换热器原理
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盘管与填料结合使用的蒸发式换热器性能研究点击：2194 日期：[ 2014-04-26 21:08:29 ] |
| 盘管与填料结合使用的蒸发式换热器性能研究 周兴东 邓凯翔 江磊 （ＢＡＣ大连有限公司） 摘 要：介绍蒸发式换热器几种设计模式及影响换热效率的各种因素。有／无填料２种设计模式实际应用情况的对比结果显示，采用盘管与ＰＶＣ填料相结合的设计模式有以下明显优势：产品制造成本低，检修维护方便，而且由于喷淋循环水温度进一步降低，换热表面结垢现象明显缓解，长期运行的稳定性及换热效率提高。 关键词：蒸发式冷凝器；闭式塔；填料层；结垢 以换热表面流动空气的焓差为推动力，使换热表面喷淋水蒸发带走热量的热交换设备，统称蒸发式换热器。热流体工质走管内，管外喷淋冷却水，通过空气强制对流蒸发换热，其本质是常规冷水塔与换热器的组合形式，但与传统管壳式水冷换热相比，冷却介质出口温度可以降低３～５℃，节约能耗１１％～７０％，而且结构紧凑、节省空间，运行稳定、效率高［１］。由于其使用灵活，运行稳定，节约能源，在直接供冷、流体冷却、冷凝等工艺中能够替代传统管壳式换热器，已广泛应用于制冷空调、石油化工、电力冶金及轻工食品等领域。 在美国等发达国家，蒸发式换热器的应用已经有几十年历史，相关研究较早［２－４］，２０世纪早期就成立了名为“蒸发冷却”技术委员会ＡＳＨＲＡＥ，并制定了相关标准《额定间接蒸发冷却器的实验方法》（Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｔｅｓｔ ｆｏｒ Ｒａｔｉｎｇ ＩｎｄｉｒｅｃｔＥｖａｐｏｒａｔｉｖｅ ｃｏｏｌｅｒｓ）；而我国真正开展研究到实际应用也只有十几年时间。由于蒸发式换热器优势明显，应用领域不断扩大［５－６］，促进了对换热盘管形式［７－８］、喷淋水量、风量［９－１３］及结垢［１４］等相关参数的研究。但是，受研究起步晚、产品实际应用时间短、制造工艺及测试条件等限制，产品整体设计还要借助模拟计算［１５－１６］及参考国外先进产品相关参数，与国际知名产品还有一定差距，部分产品的换热效率仅达到同类先进产品的１／３～１／２。近年来，国内蒸发式换热器生产厂家数量及规模在不断增加，产品制造工艺、新技术应用、运行稳定性等方面研究逐步得到重视。 笔者分析国内市场上应用较多的几种蒸发式换热器的运行原理及主要影响因素，重点介绍填料使用对蒸发过程盘管结垢及换热效率的影响，希望为蒸发式换热产品的设计及改造提供参考。 １·蒸发式换热器设计模式及影响换热的主要因素 １．１ 蒸发式换热器设计模式 根据换热介质有无相变，蒸发式换热器又分为蒸发式冷凝器和蒸发式冷却器，在冷却循环水时又称闭式冷却塔。两者运行原理基本相同，在换热管外表面喷淋水，利用循环喷淋水使强制循环的空气蒸发带走热量，但产品整体设计形式不尽相同，导致产品稳定性及换热效率有明显差异。根据蒸发传热传质工艺过程，产品模式主要有以下几种：①全盘管蒸发换热，如图１所示；②盘管加填料复合式蒸发换热，如图２所示；③上盘管下填料或上填料下盘管换热形式，如图３和图４所示。在本质上，蒸发式换热器就是常规换热器和开式冷却塔的结合，通过喷淋循环水部分蒸发以维持恒定较低的喷淋水温度，保证管内热工质及管外循环水的换热温差。传热过程主要发生在管内向管外热量传递过程和管外循环水向空气蒸发传质过程，而填料的采用表观上是为了喷淋水有更大的蒸发传质面积。 １．２ 影响换热效率的主要因素 蒸发式换热设备的传热过程包括管内工质冷凝、冷却过程和管外喷淋水蒸发传热传质过程。受加工条件及成本等限制，目前蒸发式换热器主要采用圆管或椭圆管，尤其管内对流或冷凝换热系数较大时，常规圆管占主导。影响换热的主要因素包括热量传递和蒸发传质过程。管内传热系数的大小通常由热流体物性及换热管几何形态所决定；而影响管外换热效率的主要因素，包括传质推动力大小和蒸发传质面积。利用水膜表面饱和蒸气压与空气中水的饱和蒸气压之差，水分子会由换热管表面不断向空气传质扩散，在环境湿球温度无法改变的情况下，降低通过喷淋水膜表面的空气的相对湿度可以增加传质推动力。以冷却工艺循环水的闭式冷却塔为例，管外水膜及蒸发传质过程阻力在５０％以上，主要靠加大风机功率来提高空气流量降低喷淋水温度。另外，盘管材质的导热系数高低对换热过程也略有影响，但是影响很小，甚至比盘管的结垢影响还小。蒸发式换热器在长期运行过程中，随着换热管表面喷淋水不断蒸发，水中钙镁离子及水温等因素共同作用，导致浓缩的钙镁盐类、固体悬浮物或微生物沉积在盘管表面形成污垢层。由于其导热系数较低，因此垢厚越厚热阻对换热过程影响越大。图５和图６［１７］所示为污垢对蒸发式冷凝器及制冷系统的影响：随着污垢厚度的增加，换热量明显降低，当垢层厚度增加到０．８ ｍｍ时，冷凝器换热量下降２７％左右；压缩机运行功耗增加约７％，系统制冷量降低约１％。受结垢的影响，附加能耗导致冷凝器每年的运行费用增加２５％。可见，影响换热效率及长期稳定运行的两大因素为蒸发传质效率和喷淋水表面污垢热阻。在蒸发式换热器设计时要充分考虑如何控制水垢生成速度，减小喷淋水结垢热阻，延长设备除垢周期，降低维护成本；同时要根据热负荷要求，保证足够的蒸发传质面积。 ２ 填料对换热效率的影响 ２．１ 利用填料提高蒸发传质面积 蒸发式换热器总热阻主要由５部分构成： 式中：ｈ为总传热系数（Ｗ／（ｍ２·Ｋ））；ｈｉ为管内工质传热系数（Ｗ／（ｍ２·Ｋ））；ｈｆ为管外壁和喷淋水之间的传热系数（Ｗ／（ｍ２·Ｋ））；ｄｉ和ｄｏ分别为盘管内径和外径（ｍｍ）；ｄｍ为盘管对数平均直径（ｍｍ）；ｒｏ为管外侧污垢热阻（ｍ２·Ｋ／Ｗ）；ｒｉ为管内侧污垢热阻（ｍ２·Ｋ／Ｗ）；λ为盘管导热系数（Ｗ／（ｍ·Ｋ））；δ为管壁厚度（ｍｍ）。 当管内工质和盘管特性确定后，式（１）中的前３项变化相对较小，只能依靠增加喷淋水传热传质效率或降低管外结垢热阻提高换热效率。而后２项对整个热量传递过程影响较大。以制冷系统广泛采用的蒸发式冷凝器、冶金高炉循环水冷却所用闭式塔为例，分析蒸发式换热器的热阻分配情况，结果如表１所示。 管外污垢热阻和喷淋水热阻所占总热阻比例超过了５０％，对传热过程影响非常大。而喷淋水热阻与喷嘴喷淋效果及喷淋密度有直接关系，喷淋密度通常要大于０．０２５ ｋｇ／（ｍ·ｓ），以保证盘管表面被喷淋水充分覆盖，适当增加喷淋密度换热效率会有所提高［１１］。喷淋水量的大小，除考虑水泵功耗，还要考虑水膜厚度、水膜受扰动程度及其对通过空气阻力的影响。既要保证充分的空气流通面积、合理的电流负荷，还要维持长期的运行稳定性。由于水膜的热阻较大，换热过程中水膜温度会升高，喷淋水平均温度受蒸发传质过程控制，为进一步降低循环喷淋水的温度，必须提高蒸发传质推动力或增加喷淋水蒸发传质面积。 热阻与喷嘴喷淋效果及喷淋密度有直接关系，喷淋密度通常要大于０．０２５ ｋｇ／（ｍ·ｓ），以保证盘管表面被喷淋水充分覆盖，适当增加喷淋密度换热效率会有所提高［１１］。喷淋水量的大小，除考虑水泵功耗，还要考虑水膜厚度、水膜受扰动程度及其对通过空气阻力的影响。既要保证充分的空气流通面积、合理的电流负荷，还要维持长期的运行稳定性。由于水膜的热阻较大，换热过程中水膜温度会升高，喷淋水平均温度受蒸发传质过程控制，为进一步降低循环喷淋水的温度，必须提高蒸发传质推动力或增加喷淋水蒸发传质面积。 早期蒸发式换热器设计如图１所示，喷淋水蒸发传质过程完全发生在盘管表面。为达到蒸发量、保证换热量，必须采用大面积盘管。这不但增加了金属材料使用量，导致成本升高，而且设备质量及占用空间较大。传统换热器的循环水换热后温度升高，通过大比表面积开式塔蒸发冷却后循环使用，循环水通常要有２℃以上逼近度，所用填料面积越大逼近度越低。使用盘管和填料组合形式如图２～图４所示，实质上是将换热器与冷水塔整合，ＰＶＣ填料性能稳定、耐蚀性能优异，而且其三维特殊结构有很大的比表面积，如图７所示，通常可达到盘管表面积的十几倍，甚至几十倍以上，极大提高了喷淋循环水传质面积。使用填料与盘管组合形式的蒸发式换热器，喷淋循环水经二次换热，平均温度较单独使用盘管形式可降低６～８℃，更接近环境湿球温度，明显提高了传热温差。 ２．２ 低喷淋水温度减弱盘管结垢趋势 蒸发式换热器靠喷淋水蒸发带走热量，随着管外喷淋水不断蒸发，溶解在水中的钙镁盐类或固体悬浮物浓度逐渐升高，当高于该温度下溶解度时，就会以固态形式从水中析出，沉积在盘管表面形成水垢。无论开式塔还是闭式塔或其他蒸发式冷凝设备，都要控制循环水的浓缩倍数。为了节约用水，实际应用有时要减少补水量及排污量降低运行成本，致使浓缩倍数向更高的方向发展，通常要大于３～４。为使设备正常稳定运行，可采用软化水，或添加阻垢剂及对浓缩循环水适量排污，还要对结垢严重的盘管定期清理维护。水垢的成分主要是碳酸盐、磷酸盐和硫酸盐，以及一些生物质的混合物，钙镁盐的溶解度通常较小，而且在较大温度范围内，溶解度是随温度及ｐＨ值增加而变小。由于盘管表面的结垢层质地坚硬，盘管除垢一直是较为棘手的难题，尤其是盘管排列紧密，设备材质对化学除垢剂较为敏感，循环水结垢问题主要还是以预防为主。填料的使用不仅提高了蒸发传质面积和换热效率，而且由于喷淋水温度较全部使用盘管时低３～５℃，易结垢成分更多的保持溶解状态，而不是以固体方式沉积在盘管上，换热表面保持较低的结垢倾向。采用Ｌａｎｇｅｌｉ－ｅｒ指数统计结果显示，由于填料的使用，结垢可能性降低了２５％［１７］。 另外，由于采用大比表面积填料实现二次热交换过程，与完全通过盘管蒸发换热的产品相比，约８０％的蒸发潜热是通过填料表面带走，水中悬浮或解析出的固体颗粒更多地沉积在填料表面，对于拆洗方便的填料而言，无论采用物理方法还是化学方法除垢都比对盘管表面除垢更容易。只须定期对结垢的填料进行拆洗、敲打就能除去大部分水垢，能够节约循环水化学试剂使用量，降低排污耗水量，减少对环境的污染。 ３·有无填料的换热特性对比 使用填料的产品能够降低结垢程度，但盘管用量的减少是否对实际运行过程中换热效率有不利影响？图１和图３所示的２种形式产品，选取经过实际应用检验的美国ＢＡＣ品牌蒸发式冷凝器为例，对比有、无填料蒸发式换热产品的换热特性，相关参数如表２所示。其中ＶＣＡ－３４２Ａ和ＶＣＡ－５８１Ａ为无填料形式，ＣＸＶ－４１６产品为盘管加填料形式。操作条件相同，冷凝工质Ｒ７１７，冷凝温度３５℃，湿球温度２７℃。蒸发式冷凝器ＶＣＡ－３４２Ａ和ＣＸＶ－４１６具有相同盘管换热面积，由于ＣＸＶ－４１６采用填料对喷淋水进一步降温，提高传热温差，使排热量提高７１％以上，而采用无填料的ＶＣＡ－５８１Ａ，盘管换热面积须要增加一半以上才能达到相同的排热量。该条件下，ＶＣＡ－３４２Ａ和ＶＣＡ－５８１Ａ产品的热通量分别为３．５ ｋＷ／ｍ２和３．９ｋＷ／ｍ２，而ＣＸＶ－４１６的热通量为６．０ｋＷ／ｍ２，可见填料的使用使盘管的换热效率有明显提高。 制冷换热特性对比结果如图８和图９。当制冷量需求加大时，压缩机排气压力升高，相同盘管面积的ＶＣＡ－３４２Ａ和ＣＸＶ－４１６传热特性对比情况如图８所示。由图可以看出，随着冷凝温度的增加，排热量都会明显增加，而且使用填料的ＣＸＶ－４１６的排热量增加趋势更明显。在相同工况下，相同排热量的２种冷凝器ＣＸＶ－４１６和ＶＣＡ－５８１Ａ随环境湿球温度变化情况如图９所示。ＣＸＶ－４１６换热特性没有因为减少了５２％的盘管面积而受到明显影响，这表明填料替代部分盘管的设计模式的换热特性完全可以满足工况变化的需求。盘管表面的换热主要是显热形式，而通过填料蒸发的潜热量将超过８０％。在填料表面蒸发替代盘管表面的蒸发过程，循环水在填料表面折流行程更长且流速小，不但保证较长的气液传质时间，而且水中的固体悬浮物会更多沉积在填料表面，降低盘管表面结垢现象。填料表面结垢层对喷淋循环水进一步蒸发降温的影响较小，又由于盘管表面更低的循环水温，增加了钙镁等离子在水中的溶解度，进一步缓解了盘管表面结垢。相对全部采用盘管的方式，延长了设备维护周期，产品长期运行的稳定性也明显提高。 ２·种类型产品特性参数明显的区别在于喷淋水量，有填料的产品采用常规无填料产品将近２倍的喷淋密度，从主要依靠填料表面蒸发来降低喷淋水温的角度来考虑，目的是提高盘管表面喷淋水湍流程度，提高盘管表面对流传热系数，减少水中固体悬浮在盘管表面的沉积结垢，保证喷淋水在填料表面较大的有效蒸发传质面积。从产品技术参数上来看，尽管喷淋水量相同，由于盘管面积减小，喷淋密度较常规产品（０．０３～０．０６ ｋｇ／（ｍ·ｓ））提高了大约１倍，盘管表面喷淋水能够确保１００％覆盖率，结合风水同向流动设计，避免了水膜分布不均或被风吹扫出现干斑而加重结垢的现象。另外，从外形尺寸来看，尽管相差不大，但设备内部维护及检修空间却有明显差异，ＣＸＶ－４１６盘管安排在上箱体的一侧，占用空间较小，下箱体设有检修门，内部检修空间宽大，可以非常直观地对喷嘴、盘管及驱动系统进行巡检。多年应用实践也证明了采用填料降低循环水温度非常有效，设备质量及维护成本也得到进一步降低。因此，在选择蒸发式换热器时，不能仅对比一次性投资，还要从产品长期运行稳定性及维护成本角度考虑。根据２种模式比较结果，推荐采用填料与盘管结合的换热方式，匹配大流量水泵、风水同向的运行方式，能够缓解盘管结垢现象，产品长期运行稳定性有明显提高。 ４·结论 蒸发式换热器采用盘管与填料结合的设计方式较常规无填料产品有以下特点： １）维护更方便，喷淋水排污量更低，制造及运行成本进一步降低； ２）采用填料替代部分盘管换热面积，对系统工艺及使用环境改变有较高的适应性； ３）通过大比表面积填料的二次换热，热工质出口温度更低； ４）盘管表面结垢现象得到明显改善，延长了设备维护周期。 相对传统换热设备，高效蒸发式换热产品属节能减排产品，合理设计带有填料层二次换热的蒸发式换热器优势会更加明显。 参考文献：略 |
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