需的电加热功率显著增加，导致系统能耗的上升，进口风速从0.5 m/s增加至3 m/s时能耗提升达305%，因此在实际应用中需要综合考虑防冻效果和能源消耗，选择合适的进口风速和电加热功率。
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