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叉流板式间接蒸发冷却换热器的实验研究点击：2206 日期：[ 2014-04-26 21:14:32 ] |
| 叉流板式间接蒸发冷却换热器的实验研究 赵振生1任承钦1涂敏2曾阳1王华辉3 (1·湖南大学机械与运载工程学院长沙410082；2·湖南大学土木工程学院长沙410082；3·机械工业部第四设计研究院洛阳471000) 摘要：利用自制实验台，在前期实验工作的基础上，对叉流板式间接蒸发冷却器进行了实验研究。发现换热器两侧空气的流量比、流量大小对换热器的效率有着重要影响。影响趋势在干工况与湿工况下又有所不同，这是因为换热器中两流体的热容量之比发生了很大变化。实验结果表明：干工况下，换热器的摩擦阻力系数大于按层流理论公式计算所得的值，层流向湍流过渡的雷诺数为1200左右；喷水情况下二次空气侧的阻力系数远大于干工况下的阻力系数，约为干工况下的2.5到3倍之间。分析结果可以对换热器的优化设计提供一定的参考和帮助。 关键词：热工学；间接蒸发冷却；板式换热器；阻力特性；换热效率 中图分类号：TB657.5文献标识码：A 随着社会的发展，空调技术在生产与生活中得到了越来越广泛的应用，其消耗的能源在社会总能耗中占有相当大的比例。因此，开展空调节能技术的研究成为一个重要课题。间接蒸发冷却技术是利用水在未饱和二次空气中蒸发吸热，从而间接冷却一次空气来实现制冷的。这种方式无污染、能耗少，在我国空调领域中有着广阔的应用前景[1]。国内外很多学者对间接蒸发冷却器进行了深入的研究。Pescod[2-3]开发出了一种以铜丝扰流的叉流板式换热器，随后又提出一种带尖状物的换热器，并分别进行了实验研究。Peterson[4]等对一个用于新风预冷的板式间接蒸发冷却器进行了性能测试。丁良士[5]等研制出了一种带弧形表面凸起物的换热板组成的板式间接蒸发冷却换热器。陈伟琳[6]等对三种低肋扰流丝网强化结构进行了对比实验。黄翔[7]等从另外的角度入手，设计了采用功能性纤维套、铝箔椭圆管和间歇性供水方式等强化传热措施的间接蒸发冷却结构。郭新川[8]等提出一种波纹丝网换热表面并进行了实验研究。 文章在前期实验研究工作[9-10]的基础上首先对实验装置进行了改进以提高测量准确性，然后探讨了自制叉流板式间接蒸发冷却换热器在多种工况下的实验性能，对该种换热器阻力特性及换热效率的影响因素做出了分析，可为换热器设计提供参考。 1·实验介绍 间接蒸发冷却换热器有两个相互垂直的通道，一个是一次空气通道，此通道中的空气不与水膜相接触，在整个传热过程中温度降低，但湿度不变(在不发生冷凝的情况下)；一个是二次空气通道，二次空气在这个通道中与水膜相接触，发生热质交换，二次空气湿度增加，温度降低，通过两通道之间的金属板吸收一次通道侧的热量。实验系统中的换热器芯体宽高均为400mm，厚度为230mm，每个通道宽为3mm，一次空气通道与二次空气通道均为30个，换热器两边用聚本乙烯材料的盖板夹盖，绝热效果好，内部的换热板为不锈钢材料，如图1。 实验系统利用部分冷却后的一次风作为二次风，一次风与二次风的风量都可以通过阀门进行调节。各风道温度可分别通过调节风道上的电加热器功率进行调节，温度统一使用铂电阻温度计测量。一次空气与二次空气的流量分别由安装在管道中的电加热器功率与其两侧的温度变化求得，当关闭水平支管上的阀门时，可达到一次风量与二次风量相等的工况。压力差使用倾斜式微压计直接测量，在分析摩擦阻力时减去进出口的局部阻力。为了降低测温误差及提高流量计算的准确性，电加热器由原来的光管式改为肋管式，换热面积大幅提高。该改进措施降低了加热器表面温度，从而降低了对测温传感器的辐射影响，同时提高了加热器下游断面气流温度的均匀性。 实验过程中，先将换热器在不喷水情况下的各种工况数据测出，这样做的目的一是为了比较换热器干湿工况性能的差别，二是为了利用干工况下的数据得到一次空气的压差与流量的关系式，便于在湿工况下利用热平衡原理计算二次空气流量，因为在湿工况下利用加热器功率来计算二次空气流量的方法不再适用。 2·资料整理 主要对板式换热器的阻力特性及其效能的影响因素做出分析。 2.1换热器效能的计算 计算方法：根据文献[11]将换热器效能定义为“小热容量流体的进出口温度差与冷热流体进口温度差之比”，即效能反映了换热器里冷热流体进口温度差的利用率。因此，可采用以下公式来计算换热器的换热效能： 当一次流体的热容量较小时， 因为实验中二次空气流量小于一次空气流量，所以干工况时二次空气热容量较小，采用公式(1b)计算效率。在湿工况时，根据文献[12]采用的方法，二次空气侧采用湿球温度计算效率，其比热按照焓值对湿球温度变化的平均值来计算，效率计算时采用公式(1a)。 2.2雷诺数与摩擦系数的关系讨论 雷诺数采用下式计算：Re=ude/v(2) 式中：de——水力当量直径，de=2ab/(a+b)； 3·换热器的阻力特性分析 实验换热器的通道高宽比较大，沿程阻力系数采用公式(4)计算，其中值为0.0545。在对流态的分析中，仍以文献[14]中莫迪图的曲线特征作为参照。 由图3可知，在换热器中，随着雷诺数的增加，摩擦系数先呈下降趋势，实际摩擦阻力系数比理论计算的结果要大，此时二者相对误差值约在50%到80%之间，规律上看，在雷诺数为1100之前，摩擦阻力系数随着雷诺数的增加而减小，数据点的变化近似理论公式的变化趋势，应为层流情况。在雷诺数接近1200时，摩擦阻力系数陡然增加，对比莫迪图，应属于临界区的特点，之后，摩擦阻力系数随雷诺数的增加而缓慢减小，流态应属于紊流状态。与文献[15]中的结果相比较，发现临界雷诺数提前，且摩擦阻力系数相对较大。如图4所示，在喷水情况下，二次风道的阻力大大增加，约为干工况下的阻力的2.5倍到3倍之间，可以看出，从上而下的水膜与水雾大大增加了二次通道的阻力。 4·换热器效率分析 由图5可以看出，干工况下换热器的效率随着二次空气与一次空气流量之比的增加而减小。而在湿工况下(如图6所示)，换热器的效率随着流量比的增加而增加。这两种现象都可以用换热器中两种流体的热容量之比来解释：干工况下二次空气热容量小于一次空气热容量，所以流量比的增加使得热容量比增加，导致换热效率减小；湿工况下二次空气热容量大于一次空气热容量，故流量比的增加导致了热容量比的减小，所以换热效率增加。因此，通道两侧流体的热容量比是影响到换热器效率的重要因素。 图7示出了干工况下换热器效能随一、二次空气流量的变化关系。在一次空气流量维持不变的情况下，二次空气流量的增加将导致效率的降低，这种情况与图5中流量比的变化与效能的关系相吻合。在二次空气流量小于0.06kg/s时，一次空气的流量变化对效能影响很小；大于0.06kg/s时，随着一次空气流量的增加，效能也呈增加趋势。在换热器中，增大较大热容量流体的热容量或减小较小热容量流体的热容量，都可以增大换热器效能。在干工况下，二次空气热容量小于一次空气热容量，故减小二次空气流量或增大一次空气流量都可以导致换热器效率的增加。 图8示出了湿工况下换热器效能随一、二次空气流量的变化关系。在一次空气流量不变的情况下，换热效能随着二次空气流量的增加而增加，但其增加的幅度随着效能达到较大值而趋缓。原因是二次空气流量的增加使二次流道侧的蒸发冷却效果更好，使换热板保持较低的温度。在二次空气流量不变时，换热效能随着一次空气流量的增加而减小。从热容量的角度来考虑，在湿工况中，二次空气为热容量较大的流体，所以增加二次空气流量或减小一次空气流量都将导致热容量比减小，从而使换热效能增加。 5·结语 实验系统中所使用的板式换热器在干工况下的阻力大于用大高宽比的层流理论公式的计算结果，理论值与实验值的误差介于50%到80%之间。而湿工况下的阻力也远大于干工况的阻力，在相同速度时，湿工况阻力是干工况阻力的2.5到3倍之间。根据实验结果，换热器的临界雷诺数为1200左右。 二次空气与一次空气之流量比是影响换热器效率的重要因素，且在干工况与湿工况下的影响趋势相反，这说明两流体的热容量之比对换热有着重要影响。 一次空气与二次空气的流量，对换热器效率也有重要影响。一方面，在流道尺寸不变的情况下，一次空气流量的增加导致了流速的增加，减少了换热时间，对换热起负面影响。另一方面，二次空气流量的增加增强了水的汽化过程，提高了换热效率。同时，流量的变化也对两通道的热容量之比产生影响，从而影响换热效率。 参考文献：略 |
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