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涂抹式表面蒸发冷却换热器性能的实验研究点击：2200 日期：[ 2014-04-26 21:39:18 ] |
| 涂抹式表面蒸发冷却换热器性能的实验研究 唐新邵 肖益民 （重庆大学城市建设与环境工程学院重庆400045） 【摘要】提出了一种在盘管换热器外表面进行涂抹布水的蒸发式冷却形式。通过实验，分别研究了涂抹水量和转速、换热盘管管径、换热盘管长度、换热器的工作冷却水流量以及空气含湿量等因素对换热性能的影响。实验得出空气含湿量每提高1%，单位面积换热量下降2%左右。分别对三个不同规格的换热器进行了五种工作流量的对比实验，给出了换热器制作规格及其工作流量的优化建议。 【关键词】涂抹式；蒸发冷却；实验研究 中图分类号：TK124文献标识码：A 文章编号：1671-6612（2011）02-107-05 0 ·引言 末端排热装置作为空调系统中不可或缺的一环，在整个系统中扮演着重要角色。目前广泛用于工业、商业及民用中，对空调系统中冷却水进行热处理的方法主要有空冷和水冷，开、闭式冷却塔是其中的代表设备之一。空冷即将空调冷却水直接喷淋冷却，该方式效率较低，水耗和能耗较高，破坏水质，并且受环境影响较大，使用受限；水冷又可分为显热交换为主和潜热交换为主两种热交换过程，前者常见于闭式冷却塔，通过喷淋水与管壁的显热交换冷却管内流体，其水消耗量大，配套的循环系统能耗高，综合使用成本高。后者是通过管外壁表面的水膜蒸发的汽化潜热带走空调冷却水热量，水的汽化潜热是其比热容的538.7倍，如果能实现盘外壁水膜的均匀连续，这种冷却方式的节能效果是十分可观的。美国《ASHRAE系统与手册》指出“蒸发式冷却是效率最高的冷却方式”[1]，这里的“蒸发式冷却”指的就是这种利用汽化潜热的冷却方式。 文献[2-8]对喷淋蒸发冷却换热时水膜的均匀性及传热强化方法进行了研究，本文根据“蒸发式冷却”的基本原理提出一种新的布水方式：旋转涂抹布水。旋转涂抹布水的宗旨是只为蒸发冷却提供必须的蒸发水量，并尽可能使其在换热器表面形成连续均匀的水膜。我们为此研制出了与这种布水方式相匹配的换热器，并且建立了相关的试验台对这种换热方式的影响因素进行了实验研究。 1·涂抹式表面蒸发换热机理 涂抹式表面蒸发冷却器的最大特点在于它不是用喷淋或者喷雾的方式来提供冷却蒸发所需的水量，而是通过一个旋转的涂抹装置将所需蒸发水量周期性的均匀而连续地涂抹于换热器的外表面。涂抹式表面蒸发冷却换热器的换热动力来自两个方面： （1）换热器表面水膜与外掠空气的温度差； （2）水膜温度下的空气饱和水蒸气分压力与外掠空气水蒸气分压力之差。 在二者的作用下，最终由空气将被冷却水的余热带走，实现管内冷却水的降温。其中主要动力是水蒸气分压力差。 由其换热动力来看，涂抹式表面蒸发冷却器的换热过程是一个相互耦合的复杂的传热传质过程。大体来说可分为三个过程： （1）冷却水通过管壁将热量传递到盘管外表面水膜； （2）盘管外表面水膜与空气间的对流传热； （3）盘管外表面水膜与空气的对流传质。 换热器工作时通过上述三个同时进行的传热传质过程实现热量向空气的转移，从而完成对管内冷却水的冷却。 2·换热实验系统 2.1实验换热器 涂抹式表面蒸发冷却换热器采用双螺旋盘管的形式制作，为管制螺旋流道圆盘形间接蒸发冷却器。它由两根并排的换热管盘旋而成，中心用U形接头连接两管，进水口和出水口位于相同位置。被冷却水经由进水口流入，沿螺旋流道前进，在盘管中心通过U形接头时，螺旋流动改变方向然后经出水口流出，完成冷却过程。换热器具体形式如图1、图2。 实验分别对三个不同规格的换热器（管材厚度相同）进行了实验测试，分别标为盘管1、盘管2和盘管3，其规格为：盘管1换热盘管管径DN12mm、长度24m，有效换热表面积0.9m2；盘管2换热盘管管径DN16mm、长度19m，有效换热面积0.9m2；盘管3换热盘管管径DN16mm、长度30m，有效换热表面积1.5m2。 2.2实验台 为了获得实验所需的流态稳定、流速均匀、空气参数相对稳定的实验气流，将换热器安装在风洞中进行试验[9]。试验台由风洞，旋转涂抹布水系统和冷却水系统构成，试验元件涂抹式表面蒸发冷却器固定于试验段中央，气流方向与冷却器径向平行。 2.2.1旋转涂抹补水系统 涂抹补水系统包括动力装置和补水装置，动力装置包括水泵和低转速无极调速电机，补水装置包括补水涂抹器、补水筒、中空补水轴和旋转布水连接器。旋转涂抹补水系统是将冷却所需的蒸发水量，通过涂抹布水器在散热器表面涂抹成均匀连续的水膜（见图2）。与喷淋系统相比，旋转涂抹补水的水量很小，只需要12～24L/h，实验通过转子流量计来控制，控制误差在0.1L/h。为了保证蒸发冷却器表面水膜的连续和完整，必须周期性的对水膜进行补水，因此，系统中包含一台可无级调速的低转速电动机（转速15r/min≤r≤50r/min），以完成整个补水过程。 2.2.2冷却水系统 实验采用的冷却水系统通过水泵将保温加热水箱中的热水送至实验换热器部位进行冷却，在进入换热器之前通过转子流量计、精密压力表和水银温度计测量冷却水流量、供水压力及冷却水温度。经过换热器之后再对其温度和压力进行一次测量，然后又回到保温加热水箱。水箱中的温度通过热电偶温控系统控制加热器的开关，以保证水箱中的温度恒定在37℃左右。 3·实验方案 3.1换热器性能指标确定 本文主要研究换热器的换热性能，具体因素为换热器的流道管径和流道长度以及涂抹水量和转速。实验以单位面积换热量和压降作为换热器的换热和流动性能评价指标，根据实验测试数据，采用式（1）和（2）计算。 （1）换热器单位面积换热量 式中，qs为换热器单位面积换热量，kW/m2；ms为一次冷却水流量，kg/h；cp为水的比热，取4.2kJ/(kg·K)；A为换热器面积，按管径平均直径计算，m2；tsi、tso为一次冷却水进、出口温度，℃。 （2）换热器压力损失 ΔP=Pi-Po（2） 式中，ΔP为换热器压力损失，MPa；Pi、Po为一次冷却水进、出口压力，MPa。 3.2测试仪表及方法 试验中使用的测量仪器主要有智能环境测试仪（温度测量精度0.1℃，相对湿度测量精度0.1%，空气速度测量精度0.01m/s）、水银温度计（精度0.01℃）和转子流量计（测量精度0.5L/h）。具体的测试方案如下表1所示。 4·试验结果及分析 在中心迎面风速2.94m/s，涂抹转速42r/min的情况下，在不同的进风状态下（具体参数值见图3）对三个换热盘管进行实验测试，分别分析了空气相对湿度、盘管管径、盘管长度以及涂抹转速和水量对换热量的影响，并对盘管的压力损失规律做了对比分析，所得结果如下： 4.1涂抹转速与水量对换热的影响 以盘管1为例，图4反映了涂抹转速和水量的相关关系。换热量的变化规律表现为：随涂抹转速的增加，换热量减小，涂抹水量增加，换热量变化趋势不定；这是旋转涂抹布水的特点决定的。旋转涂抹布水的关键在于在换热器表面形成均匀连续的水层薄膜，其厚度越小换热效率越高，旋转涂抹的目的也是为了对水层薄膜进行周期性的水分补充。 结合图4，我们可以知道，在补水量满足蒸发所需的前提下，较小的涂抹转速对蒸发换热有利。在涂抹水量定量时需要根据具体的经济效益决定。图4显示涂抹水量为24L/h时，换热量最大，但同时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换热量带来的经济效益，是我们决定是否采用较大涂抹水量的根据之一。 4.2相对湿度对换热的影响 从图3可知，盘管2工况一和工况二的进风温度基本相同，但其相对湿度相差10%左右，而工况二和工况三的进风条件基本是相同的，它们的差别在0.3～1%之间，在这种条件下实验结果的对比是可信的。 图5表明进风含湿量对换热量有较大影响。随冷却水量的增加换热变化率有所增大，当换热器达到在该工况下的最大换热能力时，在进风含湿量相差10%的情况下，换热变化率稳定在20%左右，即进风含湿量增加1%，换热器换热量要下降2%左右。 从单工况来看，换热量随冷却水量的增大而增大，但增加的速率逐渐下降。以盘管2为例，当水量由200L/h增加到500L/h时，换热器的换热量增加了51%，而水量由500L/h增加到600L/h时，换热量仅增加了5%。盘管换热量增加可降低对总换热面积的需求与金属消耗量，但会增加冷却水循环泵能耗。根据实验结果，当采用与实验换热器规格接近的换热器时，冷却水量采用500L/h左右为宜。 4.3盘管管径和长度对换热的影响 经实验研究发现，换热盘管管径不同，但换热面积一样时，其换热量也存在差别。工况三时，盘管1和盘管2的换热量比较见图6。从图上可以看出，在相同工况下，盘管1要比盘管2的换热量小。冷却水量200L/h时，换热量小16%，且随冷却水量的增加减小幅度有所增加，但是基本都维持在24%左右。因此，制造相同散热表面积且换热能力相同的换热器，采用DN16mm的管材要比DN12mm的管材节省24%左右的金属耗量。 而对于同样为DN16mm的换热器，增加它的长度，却并不能增加其换热能力。如图7所示，在同样的工况下，盘管2和盘管3的单位面积换热量相差36%，较短的管长更有利于热量交换。在这种情况下，我们必须要考虑最优管长的问题，冷却水沿管流动，沿程温度逐渐降低，越到尾部其换热温差越小，换热能力越差，为了达到冷却水温降的要求，并且取得较好的经济效益，换热器制作时必须考虑最优管长问题。 4.4换热器压力损失 图8显示，换热盘管的压力损失随一次冷却水流量的变化曲线呈抛物线型，这符合流体力学的基本规律。由于盘管的阻抗可视为定值，小管径的盘管阻抗更大，因此，其流动压力损失随流量增长的速率也大于大管径的盘管，即冷却水流量越大时，二者压力损失的差异也越大。由拟合趋势曲线的方程可以看出，盘管压力损失与冷却水流量的平方成正比。 5·结语 通过以上实验研究，可以得出以下结论： （1）涂抹式蒸发冷却/冷凝器用水量很小，可以节约运行过程中产生的大量水耗。事实上实验中的涂抹水量的绝大部分都是通过接水盘排走，实际所需的涂抹水量要远远小于试验中所用涂抹水量，这需要制作涂抹效果更好的布水器来实现； （2）影响涂抹式蒸发冷却换热器的换热效果的主要因素是空气的含湿量，含湿量每增加1%，换热量相应地减小2%左右； （3）涂抹式间接蒸发冷却器本身结构的合理与否也将影响其换热性能。实验表明换热盘管的管径及其管长是两个影响换热的主要结构因素，实验表明相同的换热面积，管径DN16mm比DN12mm的换热器换热量大24%左右，而相同管径（DN16mm）时，盘管2比盘管3的单位面积换热量高出36%； （4）涂抹式间接蒸发冷却主要由水膜的蒸发潜热带走热量，由实验结果可以看到，实验换热器单位面积换热器的处理能力大约是500L/h，换热量为2.19kW/m2。因此若要大量使用其金属耗量和盘管规模将颇为巨大，由此可以预见，这种涂抹式蒸发方式在冷凝技术方面的应用前景要远远大于冷却技术方面的应用。 参考文献： [1]李卫军,董小强,杨君.蒸发式冷凝/冷却技术的应用及研究进展[J].制冷与空调,2010,10(1):40-44. [2]朱冬生,涂爱民,蒋翔,等.蒸发式冷凝冷却设备的研究状况及其应用前景分析[J].化工进展,2007,26(10):1404-1410. [3]丁良士,王建军,姜明健.间接蒸发冷却式板式换热器热工特性实验研究[J].工程热物理学报,1997,18(1):85-89. [4]王中铮,郭新川,姜正中,等.非直接蒸发冷却系统[J].天津大学学报,1994,27(3):305-309. [5]郭新川,赵旭贵,王中铮.液膜蒸发强化传热表面的传热与流动特性分析[J].太阳能学报,1997,18(2):79-82. [6]陈伟琳,王冬丽,陈伟坷.间接蒸发冷却的传热强化研究[J].天津理工学院学报,1997,13(2):10-14. [7]黄翔,周斌,于向阳,等.管式间接蒸发冷却器均匀布水的实验研究[J].暖通空调,2006,36(12):48-52. [8]蒋翔,朱冬生,唐广栋.蒸发式冷凝器管外水膜与空气传热性能及机理的研究[J].流体机械,2006,36(8):59-61. [9]肖益民,何叶从,邹国荣.地铁专用蒸发冷却器技术研究报告[R].成都:中铁二院,2009. |
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