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涂抹式表面蒸發冷卻換熱器性能的實驗研究點擊：2208 日期：[ 2014-04-26 21:39:18 ] |
| 涂抹式表面蒸發冷卻換熱器性能的實驗研究 唐新邵 肖益民 （重慶大學城市建設與環境工程學院重慶400045） 【摘要】提出了一種在盤管換熱器外表面進行涂抹布水的蒸發式冷卻形式。通過實驗，分別研究了涂抹水量和轉速、換熱盤管管徑、換熱盤管長度、換熱器的工作冷卻水流量以及空氣含濕量等因素對換熱性能的影響。實驗得出空氣含濕量每提高1%，單位面積換熱量下降2%左右。分別對三個不同規格的換熱器進行了五種工作流量的對比實驗，給出了換熱器制作規格及其工作流量的優化建議。 【關鍵詞】涂抹式；蒸發冷卻；實驗研究 中圖分類號：TK124文獻標識碼：A 文章編號：1671-6612（2011）02-107-05 0 ·引言 末端排熱裝置作為空調系統中不可或缺的一環，在整個系統中扮演著重要角色。目前廣泛用于工業、商業及民用中，對空調系統中冷卻水進行熱處理的方法主要有空冷和水冷，開、閉式冷卻塔是其中的代表設備之一?？绽浼磳⒖照{冷卻水直接噴淋冷卻，該方式效率較低，水耗和能耗較高，破壞水質，并且受環境影響較大，使用受限；水冷又可分為顯熱交換為主和潛熱交換為主兩種熱交換過程，前者常見于閉式冷卻塔，通過噴淋水與管壁的顯熱交換冷卻管內流體，其水消耗量大，配套的循環系統能耗高，綜合使用成本高。后者是通過管外壁表面的水膜蒸發的汽化潛熱帶走空調冷卻水熱量，水的汽化潛熱是其比熱容的538.7倍，如果能實現盤外壁水膜的均勻連續，這種冷卻方式的節能效果是十分可觀的。美國《ASHRAE系統與手冊》指出“蒸發式冷卻是效率最高的冷卻方式”[1]，這里的“蒸發式冷卻”指的就是這種利用汽化潛熱的冷卻方式。 文獻[2-8]對噴淋蒸發冷卻換熱時水膜的均勻性及傳熱強化方法進行了研究，本文根據“蒸發式冷卻”的基本原理提出一種新的布水方式：旋轉涂抹布水。旋轉涂抹布水的宗旨是只為蒸發冷卻提供必須的蒸發水量，并盡可能使其在換熱器表面形成連續均勻的水膜。我們為此研制出了與這種布水方式相匹配的換熱器，并且建立了相關的試驗臺對這種換熱方式的影響因素進行了實驗研究。 1·涂抹式表面蒸發換熱機理 涂抹式表面蒸發冷卻器的最大特點在于它不是用噴淋或者噴霧的方式來提供冷卻蒸發所需的水量，而是通過一個旋轉的涂抹裝置將所需蒸發水量周期性的均勻而連續地涂抹于換熱器的外表面。涂抹式表面蒸發冷卻換熱器的換熱動力來自兩個方面： （1）換熱器表面水膜與外掠空氣的溫度差； （2）水膜溫度下的空氣飽和水蒸氣分壓力與外掠空氣水蒸氣分壓力之差。 在二者的作用下，最終由空氣將被冷卻水的余熱帶走，實現管內冷卻水的降溫。其中主要動力是水蒸氣分壓力差。 由其換熱動力來看，涂抹式表面蒸發冷卻器的換熱過程是一個相互耦合的復雜的傳熱傳質過程。大體來說可分為三個過程： （1）冷卻水通過管壁將熱量傳遞到盤管外表面水膜； （2）盤管外表面水膜與空氣間的對流傳熱； （3）盤管外表面水膜與空氣的對流傳質。 換熱器工作時通過上述三個同時進行的傳熱傳質過程實現熱量向空氣的轉移，從而完成對管內冷卻水的冷卻。 2·換熱實驗系統 2.1實驗換熱器 涂抹式表面蒸發冷卻換熱器采用雙螺旋盤管的形式制作，為管制螺旋流道圓盤形間接蒸發冷卻器。它由兩根并排的換熱管盤旋而成，中心用U形接頭連接兩管，進水口和出水口位于相同位置。被冷卻水經由進水口流入，沿螺旋流道前進，在盤管中心通過U形接頭時，螺旋流動改變方向然后經出水口流出，完成冷卻過程。換熱器具體形式如圖1、圖2。 實驗分別對三個不同規格的換熱器（管材厚度相同）進行了實驗測試，分別標為盤管1、盤管2和盤管3，其規格為：盤管1換熱盤管管徑DN12mm、長度24m，有效換熱表面積0.9m2；盤管2換熱盤管管徑DN16mm、長度19m，有效換熱面積0.9m2；盤管3換熱盤管管徑DN16mm、長度30m，有效換熱表面積1.5m2。 2.2實驗臺 為了獲得實驗所需的流態穩定、流速均勻、空氣參數相對穩定的實驗氣流，將換熱器安裝在風洞中進行試驗[9]。試驗臺由風洞，旋轉涂抹布水系統和冷卻水系統構成，試驗元件涂抹式表面蒸發冷卻器固定于試驗段中央，氣流方向與冷卻器徑向平行。 2.2.1旋轉涂抹補水系統 涂抹補水系統包括動力裝置和補水裝置，動力裝置包括水泵和低轉速無極調速電機，補水裝置包括補水涂抹器、補水筒、中空補水軸和旋轉布水連接器。旋轉涂抹補水系統是將冷卻所需的蒸發水量，通過涂抹布水器在散熱器表面涂抹成均勻連續的水膜（見圖2）。與噴淋系統相比，旋轉涂抹補水的水量很小，只需要12～24L/h，實驗通過轉子流量計來控制，控制誤差在0.1L/h。為了保證蒸發冷卻器表面水膜的連續和完整，必須周期性的對水膜進行補水，因此，系統中包含一臺可無級調速的低轉速電動機（轉速15r/min≤r≤50r/min），以完成整個補水過程。 2.2.2冷卻水系統 實驗采用的冷卻水系統通過水泵將保溫加熱水箱中的熱水送至實驗換熱器部位進行冷卻，在進入換熱器之前通過轉子流量計、精密壓力表和水銀溫度計測量冷卻水流量、供水壓力及冷卻水溫度。經過換熱器之后再對其溫度和壓力進行一次測量，然后又回到保溫加熱水箱。水箱中的溫度通過熱電偶溫控系統控制加熱器的開關，以保證水箱中的溫度恒定在37℃左右。 3·實驗方案 3.1換熱器性能指標確定 本文主要研究換熱器的換熱性能，具體因素為換熱器的流道管徑和流道長度以及涂抹水量和轉速。實驗以單位面積換熱量和壓降作為換熱器的換熱和流動性能評價指標，根據實驗測試數據，采用式（1）和（2）計算。 （1）換熱器單位面積換熱量 式中，qs為換熱器單位面積換熱量，kW/m2；ms為一次冷卻水流量，kg/h；cp為水的比熱，取4.2kJ/(kg·K)；A為換熱器面積，按管徑平均直徑計算，m2；tsi、tso為一次冷卻水進、出口溫度，℃。 （2）換熱器壓力損失 ΔP=Pi-Po（2） 式中，ΔP為換熱器壓力損失，MPa；Pi、Po為一次冷卻水進、出口壓力，MPa。 3.2測試儀表及方法 試驗中使用的測量儀器主要有智能環境測試儀（溫度測量精度0.1℃，相對濕度測量精度0.1%，空氣速度測量精度0.01m/s）、水銀溫度計（精度0.01℃）和轉子流量計（測量精度0.5L/h）。具體的測試方案如下表1所示。 4·試驗結果及分析 在中心迎面風速2.94m/s，涂抹轉速42r/min的情況下，在不同的進風狀態下（具體參數值見圖3）對三個換熱盤管進行實驗測試，分別分析了空氣相對濕度、盤管管徑、盤管長度以及涂抹轉速和水量對換熱量的影響，并對盤管的壓力損失規律做了對比分析，所得結果如下： 4.1涂抹轉速與水量對換熱的影響 以盤管1為例，圖4反映了涂抹轉速和水量的相關關系。換熱量的變化規律表現為：隨涂抹轉速的增加，換熱量減小，涂抹水量增加，換熱量變化趨勢不定；這是旋轉涂抹布水的特點決定的。旋轉涂抹布水的關鍵在于在換熱器表面形成均勻連續的水層薄膜，其厚度越小換熱效率越高，旋轉涂抹的目的也是為了對水層薄膜進行周期性的水分補充。 結合圖4，我們可以知道，在補水量滿足蒸發所需的前提下，較小的涂抹轉速對蒸發換熱有利。在涂抹水量定量時需要根據具體的經濟效益決定。圖4顯示涂抹水量為24L/h時，換熱量最大，但同時其水量消耗也是最大的，因此，涂抹水量增加的消耗是否小于因此而增加的換熱量帶來的經濟效益，是我們決定是否采用較大涂抹水量的根據之一。 4.2相對濕度對換熱的影響 從圖3可知，盤管2工況一和工況二的進風溫度基本相同，但其相對濕度相差10%左右，而工況二和工況三的進風條件基本是相同的，它們的差別在0.3～1%之間，在這種條件下實驗結果的對比是可信的。 圖5表明進風含濕量對換熱量有較大影響。隨冷卻水量的增加換熱變化率有所增大，當換熱器達到在該工況下的最大換熱能力時，在進風含濕量相差10%的情況下，換熱變化率穩定在20%左右，即進風含濕量增加1%，換熱器換熱量要下降2%左右。 從單工況來看，換熱量隨冷卻水量的增大而增大，但增加的速率逐漸下降。以盤管2為例，當水量由200L/h增加到500L/h時，換熱器的換熱量增加了51%，而水量由500L/h增加到600L/h時，換熱量僅增加了5%。盤管換熱量增加可降低對總換熱面積的需求與金屬消耗量，但會增加冷卻水循環泵能耗。根據實驗結果，當采用與實驗換熱器規格接近的換熱器時，冷卻水量采用500L/h左右為宜。 4.3盤管管徑和長度對換熱的影響 經實驗研究發現，換熱盤管管徑不同，但換熱面積一樣時，其換熱量也存在差別。工況三時，盤管1和盤管2的換熱量比較見圖6。從圖上可以看出，在相同工況下，盤管1要比盤管2的換熱量小。冷卻水量200L/h時，換熱量小16%，且隨冷卻水量的增加減小幅度有所增加，但是基本都維持在24%左右。因此，制造相同散熱表面積且換熱能力相同的換熱器，采用DN16mm的管材要比DN12mm的管材節省24%左右的金屬耗量。 而對于同樣為DN16mm的換熱器，增加它的長度，卻并不能增加其換熱能力。如圖7所示，在同樣的工況下，盤管2和盤管3的單位面積換熱量相差36%，較短的管長更有利于熱量交換。在這種情況下，我們必須要考慮最優管長的問題，冷卻水沿管流動，沿程溫度逐漸降低，越到尾部其換熱溫差越小，換熱能力越差，為了達到冷卻水溫降的要求，并且取得較好的經濟效益，換熱器制作時必須考慮最優管長問題。 4.4換熱器壓力損失 圖8顯示，換熱盤管的壓力損失隨一次冷卻水流量的變化曲線呈拋物線型，這符合流體力學的基本規律。由于盤管的阻抗可視為定值，小管徑的盤管阻抗更大，因此，其流動壓力損失隨流量增長的速率也大于大管徑的盤管，即冷卻水流量越大時，二者壓力損失的差異也越大。由擬合趨勢曲線的方程可以看出，盤管壓力損失與冷卻水流量的平方成正比。 5·結語 通過以上實驗研究，可以得出以下結論： （1）涂抹式蒸發冷卻/冷凝器用水量很小，可以節約運行過程中產生的大量水耗。事實上實驗中的涂抹水量的絕大部分都是通過接水盤排走，實際所需的涂抹水量要遠遠小于試驗中所用涂抹水量，這需要制作涂抹效果更好的布水器來實現； （2）影響涂抹式蒸發冷卻換熱器的換熱效果的主要因素是空氣的含濕量，含濕量每增加1%，換熱量相應地減小2%左右； （3）涂抹式間接蒸發冷卻器本身結構的合理與否也將影響其換熱性能。實驗表明換熱盤管的管徑及其管長是兩個影響換熱的主要結構因素，實驗表明相同的換熱面積，管徑DN16mm比DN12mm的換熱器換熱量大24%左右，而相同管徑（DN16mm）時，盤管2比盤管3的單位面積換熱量高出36%； （4）涂抹式間接蒸發冷卻主要由水膜的蒸發潛熱帶走熱量，由實驗結果可以看到，實驗換熱器單位面積換熱器的處理能力大約是500L/h，換熱量為2.19kW/m2。因此若要大量使用其金屬耗量和盤管規模將頗為巨大，由此可以預見，這種涂抹式蒸發方式在冷凝技術方面的應用前景要遠遠大于冷卻技術方面的應用。 參考文獻： [1]李衛軍,董小強,楊君.蒸發式冷凝/冷卻技術的應用及研究進展[J].制冷與空調,2010,10(1):40-44. [2]朱冬生,涂愛民,蔣翔,等.蒸發式冷凝冷卻設備的研究狀況及其應用前景分析[J].化工進展,2007,26(10):1404-1410. [3]丁良士,王建軍,姜明健.間接蒸發冷卻式板式換熱器熱工特性實驗研究[J].工程熱物理學報,1997,18(1):85-89. [4]王中錚,郭新川,姜正中,等.非直接蒸發冷卻系統[J].天津大學學報,1994,27(3):305-309. [5]郭新川,趙旭貴,王中錚.液膜蒸發強化傳熱表面的傳熱與流動特性分析[J].太陽能學報,1997,18(2):79-82. [6]陳偉琳,王冬麗,陳偉坷.間接蒸發冷卻的傳熱強化研究[J].天津理工學院學報,1997,13(2):10-14. [7]黃翔,周斌,于向陽,等.管式間接蒸發冷卻器均勻布水的實驗研究[J].暖通空調,2006,36(12):48-52. [8]蔣翔,朱冬生,唐廣棟.蒸發式冷凝器管外水膜與空氣傳熱性能及機理的研究[J].流體機械,2006,36(8):59-61. [9]肖益民,何葉從,鄒國榮.地鐵專用蒸發冷卻器技術研究報告[R].成都:中鐵二院,2009. |
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