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管式间接蒸发冷却系统中强化管外传热传质方法分析

点击:2157 日期:[ 2014-04-26 21:54:04 ]
                 管式间接蒸发冷却系统中强化管外传热传质方法的对比分析                                      樊丽娟  黄翔  吴志湘                                (西安工程大学,陕西西安 710048)     摘要:从强化传热的理论出发,以管式间接蒸发冷却器为研究对象,就如何开发和研究低能耗和高效的管式间接蒸 发冷却器,阐述了几种强化传热传质的方法。通过对比分析,采用亲水铝箔管材,在管外包覆吸水性纤维织物或网状结 构材料,在换热管外涂敷有机无机复合亲水膜,是几种行之有效的增强管式间接蒸发冷却系统中换热管传热传质的措 施。经过强化传热传质优化设计的管式间接蒸发冷却器,冷却效果好,具有广阔的应用前景。     关键词:管式间接蒸发冷却器;强化传热传质;亲水铝箔;多孔陶瓷;波纹管;吸水性材料;亲水涂层     中图分类号:TB6    文献标识码:A     1 前言     随着空调的普及以及空调节能问题的日益突 出,蒸发冷却空调技术正以其节能、环保、经济等 优点在住宅和大型建筑中得到越来越多的应用。 间接蒸发冷却器是蒸发冷却空调的核心装置,蒸 发冷却技术的发展依赖于间接蒸发冷却技术的突 破和进展。而管式间接蒸发冷却器是间接蒸发冷 却技术的最普遍的表现形式,间接蒸发冷却技术 的突破和进展取决于管式间接蒸发冷却器效率的 提高。 根据蒸发冷却原理,水的蒸发是冷却降温的 前提。管式间接蒸发冷却器管外侧实现的是水与空气直接接触,空气等焓冷却过程,被冷却的水通 过间壁吸收管内一次空气的热量。也就是说,管 外侧的传热传质效果直接影响到一次空气的温 降,也将决定了换热器的效率。设法增强管外空 气与水的传热传质,就能提高管式间接蒸发冷却 器的效率。所以管式间接蒸发冷却器的管外强化 传热传质的研究具有很高的价值与意义。国内外 对强化传热传质进行的研究取得了丰硕的成果, 目前已有的强化传热传质技术不下百余种[1、2]。 强化管式间接蒸发冷却器的管外传热传质的方法 也很多,如对管外进行特殊设计、设计合理的布水 方式、在喷淋水中添加润湿剂等。本文以管式间 接蒸发冷却器为研究对象,重点从对管外进行特殊设计出发,阐述了几种强化传热传质的方法,研 究了如何强化管式间接蒸发冷却器的传热传质性 能,为开发和研究低能耗、高效率的管式间接蒸发 冷却器奠定了基础。     2 换热器强化传热理论原则     2.1 增大传热面积F     扩展传热面积是增加传热效果现在使用最多 的方法,是通过合理地提高设备单位体积的传热 面积来达到增强传热效果的目的,如在换热器上 大量使用单位体积传热面积比较大的翅片管、波 纹管、板翅传热面等材料,通过这些材料的使用, 单台设备的单位体积的传热面积会明显提高,充 分达到换热设备高效、紧凑的目的。     2.2 增加对数平均温差Δtm     加大换热器传热温差Δtm是加强换热器换热 效果常用的措施之一。但是,增加换热器传热温 差Δtm是有一定限度的,不能把它作为增强换热 器传热效果最主要的手段,使用过程中应该考虑 到实际工艺或设备条件上是否允许。依靠增加换 热器传热温差Δtm只能有限度的提高换热器换热 效果。     2.3 提高传热系数K     从传热系数的计算公式:                           传热系数K值与管内外换热系数αi(αo)、管 内外污垢系数ri(ro)、换热管直径、壁厚、材料有 关,而主要因素取决于αi、αo、ro、ri,即提高管内外 换热系数αi(αo)、降低管内外污垢系数ri(ro)。 提高αi和αo可以从流体的流动状态入手:一 是适当增加流体的流速;二是设计适当的截面状 态,实现湍流和程度较高的紊流,使流体不断冲击 破坏边界层。     降低ri和ro可以从减少管内外结垢入手。因 为在换热器的运行中由于温度及其他条件的变 化,流体中的一些污垢会增大换热器的总热阻。 降低热阻需从以下几个方面考虑:适当提高流速、 改变流动路径形状、选不易腐蚀的光滑材料。 综上所述,提高对数平均温差受到实际工艺 或设备条件的限制,选择高对数温差会使能耗增 加,因而不是最佳途径;加大换热器的换热面积可以有效地强化传热传质,但势必造成设备体积增 大及成本的增加,因而是有一定限度的;最理想的 办法就是提高传热系数K,它可以通过提高管内 外换热系数αi(αo)、降低管内外污垢系数ri(ro) 来实现。     3 强化传热传质方法     3.1 选用优质管材     3.1.1 亲水铝箔     亲水铝箔的主要性能指标是亲水性,用水滴 在铝箔表面的接触角的大小来表示。与普通铝箔 相比,水滴在亲水铝箔表面的接触角很小,可以形 成均匀水膜,从而增大了蒸发表面,促进了蒸发传 热。因此使用亲水铝箔的换热器,不仅能大大提 高热交换效率,减少空调器体积,而且可以节省能 源,延长空调器的使用寿命[3~6]。     为了得到水在亲水铝箔表面的铺展情况,采 用JC2000A静滴接触角/界面张力仪测试了几种 亲水铝箔。通过测试得知水在亲水铝箔表面的接 触角约为60°(如图1所示),用它来做间接蒸发 冷却换热器的换热管,可以满足要求。                                                           图1水在亲水铝箔表面分布示意      另外,亲水铝箔由于表面光滑,容易冲洗,所 以不易滋生细菌,耐腐蚀性能也很高。而且亲水 铝箔在我国已经大量生产,所以成本较低。因此, 亲水涂层铝箔已成为空调器升级换代必不可少的 关键材料之一。     3.1.2 多孔陶瓷     多孔陶瓷最大的结构特征就是多孔性,多孔 陶瓷的孔结构特征与陶瓷本身的优异性能结合, 使其具有均匀的透过性、发达的比表面积、低密 度、低热导率、低热容以及优良的耐高温、耐磨损、 耐气候性、抗腐蚀性和良好的刚度、一定的机械强度等特性。由于具有这些优良特性,多孔陶瓷可 以作为蒸发冷却的一种可用材料[7]。     陶瓷的导热系数比纤维的导热系数高,但比 金属的导热系数低。这种水平在空调应用中处理 热/质传递是很好的。还有陶瓷的孔隙度对需要 传递的水分保留是足够的。带有低孔隙度的陶瓷 是更好的,因为它有更小的蓄水能力,能够增强显热交换。     当多孔陶瓷应用于间接蒸发系统时,可与同 种材料制成的薄膜结合起来以避免水分的渗透。 在硬度方面,大多数的多孔陶瓷具有50~ 400Gpa的杨氏模数,适合用作换热器板。多孔陶 瓷在潮湿条件下是耐用的,与同种材料制成的固 体膜具有很高的兼容性。多孔结构在潮湿条件下 可能会滋生细菌,因为小孔隐藏在结构内部,增大 了清洗/卫生的困难。在成本方面,它大约是同种 材料金属板价格的两倍。     3.2 对换热管进行特殊处理     3.2.1 灯芯效应     传统金属热交换器主要有铝、铜或它们的合 金制成,形状可以是板式和管式。这种表面有相 对很小的毛细作用,很难保持住水分进行蒸发冷 却作用。为了提高表面的毛细作用,可以考虑在 板或管的一面用多孔材料代替光滑的表面。这时 就要考虑一些多孔结构的金属,也就是具有灯芯 结构的金属、金属泡沫或金属绒[1]。     灯芯效应可能是以下结构中的一种,例如烧 结点、微孔、网眼、凹槽或须状,把它们制成管/板 式保存蒸发的水分。依靠灯芯的结构、密度和外 形,它的孔隙度在20%~90%范围内变化。     最近几年,基于铜或铝的高传导泡沫材料已 经用于热交换器。这些泡沫材料包含敞开的胞状 结构,通过气体或液体流过泡沫材料,同时冷却或 加热泡沫材料,使得胞状结构中的热量排除,气体 或液体增加。由于这种敞开的多孔结构,大量的 水包含于其中,允许水分转移。这种泡沫材料可 以用不同的方式制作,例如融化、粉化、溅射和沉 淀。每一种方法适用于典型的密度范围、孔眼大 小和孔眼布局,因此导致孔隙度在30%~80%的 范围内。目前,在恒定孔隙度80%的情况下,微 孔的尺寸在4.5~0.5mm范围内已经得到实现, 因此,孔隙度、外形和结构费用是相互关联的。 金属绒是另一种多孔金属,主要是由铜、铝和 它们的合金制造的。基于金属纤维长度、直径和密度,孔隙度在30%~95%范围内变化。研究发 现一种铜绒的孔隙率是0.95,这种铜的导热系数 降为1.0~2.7W/(m·K)。     在硬度方面,铜和铝都适合用作换热板,因为 它们都能达到足够的杨氏模数,从70~140Gpa, 适合定型和维持形状稳定。铜和铝都很耐用并且 和同种固体金属的兼容性也很好。在细菌滋生风 险方面来说,利用灯芯效应(烧结点、微孔、网眼、 凹槽或须状)制成的金属比金属泡沫材料和金属 绒好得多,因为这种板上的小孔是暴露的,而不是 隐藏的,这就有利于隔层的清洗/卫生处理。在造 价方面,铝是很好的选择,因为铝要比铜便宜得 多。     3.2.2 波纹管     波纹管是一种双面强化传热传质的管型,内 外壁被轧成波纹凸肋,其内壁能改变流体边界层 的流动状态,外壁能增大传热表面和扰动,达到双 面强化传热传质的目的[8、9]。     其一,由于波纹管截面的周期性变化,使得流 体液膜的流动是在反复改变轴向速度和压力梯度 下进行的,处在规律性的扰动状态,使得湍流程度 加剧,而液膜的湍流和附加的扰动冲刷了流体的 边界层,使得边界层减薄,降低传热热阻,使流动 工质在较低的流速下就能实现紊流,强化了传热; 其二,波纹管具有极好的自洁能力,由于液体湍 流,不断冲刷内壁,使得污垢很难形成,大大较少 了污垢热阻,强化了传热[10、11];其三,结构紧凑, 具有热补偿能力,可在较大温差下操作:由于换热 系数较高,在同样换热条件下,结构紧凑,节省材 料,占地面积小[12]。     波纹管换热器加工制造工艺成熟,可大量推广应用。     3.2.3 管外包覆材料     在管式间接蒸发冷却器管外包覆吸水性材料 的目的是在换热器管外表面形成均匀的水膜,增 加水与换热器的接触面积和接触时间,以此达到 强化管外的水、二次空气与管内的一次空气之间 的换热,从而提高蒸发冷却器的传热传质效果。 棉纤维织物为亲水性纤维,吸水能力和保水 能力很高,但导湿性能、导热性能和耐腐蚀性都很 差;涤纶纤维织物为疏水性纤维,具有吸水快干的 特性,导热系数一般,耐腐蚀性能较好;异形纤维 Coolplus织物,是对普通涤纶纤维进行改性后得 到的,吸湿快干,导热系数一般,耐腐蚀性能较好;丙纶纤维织物的吸湿性很小,几乎不吸湿,一般大 气条件下的回潮率接近于零。但它有芯吸作用, 能通过织物中的毛细管传递水蒸气,但本身不起 任何吸收作用,导热系数较大,具有较好的耐化学 腐蚀性,对酸和碱抵抗性能良好;金属纤维织物含有少量金属成分,吸湿快干,导热系数大,耐腐蚀 性能较好;不锈钢网状结构材料保水能力很好,蒸 发效果最好,导热系数最大,耐腐蚀性能很好。通过比较可知,不锈钢网状结构材料、金属纤维织物和丙纶纤维织物是很好的包覆材料,非常适于包覆在管式间接蒸发冷却器的换热管外来增强其传热传质。     浸湿以后的纤维表面很容易滋生细菌,因此 纤维不是蒸发冷却的完美材料。在造价方面,纤维制品相当便宜,因此频繁的替换是可行的,这可 以克服寿命短和易污染的缺点。     3.3 亲水性涂层     3.3.1 纳米亲水涂层     TiO2表面经紫外光照射后表面具有超亲水特 性。通常情况下,水滴滴在TiO2薄膜表面,接触 角比较大。在紫外光的照射下,TiO2的带价电子 被激发到导带,在表面生成电子空穴对,电子与 Ti4+反应,空穴则与表面桥氧离子反应,分别生成 Ti3+和氧空位,空气中的水解离子吸附在氧空位 中,形成表面羟基,表面羟基可以进一步吸收水 分,形成物理水吸附层。这样在Ti3+缺陷周围形 成了高度亲水的微区,而表面剩余区域仍为疏水 性。由于水滴尺寸远远大于亲水面积,故宏观上 TiO2表面表现出亲水性,水被亲水微区吸附,从而 扩展浸润表面。随着光照时间的延长,接触角不 断减小,甚至到达0°。停止紫外光照射,表面羟 基被空气中的氧所取代,将会重新回到疏水状 态[13\]。     这种纳米亲水薄膜的局限性在于:当TiO2薄膜失去紫外光的照射时,将会失去亲水性,回到疏水状态,不能长时间稳定地保持亲水性。而在管式间接蒸发冷却系统中,换热管多处于黑暗状态, 所以这种纳米涂层不适合用在管式间接蒸发冷却系统中来提高其亲水性。     3.3.2 亲水膜     亲水涂膜按材料分类有三种:(1)无机物质 (如:水软铝石、水玻璃等),这种材料由于水润湿 性好,因而接触角小,亲水持续性好,但因处理条 件严格,耐蚀性不够理想;(2)有机树脂(亲水性树脂和表面活性剂合用),初期的亲水膜由于并 用表面活性剂,确保了水润湿性和低接触角,但因 表面活性剂的持续性差,现在基本上不再使用; (3)二氧化硅、有机树脂和表面活性剂合用,这种 处理剂的亲水性是利用具有和水玻璃类似结构的 无机高分子二氧化硅的亲水性和保湿性,并考虑 到二氧化硅不能单独成膜的特点,加进了有机树 脂作为粘合剂,同时为了降低接触角又加入了具 有润湿性的表面活性剂,使三者结合,起到了亲水 作用[14~16]。     早在1988年前西德就报道了一种由底、中、 面三层组成的复合涂层体系,效果不错。日本 Tanaka及Imai各自研制的有机无机复合亲水涂 膜均具有良好的亲水性和耐蚀性,但涂料中的硅 酸盐致使涂膜发出似泥的臭味。而Bunji等研究 的双层复合亲水涂膜则具有良好的亲水性、成型 性和无臭味性[17、18]。 国内对铝箔亲水涂层的研究起步晚,中南大 学、北京试剂研究所、东北大学等单位对亲水涂料 作过初步探讨和一些研究,但都集中于对有机亲 水涂层的研究。对有机无机复合薄膜的研究很 少。     笔者以实验的方法验证了有机无机复合薄膜 在提高铝箔表面亲水性方面的有效性。制备了一 种以改型硅酸钠为基料的溶液,经这种溶液处理 后,铝箔表面形成薄膜,亲水性有了很大提高,水在铝箔表面可以完全铺展,也就是接触角几乎为 0,如图2所示。                            为了得到薄膜耐水性的好坏,将试样在去离 子水中浸2min后干燥6min为一个干湿循环,如此经150次干湿循环后,再测量涂膜的亲水性。 通过实验得知,该薄膜持续亲水性很好,经150次 干湿循环后水在铝箔表面的接触角并没有显著提 高。     4 强化传热传质方法的对比分析     比较亲水铝箔和多孔陶瓷两种管材得知,两 种都可以用在间接蒸发冷却系统中,但就换热系 数来说,亲水铝箔高于多孔陶瓷,更重要的是,亲 水铝箔已经大规模生产,成本较低,而多孔陶瓷大 约是同种材料金属板价格的两倍,因此制作换热管优选亲水铝箔材料。     对比三种对换热管特殊处理的方法可知,三 种方法都可以增强传热,但是灯芯结构和波纹管 制作工艺复杂,不容易成形,成本高;而纤维织物 和网状结构材料相当便宜,因此频繁的替换是可 行的,这可以克服寿命短和易污染的缺点,其中不 锈钢网状结构材料、金属纤维织物和丙纶纤维织 物是很好的包覆材料,非常适于包覆在管式间接 蒸发冷却器的换热管外来增强其传热传质。 通过分析,纳米TiO2亲水涂层只有在紫外光 照射下才具有亲水性,不适合用在管式间接蒸发 冷却系统中;有机无机复合亲水涂膜具有良好的 亲水性和耐蚀性,不需要光照,所以非常适合在换热管外表面采用。     总的来说,采用亲水铝箔管材,在管外包覆吸 水性纤维织物或网状结构材料,在换热管外涂敷有机无机复合亲水膜,是几种行之有效的增强管 式间接蒸发冷却系统中换热管传热传质的措施。     5 结语     为了提高管式间接蒸发冷却器的传热传质性 能,本文从强化传热的理论出发,就如何开发和研究低能耗和高效的管式间接蒸发冷却器,阐述了几种强化传热传质的方法。     通过对比分析得出,采用亲水铝箔管材,在管 外包覆吸水性纤维织物或网状结构材料(不锈钢 网状结构材料、金属纤维织物和丙纶纤维织物是很好的包覆材料),在换热管外涂敷有机无机复合亲水膜,是几种行之有效的增强管式间接蒸发 冷却系统中换热管传热传质的措施。并通过实验的方法验证了这一结论。经过强化传热传质优化 设计的管式间接蒸发冷却器,冷却效果好,具有广 阔的应用前景。     管式间接蒸发冷却器的管外强化传热传质的 研究,完善了蒸发冷却技术的理论,为开发和研究低能耗、高效率的管式间接蒸发冷却器奠定了基 础,进一步推广了蒸发冷却技术的应用。     参考文献     [1] ZhaoX,ShuliLiu,RiffatSB.Comparativestudyofheat  andmassexchangingmaterialsforindirectevaporative 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