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濕風冷卻翅片管式換熱器性能的研究點擊：2059 日期：[ 2014-04-26 21:35:55 ] |
| 濕風冷卻翅片管式換熱器性能的研究 呂金虎,沈向陽,李金成,陳嘉澍 (仲愷農業工程學院機電工程學院,廣東廣州510225) 摘要:針對在夏季的高溫、強輻射等惡劣氣候條件下使用翅片管式冷凝器的分體式空調器經常出現換熱能力不足的問題,提出了采用濕簾加濕產生濕風來改善空調器冷凝換熱效果的措施,并對濕風冷卻翅片管式換熱器的性能進行了試驗.結果表明,濕風冷卻可提高翅片管式換熱器的冷卻效果,在環境溫度為30℃時,濕風冷卻換熱器換熱量的增幅最小也達18%,且隨著環境溫度的增大,換熱量增幅也增大;在環境溫度為38℃時,換熱量的增幅可達40%;淋水填料的降溫隨環境溫度的增大而增大,換熱器的風量隨填料厚度的增加而減小,對于100 mm淋水填料,換熱器的風量減小22·6%. 關鍵詞:濕風冷卻;翅片管式換熱器;濕簾 中圖分類號:TB657·5 文獻標識碼: A 文章編號: 1674-5663(2010)03-0057-04 1 引言 翅片管式冷凝器使用空氣作為冷卻介質,采用強制對流換熱.冷凝器進口空氣溫度對冷凝器的換熱性能具有較大的影響,尤其是在夏季強輻射高溫環境下,冷凝器的換熱性能很差,往往影響到系統的正常工作.空調器的室外機組即壓縮冷凝機組在炎熱的夏季常常不可避免地在陽光下暴曬,特別是酷暑的中午時段,往往由于進入冷凝器的空氣溫度過高,引起冷凝溫度與冷凝壓力升高,導致空調器的制冷效果降低,嚴重時,還會引起冷凝壓力過高而保護停機、壓縮機過熱停機甚至燒毀等故障.這種惡劣環境條件引起的空調器的失效與故障不只是在熱帶、亞熱帶地區易于出現,在溫帶的高原地區、沙漠地區的酷暑時候也會出現. 在夏季高溫時雖然氣溫可達39℃,但空氣的相對濕度卻僅為60%左右,而且在半干旱、干旱與沙漠地區,空氣的相對濕度更低.室外空氣屬于未飽和空氣,將這種未飽和的空氣與水膜接觸,通過近似等焓加濕過程而使未飽和的空氣增濕,可使環境空氣的干球溫度降低.在環境干球溫度為32℃,相對濕度為61%時,采用100 mm厚的CELDEK5090型紙質填料(瑞典蒙特公司生產的直接蒸發冷卻式空調機的出風干球溫度為26·℃,相對濕度為94%,降溫溫差可達5·3℃[1].由于目前分體式空調器室外機組的冷凝器通常采用翅片管式換熱器,管內的制冷劑與管外空氣進行的熱交換是溫差引起的風機作用下的強制對流換熱,因此,采用濕簾等焓加濕冷卻可有效地降低空調器冷凝器進口空氣的干球溫度,增加冷凝器的換熱效率,從而改善冷凝器在強輻射高溫環境下的冷凝效果. 將進入空調器冷凝器之前的未飽和空氣進行加濕降溫處理,這種處理后的空氣稱之為濕風[2],相應地,用濕風來冷卻的翅片管式冷凝器就稱之為濕風冷卻翅片管式換熱器. 顯然,在不改變空調器的冷凝器與冷凝風機的情況下,增加濕簾等焓加濕系統后,冷凝器進口空氣溫度會降低,這有利于提高冷凝器的換熱量.但濕簾也會增加風阻,使得冷凝器的風量會減少,從而使冷凝器的換熱量降低.那么這兩個因素作用的結果使得冷凝器的換熱量是否能得到有效提高,還未見有相關研究公開報道,為此作者對采用濕風冷卻的翅片管式換熱器的性能進行試驗,以期為其應用和研究提供參考. 2 理論分析 濕風冷卻翅片管式換熱器是由翅片管式換熱器、填料(又稱濕簾)、水噴淋系統和風機等組成(圖1). 水噴淋系統是由水泵、水管、噴水管、填料和集水槽等組成.工作時水泵將水噴淋到填料上使填料濕潤,并在填料的通道中形成水膜,環境空氣在風機的作用下通過填料,在填料中空氣與水進行熱質交換,由于進口空氣的相對濕度較低,部分水蒸發吸熱使空氣得到冷卻,溫度降低,然后通過翅片管式換熱器與所需冷卻的介質換熱,溫度升高后經風機排出. 2·1 空氣的等焓加濕冷卻過程 空氣在填料中的冷卻過程可由圖2表示. 與1點空氣的干球溫度t1和濕球溫度ts相對應的是濕空氣的水蒸汽分壓力p和飽和水蒸汽分壓力ps,溫差t1-ts和壓差ps-p是空氣與水膜之間進行熱質交換的動力.在溫差t1-ts的作用下,空氣向水傳熱,空氣因失去顯熱而溫度下降,在水蒸汽壓差ps-p的作用下,水分蒸發而進入空氣中,空氣得到汽化潛熱而被加濕,整個過程空氣的焓值基本不變,因此將空氣在填料中的冷卻過程稱為等焓加濕過程.顯然t1-ts和ps-p的差值愈大,空氣與水膜之間的傳熱傳質效果愈好. 為了反映空氣在填料中的冷卻效果,采用冷卻效率衡量空氣與水之間傳熱交換的完善程度.冷卻效率η為: 式中:η為冷卻效率(% ); t1為填料進口空氣的干球溫度(℃); ts為填料進口空氣的濕球溫度(℃); t2為填料出口空氣的干球溫度(℃). 2·2 換熱量計算 (1)無濕風冷卻時空氣通過翅片管式換熱器的換熱量為: Qc=VaρaCa(t1-tc), 式中: Va為空氣流量(m3/s);ρa為空氣的密度(kg/m3); Ca為空氣的定壓比熱(J/kg·℃);t1為冷凝器進口空氣的溫度(℃); tc為冷凝器出口空氣的溫度(℃). (2)濕風冷卻時翅片管式換熱器的換熱量為:Qd=Q1+Q2+Q3, 式中: Q1為空氣通過翅片管式換熱器的換熱量(kW); Q2為經填料蒸發的水蒸汽通過翅片管式換熱器被加熱的換熱量(kW); Q3為經填料空氣夾帶的水滴通過翅片管式換熱器蒸發所吸收的熱量(kW).其中: Q1=VdρdCa(t3-t2), 式中: Vd為濕風冷卻下空氣流量(m3/s);ρd為濕風冷卻下空氣的密度(kg/m3); t2為濕風冷卻下換熱器進口空氣的溫度(℃); t3為濕風冷卻下換熱器出口空氣的溫度(℃). 3 濕風冷卻翅片管式換熱器的性能試驗 通過測量計算原翅片管式換熱器與濕風冷卻翅片管式換熱器的換熱量,進行對比試驗.試驗采用某品牌的KF-35型分體式空調器的室外機結構,保持了原有的翅片管式換熱器與風機,其翅片管式換熱器的傳熱管為外徑9 mm的銅管,翅片采用薄鋁片,片厚0·25 mm,片距1·6 mm.加濕系統所用的填料采用CELDEK5090型紙質填料(瑞典蒙特公司生產),填料厚度分別為75 mm和100 mm.試驗采用熱水作為被冷卻介質,在環境室進行,環境空氣的相對濕度控制在(60%±5% ),溫度精度控制在±0·5℃. 系統裝置如圖3所示. 試驗所需測量的物理參數有:空氣的溫度與流量、熱水溫度與流量、濕簾加濕冷卻系統的淋水量和環境空氣的相對濕度.熱水系統采用電加熱方式,熱水溫度控制在(54·5±0·5)℃,熱水流量與加濕系統的淋水量采用量筒法進行測量.空氣從換熱器排出后在風道中經整流柵整流,風量是通過測量風道出口截面28個點的流速,取其平均值,然后乘以風道截面積計算得出,空氣流速采用熱球式電風速儀QDF-2型測量.空氣相對濕度采用德國TESTO多功能溫濕度儀測量.溫度測量系統采用Agilent34970A數據采集系統,并配有電腦系統,定時巡檢記錄.熱水溫度與空氣溫度采用銅-康銅熱電偶測量. 熱水通過翅片管式換熱器的放熱量為: Qs=VsρsCs(t4-t5) 式中: Vs為熱水的流量(m3/s); Cs為水的定壓比熱(J/kg·℃);ρs為水的密度(kg/m3);t4為換熱器進口水的溫度(℃); t5為換熱器出口水的溫度(℃). 4 試驗結果與分析 4·1 濕風冷卻換熱器效果以及環境溫度對換熱量的影響 濕風冷卻換熱器換熱量均高于原換熱器,且隨著環境溫度的升高,換熱器的換熱量降低(圖4). 為了反映相同環境溫度下濕風冷卻換熱器換熱量與原翅片管式換熱器換熱量之間的變化情況,采用換熱量增幅百分比Ψ表示, 式中:Ψ為換熱量增幅百分比(% ); Q為濕風冷卻換熱器換熱量(kW); Q0為原翅片管式換熱器換熱量(kW). 在相同溫度下,濕風冷卻換熱器的換熱能力比原翅片管式換熱器的換熱能力大(圖5).在環境溫度為30℃時,濕風冷卻換熱器換熱量的增幅最小也達18%,且隨著環境溫度的增大,換熱量增幅百分比Ψ也增大,在環境溫度為38℃時,換熱量的增幅可達40%. 4·2 空氣經淋水填料的溫降與環境溫度的關系 空氣經淋水填料后溫度下降,降溫溫差隨著環境溫度的升高而增大(圖6).與圖5相對應說明了隨著環境溫度的升高,降溫溫差增大,換熱量的增幅也增大. 4·3 淋水密度與填料厚度的關系 淋水量對填料中水與空氣的熱質交換影響較大.為了反映淋水量的影響常采用淋水密度.淋水密度是淋水量與填料的淋水斷面積之比[3],即: 式中:ρl為淋水密度(kg/ (m2·s));Ml為淋水量(kg/s);Ft為填料的淋水斷面積(m2).淋水密度的大小決定了填料的濕潤程度.淋水密度過小,則部分填料會出現半干或無水現象,填料表面不完全濕潤,在填料的通道中難于形成均勻的水膜,填料的降溫效果大大降低;淋水密度過大,會造成送風帶水和空氣阻力的增大.但是通過填料的空氣流帶有水滴進入翅片管式換熱器,水滴在翅片與傳熱管表面蒸發,有利于提高換熱器的傳熱效果. 試驗中的淋水量為0·118 kg/s,根據淋水密度的定義, 100和75mm填料的淋水密度分別為1·686和2·248 kg/(m2·s).試驗發現在此淋水量下,兩種填料均完全濕潤,且75mm填料表面則形成較厚的水膜,送風均出現帶水現象.從淋水密度可以看出,帶水現象75mm比100mm填料系統嚴重. 4·4 風量與填料厚度的關系 在等焓加濕冷凝器中,填料與淋水會對送風產生阻力,從而降低了風機的送風量.為了反映填料厚度對風機風量的影響,采用風量比η表示,η為濕風冷卻下風機的風量同無填料加濕時風機的風量之比,即: 式中:η為風量比(% ); V0為無填料加濕時風機的風量(m3/s); Vs為等焓加濕下風機的風量(m3/s). 根據風量比的定義, 100 mm填料噴淋系統的風量百分比為77·4%,與無填料相比風量降低22·6%; 75 mm填料噴淋系統的風量百分比為81·8%,與無填料相比風量降低18·2%.說明隨填料厚度的增加,風阻增大. 5 結論 濕風冷卻可以增加翅片管式換熱器換熱量,其冷卻效果與環境溫度、淋水密度以及填料厚度十分相關.濕風冷卻為惡劣條件下的空調系統提供了一種新的思路,其試驗數據及結果可以為相關研究提供參考,但實際應用還有待進一步的研究. 參考文獻: [1]呂金虎,宋垚臻,卓獻榮,等.進口空氣相對濕度對直接蒸發冷卻式空調機性能的影響[J].制冷, 2005, 24(3): 67-69. [2]卓獻榮.濕風冷卻分體式單冷空調器的試制與綜合性能實驗研究[J].制冷學報, 2009, 30(6): 44-48. [3]黃翔,張丹,吳志湘.蒸發冷卻空調設計方法研究—兩種蒸發冷卻器熱工計算方法的簡化[ J].流體機械, 2006, 34(12): 75-78.【責任編輯 夏成鋒】 |
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