换热器的设计
换热器换热面积
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湿风冷却翅片管式换热器性能的研究点击：2048 日期：[ 2014-04-26 21:35:55 ] |
| 湿风冷却翅片管式换热器性能的研究 吕金虎,沈向阳,李金成,陈嘉澍 (仲恺农业工程学院机电工程学院,广东广州510225) 摘要:针对在夏季的高温、强辐射等恶劣气候条件下使用翅片管式冷凝器的分体式空调器经常出现换热能力不足的问题,提出了采用湿帘加湿产生湿风来改善空调器冷凝换热效果的措施,并对湿风冷却翅片管式换热器的性能进行了试验.结果表明,湿风冷却可提高翅片管式换热器的冷却效果,在环境温度为30℃时,湿风冷却换热器换热量的增幅最小也达18%,且随着环境温度的增大,换热量增幅也增大;在环境温度为38℃时,换热量的增幅可达40%;淋水填料的降温随环境温度的增大而增大,换热器的风量随填料厚度的增加而减小,对于100 mm淋水填料,换热器的风量减小22·6%. 关键词:湿风冷却;翅片管式换热器;湿帘 中图分类号:TB657·5 文献标识码: A 文章编号: 1674-5663(2010)03-0057-04 1 引言 翅片管式冷凝器使用空气作为冷却介质,采用强制对流换热.冷凝器进口空气温度对冷凝器的换热性能具有较大的影响,尤其是在夏季强辐射高温环境下,冷凝器的换热性能很差,往往影响到系统的正常工作.空调器的室外机组即压缩冷凝机组在炎热的夏季常常不可避免地在阳光下暴晒,特别是酷暑的中午时段,往往由于进入冷凝器的空气温度过高,引起冷凝温度与冷凝压力升高,导致空调器的制冷效果降低,严重时,还会引起冷凝压力过高而保护停机、压缩机过热停机甚至烧毁等故障.这种恶劣环境条件引起的空调器的失效与故障不只是在热带、亚热带地区易于出现,在温带的高原地区、沙漠地区的酷暑时候也会出现. 在夏季高温时虽然气温可达39℃,但空气的相对湿度却仅为60%左右,而且在半干旱、干旱与沙漠地区,空气的相对湿度更低.室外空气属于未饱和空气,将这种未饱和的空气与水膜接触,通过近似等焓加湿过程而使未饱和的空气增湿,可使环境空气的干球温度降低.在环境干球温度为32℃,相对湿度为61%时,采用100 mm厚的CELDEK5090型纸质填料(瑞典蒙特公司生产的直接蒸发冷却式空调机的出风干球温度为26·℃,相对湿度为94%,降温温差可达5·3℃[1].由于目前分体式空调器室外机组的冷凝器通常采用翅片管式换热器,管内的制冷剂与管外空气进行的热交换是温差引起的风机作用下的强制对流换热,因此,采用湿帘等焓加湿冷却可有效地降低空调器冷凝器进口空气的干球温度,增加冷凝器的换热效率,从而改善冷凝器在强辐射高温环境下的冷凝效果. 将进入空调器冷凝器之前的未饱和空气进行加湿降温处理,这种处理后的空气称之为湿风[2],相应地,用湿风来冷却的翅片管式冷凝器就称之为湿风冷却翅片管式换热器. 显然,在不改变空调器的冷凝器与冷凝风机的情况下,增加湿帘等焓加湿系统后,冷凝器进口空气温度会降低,这有利于提高冷凝器的换热量.但湿帘也会增加风阻,使得冷凝器的风量会减少,从而使冷凝器的换热量降低.那么这两个因素作用的结果使得冷凝器的换热量是否能得到有效提高,还未见有相关研究公开报道,为此作者对采用湿风冷却的翅片管式换热器的性能进行试验,以期为其应用和研究提供参考. 2 理论分析 湿风冷却翅片管式换热器是由翅片管式换热器、填料(又称湿帘)、水喷淋系统和风机等组成(图1). 水喷淋系统是由水泵、水管、喷水管、填料和集水槽等组成.工作时水泵将水喷淋到填料上使填料湿润,并在填料的通道中形成水膜,环境空气在风机的作用下通过填料,在填料中空气与水进行热质交换,由于进口空气的相对湿度较低,部分水蒸发吸热使空气得到冷却,温度降低,然后通过翅片管式换热器与所需冷却的介质换热,温度升高后经风机排出. 2·1 空气的等焓加湿冷却过程 空气在填料中的冷却过程可由图2表示. 与1点空气的干球温度t1和湿球温度ts相对应的是湿空气的水蒸汽分压力p和饱和水蒸汽分压力ps,温差t1-ts和压差ps-p是空气与水膜之间进行热质交换的动力.在温差t1-ts的作用下,空气向水传热,空气因失去显热而温度下降,在水蒸汽压差ps-p的作用下,水分蒸发而进入空气中,空气得到汽化潜热而被加湿,整个过程空气的焓值基本不变,因此将空气在填料中的冷却过程称为等焓加湿过程.显然t1-ts和ps-p的差值愈大,空气与水膜之间的传热传质效果愈好. 为了反映空气在填料中的冷却效果,采用冷却效率衡量空气与水之间传热交换的完善程度.冷却效率η为: 式中:η为冷却效率(% ); t1为填料进口空气的干球温度(℃); ts为填料进口空气的湿球温度(℃); t2为填料出口空气的干球温度(℃). 2·2 换热量计算 (1)无湿风冷却时空气通过翅片管式换热器的换热量为: Qc=VaρaCa(t1-tc), 式中: Va为空气流量(m3/s);ρa为空气的密度(kg/m3); Ca为空气的定压比热(J/kg·℃);t1为冷凝器进口空气的温度(℃); tc为冷凝器出口空气的温度(℃). (2)湿风冷却时翅片管式换热器的换热量为:Qd=Q1+Q2+Q3, 式中: Q1为空气通过翅片管式换热器的换热量(kW); Q2为经填料蒸发的水蒸汽通过翅片管式换热器被加热的换热量(kW); Q3为经填料空气夹带的水滴通过翅片管式换热器蒸发所吸收的热量(kW).其中: Q1=VdρdCa(t3-t2), 式中: Vd为湿风冷却下空气流量(m3/s);ρd为湿风冷却下空气的密度(kg/m3); t2为湿风冷却下换热器进口空气的温度(℃); t3为湿风冷却下换热器出口空气的温度(℃). 3 湿风冷却翅片管式换热器的性能试验 通过测量计算原翅片管式换热器与湿风冷却翅片管式换热器的换热量,进行对比试验.试验采用某品牌的KF-35型分体式空调器的室外机结构,保持了原有的翅片管式换热器与风机,其翅片管式换热器的传热管为外径9 mm的铜管,翅片采用薄铝片,片厚0·25 mm,片距1·6 mm.加湿系统所用的填料采用CELDEK5090型纸质填料(瑞典蒙特公司生产),填料厚度分别为75 mm和100 mm.试验采用热水作为被冷却介质,在环境室进行,环境空气的相对湿度控制在(60%±5% ),温度精度控制在±0·5℃. 系统装置如图3所示. 试验所需测量的物理参数有:空气的温度与流量、热水温度与流量、湿帘加湿冷却系统的淋水量和环境空气的相对湿度.热水系统采用电加热方式,热水温度控制在(54·5±0·5)℃,热水流量与加湿系统的淋水量采用量筒法进行测量.空气从换热器排出后在风道中经整流栅整流,风量是通过测量风道出口截面28个点的流速,取其平均值,然后乘以风道截面积计算得出,空气流速采用热球式电风速仪QDF-2型测量.空气相对湿度采用德国TESTO多功能温湿度仪测量.温度测量系统采用Agilent34970A数据采集系统,并配有电脑系统,定时巡检记录.热水温度与空气温度采用铜-康铜热电偶测量. 热水通过翅片管式换热器的放热量为: Qs=VsρsCs(t4-t5) 式中: Vs为热水的流量(m3/s); Cs为水的定压比热(J/kg·℃);ρs为水的密度(kg/m3);t4为换热器进口水的温度(℃); t5为换热器出口水的温度(℃). 4 试验结果与分析 4·1 湿风冷却换热器效果以及环境温度对换热量的影响 湿风冷却换热器换热量均高于原换热器,且随着环境温度的升高,换热器的换热量降低(图4). 为了反映相同环境温度下湿风冷却换热器换热量与原翅片管式换热器换热量之间的变化情况,采用换热量增幅百分比Ψ表示, 式中:Ψ为换热量增幅百分比(% ); Q为湿风冷却换热器换热量(kW); Q0为原翅片管式换热器换热量(kW). 在相同温度下,湿风冷却换热器的换热能力比原翅片管式换热器的换热能力大(图5).在环境温度为30℃时,湿风冷却换热器换热量的增幅最小也达18%,且随着环境温度的增大,换热量增幅百分比Ψ也增大,在环境温度为38℃时,换热量的增幅可达40%. 4·2 空气经淋水填料的温降与环境温度的关系 空气经淋水填料后温度下降,降温温差随着环境温度的升高而增大(图6).与图5相对应说明了随着环境温度的升高,降温温差增大,换热量的增幅也增大. 4·3 淋水密度与填料厚度的关系 淋水量对填料中水与空气的热质交换影响较大.为了反映淋水量的影响常采用淋水密度.淋水密度是淋水量与填料的淋水断面积之比[3],即: 式中:ρl为淋水密度(kg/ (m2·s));Ml为淋水量(kg/s);Ft为填料的淋水断面积(m2).淋水密度的大小决定了填料的湿润程度.淋水密度过小,则部分填料会出现半干或无水现象,填料表面不完全湿润,在填料的通道中难于形成均匀的水膜,填料的降温效果大大降低;淋水密度过大,会造成送风带水和空气阻力的增大.但是通过填料的空气流带有水滴进入翅片管式换热器,水滴在翅片与传热管表面蒸发,有利于提高换热器的传热效果. 试验中的淋水量为0·118 kg/s,根据淋水密度的定义, 100和75mm填料的淋水密度分别为1·686和2·248 kg/(m2·s).试验发现在此淋水量下,两种填料均完全湿润,且75mm填料表面则形成较厚的水膜,送风均出现带水现象.从淋水密度可以看出,带水现象75mm比100mm填料系统严重. 4·4 风量与填料厚度的关系 在等焓加湿冷凝器中,填料与淋水会对送风产生阻力,从而降低了风机的送风量.为了反映填料厚度对风机风量的影响,采用风量比η表示,η为湿风冷却下风机的风量同无填料加湿时风机的风量之比,即: 式中:η为风量比(% ); V0为无填料加湿时风机的风量(m3/s); Vs为等焓加湿下风机的风量(m3/s). 根据风量比的定义, 100 mm填料喷淋系统的风量百分比为77·4%,与无填料相比风量降低22·6%; 75 mm填料喷淋系统的风量百分比为81·8%,与无填料相比风量降低18·2%.说明随填料厚度的增加,风阻增大. 5 结论 湿风冷却可以增加翅片管式换热器换热量,其冷却效果与环境温度、淋水密度以及填料厚度十分相关.湿风冷却为恶劣条件下的空调系统提供了一种新的思路,其试验数据及结果可以为相关研究提供参考,但实际应用还有待进一步的研究. 参考文献: [1]吕金虎,宋垚臻,卓献荣,等.进口空气相对湿度对直接蒸发冷却式空调机性能的影响[J].制冷, 2005, 24(3): 67-69. [2]卓献荣.湿风冷却分体式单冷空调器的试制与综合性能实验研究[J].制冷学报, 2009, 30(6): 44-48. [3]黄翔,张丹,吴志湘.蒸发冷却空调设计方法研究—两种蒸发冷却器热工计算方法的简化[ J].流体机械, 2006, 34(12): 75-78.【责任编辑 夏成锋】 |
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