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叉流板式間接蒸發冷卻換熱器的實驗研究點擊：2214 日期：[ 2014-04-26 21:14:32 ] |
| 叉流板式間接蒸發冷卻換熱器的實驗研究 趙振生1任承欽1涂敏2曾陽1王華輝3 (1·湖南大學機械與運載工程學院長沙410082；2·湖南大學土木工程學院長沙410082；3·機械工業部第四設計研究院洛陽471000) 摘要：利用自制實驗臺，在前期實驗工作的基礎上，對叉流板式間接蒸發冷卻器進行了實驗研究。發現換熱器兩側空氣的流量比、流量大小對換熱器的效率有著重要影響。影響趨勢在干工況與濕工況下又有所不同，這是因為換熱器中兩流體的熱容量之比發生了很大變化。實驗結果表明：干工況下，換熱器的摩擦阻力系數大于按層流理論公式計算所得的值，層流向湍流過渡的雷諾數為1200左右；噴水情況下二次空氣側的阻力系數遠大于干工況下的阻力系數，約為干工況下的2.5到3倍之間。分析結果可以對換熱器的優化設計提供一定的參考和幫助。 關鍵詞：熱工學；間接蒸發冷卻；板式換熱器；阻力特性；換熱效率 中圖分類號：TB657.5文獻標識碼：A 隨著社會的發展，空調技術在生產與生活中得到了越來越廣泛的應用，其消耗的能源在社會總能耗中占有相當大的比例。因此，開展空調節能技術的研究成為一個重要課題。間接蒸發冷卻技術是利用水在未飽和二次空氣中蒸發吸熱，從而間接冷卻一次空氣來實現制冷的。這種方式無污染、能耗少，在我國空調領域中有著廣闊的應用前景[1]。國內外很多學者對間接蒸發冷卻器進行了深入的研究。Pescod[2-3]開發出了一種以銅絲擾流的叉流板式換熱器，隨后又提出一種帶尖狀物的換熱器，并分別進行了實驗研究。Peterson[4]等對一個用于新風預冷的板式間接蒸發冷卻器進行了性能測試。丁良士[5]等研制出了一種帶弧形表面凸起物的換熱板組成的板式間接蒸發冷卻換熱器。陳偉琳[6]等對三種低肋擾流絲網強化結構進行了對比實驗。黃翔[7]等從另外的角度入手，設計了采用功能性纖維套、鋁箔橢圓管和間歇性供水方式等強化傳熱措施的間接蒸發冷卻結構。郭新川[8]等提出一種波紋絲網換熱表面并進行了實驗研究。 文章在前期實驗研究工作[9-10]的基礎上首先對實驗裝置進行了改進以提高測量準確性，然后探討了自制叉流板式間接蒸發冷卻換熱器在多種工況下的實驗性能，對該種換熱器阻力特性及換熱效率的影響因素做出了分析，可為換熱器設計提供參考。 1·實驗介紹 間接蒸發冷卻換熱器有兩個相互垂直的通道，一個是一次空氣通道，此通道中的空氣不與水膜相接觸，在整個傳熱過程中溫度降低，但濕度不變(在不發生冷凝的情況下)；一個是二次空氣通道，二次空氣在這個通道中與水膜相接觸，發生熱質交換，二次空氣濕度增加，溫度降低，通過兩通道之間的金屬板吸收一次通道側的熱量。實驗系統中的換熱器芯體寬高均為400mm，厚度為230mm，每個通道寬為3mm，一次空氣通道與二次空氣通道均為30個，換熱器兩邊用聚本乙烯材料的蓋板夾蓋，絕熱效果好，內部的換熱板為不銹鋼材料，如圖1。 實驗系統利用部分冷卻后的一次風作為二次風，一次風與二次風的風量都可以通過閥門進行調節。各風道溫度可分別通過調節風道上的電加熱器功率進行調節，溫度統一使用鉑電阻溫度計測量。一次空氣與二次空氣的流量分別由安裝在管道中的電加熱器功率與其兩側的溫度變化求得，當關閉水平支管上的閥門時，可達到一次風量與二次風量相等的工況。壓力差使用傾斜式微壓計直接測量，在分析摩擦阻力時減去進出口的局部阻力。為了降低測溫誤差及提高流量計算的準確性，電加熱器由原來的光管式改為肋管式，換熱面積大幅提高。該改進措施降低了加熱器表面溫度，從而降低了對測溫傳感器的輻射影響，同時提高了加熱器下游斷面氣流溫度的均勻性。 實驗過程中，先將換熱器在不噴水情況下的各種工況數據測出，這樣做的目的一是為了比較換熱器干濕工況性能的差別，二是為了利用干工況下的數據得到一次空氣的壓差與流量的關系式，便于在濕工況下利用熱平衡原理計算二次空氣流量，因為在濕工況下利用加熱器功率來計算二次空氣流量的方法不再適用。 2·資料整理 主要對板式換熱器的阻力特性及其效能的影響因素做出分析。 2.1換熱器效能的計算 計算方法：根據文獻[11]將換熱器效能定義為“小熱容量流體的進出口溫度差與冷熱流體進口溫度差之比”，即效能反映了換熱器里冷熱流體進口溫度差的利用率。因此，可采用以下公式來計算換熱器的換熱效能： 當一次流體的熱容量較小時， 因為實驗中二次空氣流量小于一次空氣流量，所以干工況時二次空氣熱容量較小，采用公式(1b)計算效率。在濕工況時，根據文獻[12]采用的方法，二次空氣側采用濕球溫度計算效率，其比熱按照焓值對濕球溫度變化的平均值來計算，效率計算時采用公式(1a)。 2.2雷諾數與摩擦系數的關系討論 雷諾數采用下式計算：Re=ude/v(2) 式中：de——水力當量直徑，de=2ab/(a+b)； 3·換熱器的阻力特性分析 實驗換熱器的通道高寬比較大，沿程阻力系數采用公式(4)計算，其中值為0.0545。在對流態的分析中，仍以文獻[14]中莫迪圖的曲線特征作為參照。 由圖3可知，在換熱器中，隨著雷諾數的增加，摩擦系數先呈下降趨勢，實際摩擦阻力系數比理論計算的結果要大，此時二者相對誤差值約在50%到80%之間，規律上看，在雷諾數為1100之前，摩擦阻力系數隨著雷諾數的增加而減小，數據點的變化近似理論公式的變化趨勢，應為層流情況。在雷諾數接近1200時，摩擦阻力系數陡然增加，對比莫迪圖，應屬于臨界區的特點，之后，摩擦阻力系數隨雷諾數的增加而緩慢減小，流態應屬于紊流狀態。與文獻[15]中的結果相比較，發現臨界雷諾數提前，且摩擦阻力系數相對較大。如圖4所示，在噴水情況下，二次風道的阻力大大增加，約為干工況下的阻力的2.5倍到3倍之間，可以看出，從上而下的水膜與水霧大大增加了二次通道的阻力。 4·換熱器效率分析 由圖5可以看出，干工況下換熱器的效率隨著二次空氣與一次空氣流量之比的增加而減小。而在濕工況下(如圖6所示)，換熱器的效率隨著流量比的增加而增加。這兩種現象都可以用換熱器中兩種流體的熱容量之比來解釋：干工況下二次空氣熱容量小于一次空氣熱容量，所以流量比的增加使得熱容量比增加，導致換熱效率減??；濕工況下二次空氣熱容量大于一次空氣熱容量，故流量比的增加導致了熱容量比的減小，所以換熱效率增加。因此，通道兩側流體的熱容量比是影響到換熱器效率的重要因素。 圖7示出了干工況下換熱器效能隨一、二次空氣流量的變化關系。在一次空氣流量維持不變的情況下，二次空氣流量的增加將導致效率的降低，這種情況與圖5中流量比的變化與效能的關系相吻合。在二次空氣流量小于0.06kg/s時，一次空氣的流量變化對效能影響很??；大于0.06kg/s時，隨著一次空氣流量的增加，效能也呈增加趨勢。在換熱器中，增大較大熱容量流體的熱容量或減小較小熱容量流體的熱容量，都可以增大換熱器效能。在干工況下，二次空氣熱容量小于一次空氣熱容量，故減小二次空氣流量或增大一次空氣流量都可以導致換熱器效率的增加。 圖8示出了濕工況下換熱器效能隨一、二次空氣流量的變化關系。在一次空氣流量不變的情況下，換熱效能隨著二次空氣流量的增加而增加，但其增加的幅度隨著效能達到較大值而趨緩。原因是二次空氣流量的增加使二次流道側的蒸發冷卻效果更好，使換熱板保持較低的溫度。在二次空氣流量不變時，換熱效能隨著一次空氣流量的增加而減小。從熱容量的角度來考慮，在濕工況中，二次空氣為熱容量較大的流體，所以增加二次空氣流量或減小一次空氣流量都將導致熱容量比減小，從而使換熱效能增加。 5·結語 實驗系統中所使用的板式換熱器在干工況下的阻力大于用大高寬比的層流理論公式的計算結果，理論值與實驗值的誤差介于50%到80%之間。而濕工況下的阻力也遠大于干工況的阻力，在相同速度時，濕工況阻力是干工況阻力的2.5到3倍之間。根據實驗結果，換熱器的臨界雷諾數為1200左右。 二次空氣與一次空氣之流量比是影響換熱器效率的重要因素，且在干工況與濕工況下的影響趨勢相反，這說明兩流體的熱容量之比對換熱有著重要影響。 一次空氣與二次空氣的流量，對換熱器效率也有重要影響。一方面，在流道尺寸不變的情況下，一次空氣流量的增加導致了流速的增加，減少了換熱時間，對換熱起負面影響。另一方面，二次空氣流量的增加增強了水的汽化過程，提高了換熱效率。同時，流量的變化也對兩通道的熱容量之比產生影響，從而影響換熱效率。 參考文獻：略 |
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