蒸發(fā)式冷卻器的傳熱傳質(zhì)試驗(yàn)研究

1、蒸發(fā)式冷卻器的傳熱傳質(zhì)試驗(yàn)研究蔣常建范云良楊強(qiáng)生摘要：對蒸發(fā)式冷卻器傳熱傳質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了討論，重點(diǎn)是它的容積散質(zhì)系數(shù)以及工藝水到水膜的傳熱系數(shù).介紹了試驗(yàn)臺和各測試儀表，給出了對兩個試件的測試結(jié)果，整理了xv和K的變化規(guī)律，并與計算結(jié)果作了分析對比.關(guān)鍵詞：蒸發(fā)式冷卻器；冷卻塔；傳熱傳質(zhì)過程；容積散質(zhì)系數(shù)中圖分類號：TK 124文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AExperimental Heat and Mass Transfer Study of Evaporative CoolerJIANG Chang-jianFAN Yun-liangYANG Qiang-shengSchool of Powe

2、r and Energy Eng., Shanghai Jiaotong Univ., Shanghai 200030, ChinaAbstract： The data processing method of experimental heat and mass transfer results of evaporative cooler was discussed. It is emphasized to its volumetric mass transfer coefficient and the overall heat transfer coefficient from the p

3、rocessing water to the tube water film. The experimental test rig and measuring device were presented. The variation of the value of xv and K from the experimental results of two models was deduced. The comparison and analysis between the experimental results and calculated data were introduced.Key

4、words： evaporative cooler; cooling tower; heat and mass transfer process; volumetric mass transfer coefficient在逆流式蒸發(fā)冷卻器中，工藝水和管外的噴淋水與冷卻空氣總體上呈逆流流動，可按焓差法或壓差法進(jìn)行計算和設(shè)計14.橫流式中空氣以橫向在管外掠過，與工藝水和噴淋水呈垂直方向流動，它們之間在總體上呈三維流動特性5.蒸發(fā)式冷卻器是把冷卻器和冷卻塔結(jié)合在一起的一種設(shè)備，不但使冷卻系統(tǒng)大為簡化，同時降低了造價和運(yùn)行費(fèi)用.這種冷卻器通過管外水膜的蒸發(fā)和傳質(zhì)來強(qiáng)化傳熱，其計算原理和開式冷卻塔相同，

5、一般采用焓差法進(jìn)行計算.即以水膜的飽和空氣焓h和主流空氣焓h的差值作為推動力.文獻(xiàn)13中討論了逆流式蒸發(fā)冷卻器的設(shè)計計算方法，其中管內(nèi)工藝水到管外水膜是常規(guī)的傳熱過程，從水膜到空氣則是一個傳熱傳質(zhì)過程.前者取決于傳熱過程的總傳熱系數(shù)K，后者與該設(shè)備的容積散質(zhì)系數(shù)xv密切相關(guān).文獻(xiàn)4中較深入地討論了下降熱液膜進(jìn)入層流氣流的蒸發(fā)過程，分別列出了界面和邊界條件.本文通過數(shù)值求解，并通過試驗(yàn)測得局部壁溫分布后進(jìn)行校核.文獻(xiàn)5中對橫流式蒸發(fā)冷卻器的設(shè)計計算方法進(jìn)行了深入的分析，并對該試驗(yàn)臺改裝后進(jìn)行噴霧強(qiáng)化空氣冷卻器的實(shí)驗(yàn)研究6.關(guān)于蒸發(fā)式冷卻器的實(shí)驗(yàn)研究，文獻(xiàn)2，3中有一些討論.由于傳熱傳質(zhì)過程與工藝

6、水、噴淋水和冷卻空氣三者的流量和參數(shù)有關(guān)，影響的因素較多，有必要作一些深入的工作.本文就兩個試驗(yàn)段在試驗(yàn)臺上進(jìn)行了測試，討論了數(shù)據(jù)處理的方法，根據(jù)測試結(jié)果整理了總傳熱系數(shù)和容積散質(zhì)系數(shù)的變化規(guī)律，并與文獻(xiàn)上推薦的結(jié)果作了分析對比.1可調(diào)風(fēng)門， 2畢托管， 3微差壓變送器， 4風(fēng)機(jī)， 5風(fēng)箱體， 6噴淋水箱， 7電加熱器8水泵， 9回水閥， 10溫度傳感器， 11調(diào)節(jié)閥， 12溫控儀， 13轉(zhuǎn)子流量計14傾斜式微壓計， 15噴淋水進(jìn)水管， 16噴淋水回水管， 17均風(fēng)箱， 18蒸發(fā)冷卻器試件19收水器， 20配水管， 21配水箱， 22熱水泵， 23熱水箱， 24電加熱器25三相調(diào)壓變壓器， 2

7、6微機(jī)采集系統(tǒng) 圖1試驗(yàn)裝置系統(tǒng)Fig.1Experimental device and system of evaporative cooler1試驗(yàn)裝置整個試驗(yàn)臺由風(fēng)機(jī)和供風(fēng)系統(tǒng)、工藝水(熱水)系統(tǒng)、噴淋水系統(tǒng)以及測量和控制設(shè)備組成，如圖1所示.試驗(yàn)臺組成和各部件的說明可參見文獻(xiàn)6.試驗(yàn)段由銅管管束組成.共做了兩個冷卻器的試驗(yàn)段.其中一個為12 mm×1 mm的紫銅光管作為換熱表面，每排采用17根管，橫向節(jié)距28 mm，即S1d2.33.縱向?yàn)?排錯列，間距30 mm，即S2d=2.5，管長500 mm.另一個為17 mm×1 mm的低翅片紫銅管束.翅片厚度約0.9 m

8、m,翅片間距約2.0 mm，翅片厚度為0.3 mm，翅化系數(shù)為1.96.橫向節(jié)距為46 mm，縱向節(jié)距為40 mm.工藝水(熱水)在管內(nèi)流過，管箱的隔板使水側(cè)為四流程布置.為測量水溫的變化，在管箱內(nèi)裝有5對銅-康銅熱電偶，用來測量進(jìn)口水溫和每流程出口的水溫.工藝水系統(tǒng)由熱水箱、熱水泵、轉(zhuǎn)子流量計以及相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥門組成.熱水箱中布置了9根3 kW的電加熱器，分成兩組.其中一組直接與電源相連，另一組則經(jīng)過三相調(diào)壓變壓器加以調(diào)節(jié).在試驗(yàn)段進(jìn)口和出口處分別裝有刻度為0.1的水銀溫度計，可對熱電偶測量結(jié)果進(jìn)行校核.銅管外的噴淋水為壓力配水，配水管由12根12 mm、長500 mm的銅管組成，在每根銅管的

9、底部開兩個3 mm的噴水孔，對應(yīng)每個噴水孔下吊一銅制濺水盆，可使水均勻淋水.配水裝置的上部為有機(jī)玻璃制成的板條狀收水器.收水器分成3層，每層17片，空氣在空氣槽間以Z形通過，除水效果好，未發(fā)現(xiàn)飄水現(xiàn)象.為了使蒸發(fā)式冷卻器有較好的冷卻效果，必須使噴淋水均勻流下，確保試驗(yàn)管外有一層均勻的水膜，這樣空氣流過時因水膜汽化吸熱使工藝水得到冷卻.該試驗(yàn)臺具有獨(dú)特的配風(fēng)系統(tǒng).經(jīng)用熱線風(fēng)速儀校核，在未安放試驗(yàn)段時，氣流在出風(fēng)口上部截面的速度基本均勻，只是矩形截面的四角流速較平均流速約低10%.為了測量空氣在流過試驗(yàn)段前后的干濕球溫度，采用一種特制的樹枝狀采氣管，借助風(fēng)機(jī)的抽吸把濕空氣吸入，經(jīng)干球和濕球的熱電偶

10、測得空氣的干濕球溫度.分別測量了試驗(yàn)段下端以及淋水管上方的空氣干濕球溫度，還測量了大氣的干濕球溫度和當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?在試驗(yàn)過程中用5對銅-康銅熱電偶用于測量工藝水每流程的進(jìn)出口溫度，且在進(jìn)水管和出水管處用0.1精度的溫度計直讀.在試驗(yàn)管束每排管中間一根水管的下端各設(shè)置一對銅-康銅熱電偶，一共有4對，其接點(diǎn)與管壁表面并不接觸，測得的是水膜溫度.此外，在噴淋水的進(jìn)水和出水總管上各有一對熱電偶測量噴淋水的供水和回水溫度.循環(huán)的噴淋水量和工藝水(熱水)量均用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(LZB-50)測得，其量程為0.66 m3/h.風(fēng)量測量是在進(jìn)風(fēng)口的收縮喉管處用畢托管測得動壓，經(jīng)西安儀表廠生產(chǎn)的1151DR型微差

11、壓電容式變送器，并把420 mA的電流轉(zhuǎn)換成420 mV輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).蒸發(fā)冷卻器試件的壓力損失用傾斜式微壓計測得.各測量點(diǎn)的銅-康銅熱電偶(共15對)再加上微差壓變送器的一對讀數(shù)均送往3054A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(即3497A數(shù)據(jù)采集器與HP-85B微機(jī)相連)，最后經(jīng)微機(jī)處理和打印結(jié)果.工藝水量和噴淋水量的數(shù)據(jù)則經(jīng)人工采讀后由鍵盤輸入.2數(shù)據(jù)處理方法根據(jù)測得的干球溫度和濕球溫度，可確定其相對濕度為=p-Apb(-)/p(1)式中：p和p分別對應(yīng)于和的飽和蒸汽壓力；pb為大氣壓力；A為常數(shù).對于通風(fēng)式溫度計，A=0.000 662.此外還可求得空氣的含濕量x、密度(kg/m3)和焓h(J/kg)分

12、別為x=p/(pb-p)(2)(3)h=1.005+0.622x(2 501+1.846)×103(4)由測得的工藝水質(zhì)流量m*w和它的進(jìn)出口溫度、空氣質(zhì)流量m*a和它的進(jìn)出口焓值，可分別求得水側(cè)和空氣側(cè)的熱量以及熱平衡誤差，即Qa=ma(h2-h1)(5)Qw=mwcpw(tw1-tw2)(6)=100×(Qw-Qa)/Qw(%)(7)在測試過程中，工況的穩(wěn)定是十分重要的，只有在穩(wěn)定工況下才能確保熱平衡誤差在8%以下.首先對試驗(yàn)臺的各個系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，再對每個工況用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)控和測量，待工況穩(wěn)定后相隔10 min連續(xù)測量兩次，各主要參數(shù)值基本不變才轉(zhuǎn)入下一工況.熱平

13、衡誤差在10%以上應(yīng)予以剔除.由焓差法的麥克爾方程，在一段微小容積dV中，水膜的飽和空氣焓h和主流空氣焓h之差構(gòu)成了傳熱傳質(zhì)的推動力：mwcpwdt=madh=xv(h-h)(8)式中：xv為容積散質(zhì)系數(shù).在冷卻塔中xv常取作淋水密度和空氣質(zhì)速度的函數(shù)，對不同的填料分別給出其變化特性.在蒸發(fā)式冷卻器中，xv一般為空氣側(cè)雷諾數(shù)Rea、水膜側(cè)Rew以及結(jié)構(gòu)尺寸的函數(shù)13.在給定結(jié)構(gòu)尺寸和運(yùn)行工況的Rea和Rew下，xv可作為該設(shè)備的平均值取作常數(shù).對式(8)從進(jìn)口到出口進(jìn)行積分，有(9)式中，hm為對數(shù)平均焓差.考慮到管外水膜溫度為非線性分布，取進(jìn)出口兩點(diǎn)作為計算依據(jù)不妥.可把測得的水膜溫度取平均

14、值后求得其飽和空氣焓值hm，于是(10)式中，h1和h2可按測得的空氣進(jìn)口和出口的干濕球溫度求得.在測量過程中，循環(huán)噴淋水的進(jìn)出口溫度近似相等，工況穩(wěn)定后其偏差在±0.2以內(nèi).根據(jù)測得的各溫度工況，可推算管內(nèi)工藝水和管外水膜之間的平均溫差tm.由測得的換熱量(以水側(cè)為準(zhǔn))和光管外表面積F0，求得總傳熱系數(shù)K=Qw/(F0tm).在扣除管內(nèi)工藝水側(cè)熱阻后可求得水膜側(cè)熱阻.在考慮翅化系數(shù)和翅片效率后即可求得水膜的對流換熱系數(shù)，并與文獻(xiàn)推薦的公式作對比，管內(nèi)工藝水在紊流工況下的換熱可按常規(guī)的迪圖斯-貝爾特(Dittus-Boelter)公式確定.對于低翅片管束，使水膜側(cè)的傳熱傳質(zhì)面積有較大

15、增加，其熱阻略低于管內(nèi)側(cè)，有利于強(qiáng)化傳熱傳質(zhì).在測量儀表中，熱電偶經(jīng)過標(biāo)定，并用0.1實(shí)驗(yàn)室用溫度計進(jìn)行校核，測溫誤差為0.33%；轉(zhuǎn)子式流量計的精度為1.5級；畢托管和微差壓變送器的精度為1.0級.此外，氣側(cè)干濕球溫度的溫差為±2%，水膜溫度測量的誤差為±1%.因此，實(shí)驗(yàn)過程中整理得到的xv和K值的精度在±10%以內(nèi)，熱平衡誤差控制在±8%以內(nèi).3測量結(jié)果和分析圖2(a)、(b)是低翅片管束的容積散質(zhì)系數(shù)xv隨空氣質(zhì)流速ma和噴淋水量的變化曲線.ma=26 kg/(m2.s).噴淋水量在1 0003 500 L/h，相應(yīng)的單位寬度冷卻水m=50175

16、kg/(m.h).定義m=Wc/(4N1L).其中：Wc為噴淋水量(kg/h);N1為每排管數(shù)；L為管長.從圖中可以看出，xv隨ma增加而迅速增大，隨m的增加較為緩慢.當(dāng)m超過100，則xv的增加更為緩慢.圖中實(shí)線為根據(jù)現(xiàn)有關(guān)聯(lián)式得出的計算結(jié)果，此外，還給出幾個試驗(yàn)工況下的結(jié)果，用虛線表示.圖2(a)中的試驗(yàn)點(diǎn)m=96 kg/(m.h)，圖2(b)中的試驗(yàn)點(diǎn)ma=3.8 kg/(m2.s).它比相應(yīng)工況下的計算值提高約20%30%.這說明低翅片管束對增強(qiáng)蒸發(fā)冷卻器的傳熱傳質(zhì)是有效的.圖2低翅片管束容積散質(zhì)系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果Fig.2Experimental results of volumetri

17、c mass transfer coefficient of low finned tube圖3(a)、(b)是低翅片管束的傳熱系數(shù)K隨工藝水量mw和噴淋水量的變化曲線.mw=2 5006 000 L/h，相應(yīng)的水速為0.41 m/s，Re=8 00020 000.從圖中可以看出，K值隨水速和m值的增加而升高，隨水速增加而上升的幅度大一些，這說明工藝水側(cè)的熱阻較大.當(dāng)m值超過100，則K值的增幅更為緩慢.圖中實(shí)線為根據(jù)現(xiàn)有關(guān)聯(lián)式得出的計算結(jié)果，此外，還給出幾個試驗(yàn)工況下的結(jié)果，用虛線表示.圖3(a)中的試驗(yàn)點(diǎn)m=96 kg/(m.h)，圖3(b)中的試驗(yàn)點(diǎn)mw=4 850 L/h.它和理論計算

18、值的偏差在±5%以內(nèi).圖3低翅片管束傳熱系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果Fig.3Experimental results of heat transfer coefficient of low finned tube4結(jié)論(1) 蒸發(fā)冷卻器是一種有效的強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)設(shè)備.在許多工業(yè)部門中不但可以解決冷卻水的循環(huán)利用，而且使冷卻系統(tǒng)簡化，降低造價和運(yùn)行費(fèi)用，是一種有發(fā)展前途的冷卻設(shè)備.應(yīng)深入開展其計算分析和試驗(yàn)研究，才能在各種應(yīng)用場合下尋求它的優(yōu)化設(shè)計.(2) 討論了蒸發(fā)式冷卻器的試驗(yàn)臺，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理方法.對兩種試驗(yàn)段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，并給出了影響容積散質(zhì)系數(shù)和總傳熱系數(shù)的各種因素.對于翅化系數(shù)小的低翅片紫銅管束，流動阻力增加極小，但因水膜側(cè)的換熱面積增大，水膜側(cè)的熱阻將低于工藝水側(cè)的熱阻，使傳熱得到增強(qiáng).同時單位容積的傳熱傳質(zhì)面積顯著增加，xv將增加20%30%，對強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)十分有利.基金項(xiàng)目：國家教委博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(9524823)作者簡介：蔣常建(1972)，男，博士生.作者單位：(上海交通大學(xué) 動力