復合管蒸發(fā)式冷卻器的傳熱性能

趙 巍， 陳琴珠， 王學生， 石仲璟

(華東理工大學 機械與動力工程學院， 上海 200237)

?

復合管蒸發(fā)式冷卻器的傳熱性能

趙 巍， 陳琴珠， 王學生， 石仲璟

(華東理工大學 機械與動力工程學院， 上海 200237)

建立了一套蒸發(fā)式冷卻器實驗裝置，模擬實際工況下噴淋密度、風量及復合管熱阻對蒸發(fā)式冷卻器傳熱性能的影響,研究了復合管替代碳鋼管應用于該冷卻器的可行性。實驗結(jié)果表明,模擬工況為濕空冷時，復合管傳熱性能與普通碳鋼管接近，增加配風量能夠提高蒸發(fā)式冷卻器的傳熱性能，并存在最佳噴淋密度。通過實驗得到了復合管管外水膜傳熱傳質(zhì)系數(shù)關聯(lián)式，為工業(yè)應用提供了可靠依據(jù)。

蒸發(fā)式冷卻器； 復合管； 傳熱性能

0 引 言

蒸發(fā)式冷卻器常用于溫度80～90℃,終冷35～45℃的場合[1-3]，是一種將空冷和水冷、傳熱與傳質(zhì)融為一體的高效冷卻設備，具有節(jié)能、節(jié)水、結(jié)構(gòu)緊湊占地小、運行費用低等特點，在化工、硅酸鹽業(yè)、冶金、煤炭、醫(yī)藥、食品等行業(yè)有著廣泛的應用前景[4-8]。

目前，蒸發(fā)式冷卻器換熱管多為普通碳鋼管，由于普通碳鋼管耐腐蝕性能差，在噴淋水和空氣的交替作用下，出現(xiàn)嚴重管束腐蝕結(jié)垢等問題[9-10]。研究表明,采用一種新型鋁碳鋼復合管能解決工業(yè)應用存在的腐蝕等問題，但該復合管用于蒸發(fā)式冷卻器國內(nèi)罕見。因此，鋁碳鋼復合管傳熱性能需要達到工業(yè)應用要求，要求建立一套蒸發(fā)式冷卻器實驗裝置，研究在實際工況下復合管的傳熱性能及管外傳熱系數(shù)公式，為工業(yè)應用新型蒸發(fā)式冷卻器提供一定的可靠性。

1 實驗系統(tǒng)

實驗裝置主要分為蒸發(fā)式冷卻器，加熱爐，2個貯罐，實驗流程如圖1所示。管內(nèi)工質(zhì)為導熱油，管外噴淋水為經(jīng)陽離子交換器處理的軟化水。

1-柴油加熱爐, 2-蒸發(fā)式冷卻器, 3-貯罐(熱流), 4-換熱管束, 5-貯罐(噴淋水), 6-噴嘴, 7-過濾器, 8-除水器, 9-引風機, 10-穩(wěn)壓罐

圖1 實驗裝置流程圖

換熱管為鋁-碳鋼復合管，基管采用25 mm×2.5 mm的20#碳鋼管，管外傾覆0.8 mm的鋁層，在冷卻器殼體內(nèi)的長度為2.24 m，管束正三角形排列，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖2，管束8排，從上至下奇數(shù)排13根，偶數(shù)排12根，共計100根。第1～4為進口段，第5～8為出口段，用U型彎頭分別連接對應換熱管。換熱管管內(nèi)傳熱總面積14.07 m2，管外傳熱總面積18.71 m2。

圖2 換熱管束結(jié)構(gòu)

設備運行時，管內(nèi)工質(zhì)經(jīng)過加熱、穩(wěn)壓后進入蒸發(fā)式冷卻器，將熱量傳導至換熱管；冷卻水噴淋在管束表面形成水膜，水膜從換熱管吸收熱量，再與空氣進行熱質(zhì)交換，剩余的水落入水槽,然后回收，水膜和風量均可調(diào)節(jié)。

2 數(shù)據(jù)處理

(1) 熱負荷。管內(nèi)側(cè)工質(zhì)散熱量為：

(1)

熱流密度：

(2)

式中：Qp為工質(zhì)換熱量，W；cpp為工質(zhì)定壓熱容，J/(kg·K)；ρp為工質(zhì)密度，kg/m3；Vp為工質(zhì)體積流量，m3/h；Tpi,Tpo分別為工質(zhì)進、出口溫度，℃；Ai為管內(nèi)傳熱面積，m2。

空氣側(cè)吸熱量為:

(3)

式中：Qa為空氣熱量，W；ma空氣質(zhì)量流量，kg/s；iai，iao分別為空氣進、出口焓值，J/kg，由空氣的干、濕球溫度得到，濕球溫度由空氣干球溫度、相對濕度得到。

熱平衡偏差：

(4)

偏差β≤5%時，為有效實驗數(shù)據(jù)。

(2) 噴淋密度。換熱管束為叉排，相鄰管排管數(shù)不一致，因此噴淋密度Γ為[11]

(5)

式中：ρw為噴淋水密度，kg/m3；Vw為體積流量，m3/s；nt和nt分別代表相鄰管排管數(shù);Lt代表管長，m。

(3) 迎風面風速。

(6)

式中：u為迎風面風速，m/s；ρai為空氣進口條件下的密度，kg/m3；L、B分別為冷卻器殼壁的長和寬，m。

(4) 總傳熱系數(shù)。 總傳熱系數(shù)：

(7)

式中，Δτm為對數(shù)傳熱平均溫差[12],

(8)

式中：Ao為管外傳熱面積，m2；Twi為水膜平均溫度溫度，℃。

(5) 管外膜傳熱系數(shù)。 管外膜傳熱系數(shù)ho以管外表面為基準：

(9)

式中：rt為復合管熱阻，m2·K/W，對于換熱管內(nèi)外垢阻ri=ro=0.000 1 m2·K/W[8]；hi為管內(nèi)對流傳熱系數(shù)。

(6) 傳質(zhì)系數(shù)。 假設出口空氣已飽和，水膜向空氣的傳熱為因濃度差產(chǎn)生的潛熱，空氣的焓變表示為:

(10)

積分得到水膜到空氣的傳質(zhì)系數(shù)[13]：

(11)

式中:iaw為水膜溫度對應的飽和空氣焓值，J/kg；Aa為空氣與水膜的接觸面積，近似為換熱管外表面積，m2。

3 結(jié)果分析

3.1 噴淋密度的影響

蒸發(fā)式冷卻器存在最佳噴淋密度范圍，噴淋密度過低，管壁不能完全潤濕，出現(xiàn)“干斑”現(xiàn)象，影響傳熱傳質(zhì)性能；噴淋密度過高，冷卻器的性能提升不大，甚至有所下降。在管壁完全潤濕的條件下，并不能增加空氣與噴淋水的有效接觸面積，反而增加了水膜厚度和熱阻。最佳噴淋密度的影響因素與水分布方式、空氣流場分布、換熱管壁面特性等因素有關，很難進行理論驗證，需要通過實驗確定。

圖3給出在管內(nèi)工質(zhì)流量為22 m3/h，進口溫度80℃，進風溫度16℃，相對濕度60%實驗條件下，迎風面風速分別為1.7、2.5、3.2 m/s時,管內(nèi)工質(zhì)的熱流密度隨噴淋密度的變化曲線。噴淋密度在0.007～0.022 kg/(m·s)時，熱流密度隨噴淋密度的增大而顯著增加；在0.022～0.27 kg/(m·s)，熱流密度緩慢上升；當噴淋密大于0.027 kg/(m·s) ，熱流密度開始下降。因此,噴淋密度在0.022～0.027 kg/(m·s)，蒸發(fā)式冷卻器的傳熱傳質(zhì)性能較好。

圖3 噴淋密度與熱流密度的關系

3.2 迎面風速的影響

使用變頻器調(diào)節(jié)風速，在管內(nèi)工質(zhì)流量22 m3/h，進口溫度80℃，噴淋密度0.027 kg/(m·s)，進風溫度16℃，平均相對濕度60%實驗條件下，調(diào)節(jié)風機頻率改變風量，得到水膜平均溫度及總傳熱系數(shù)隨迎面風速的變化情況。由圖4得知，迎面風速增加，平均水膜溫度下降，總傳熱系數(shù)增大。這是由于空氣中的水蒸氣與水膜表面的飽和蒸汽存在分壓差，水膜表面水蒸氣不斷向空氣擴散，促使熱量不斷以潛熱的方式從水膜傳遞至空氣。風速增大可以加快空氣更新頻率，減小空氣的飽和程度，增大蒸汽擴散速度，水膜的蒸發(fā)速率增加，因此強化了水膜向空氣的傳熱傳質(zhì)效果；同時風速增大能夠增強管外水膜的湍流程度，強化水膜與管外壁的對流傳熱，降低水膜平均溫度。

3.3 傳熱系數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)

在實驗基礎上，得到管外膜傳熱系數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)的擬合公式：

圖4 迎面風速與總傳熱系數(shù)、平均水膜溫度的關系

(12)

(13)

關聯(lián)式適用范圍：管間距50 mm，管束三角形排列，空氣質(zhì)量流速Ga3.0～6.5 kg/s，噴淋密度Γ0.007～0.032 kg/(m·s)。

3.4 復合管替代碳鋼管的可行性

在3.2給出工況下，蒸發(fā)式冷卻器各部分的熱阻如圖5所示。管內(nèi)熱阻在穩(wěn)定傳熱過程中基本不變；風速增大，水膜平均厚度減小，湍流程度增加，管外熱阻降低。管壁溫度僅在小范圍內(nèi)變化，材料本身熱阻沒有明顯變化；管內(nèi)溫度低于100℃時，鋁層的膨脹程度有限，其與碳鋼基管之間的間隙很小，對復合管導熱能力的影響很小。管內(nèi)外熱阻與換熱管管壁熱阻相差一個數(shù)量級，管壁熱阻占總熱阻的比例不超過6%，因此間隙熱阻對冷卻器傳熱性能影響可以忽略。文獻[14-15]指出，在當前溫度范圍內(nèi)，可忽略復合管間隙熱阻，應用復合管不會對蒸發(fā)式冷卻器的傳熱性能造成明顯的影響。同時復合管具有優(yōu)良的防腐蝕性能，能夠有效緩解管束的腐蝕結(jié)垢問題，延長使用壽命，其應用與蒸發(fā)式冷卻器是可行的。

圖5 迎面風速與傳熱熱阻的關系

4 結(jié) 論

(1) 噴淋密度和風速是影響蒸發(fā)式冷卻器換熱性能的主要因素。當管外水膜覆蓋較為完整時，增大用水量基本不會提升熱負荷；增加風量能夠降低水膜溫度，提高冷卻器傳熱性能。本實驗工況下最佳噴淋密度范圍在0.022～0.27 kg/(m·s)。

(2) 根據(jù)實驗結(jié)果給出了管外膜傳熱系數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)的計算關聯(lián)式，為蒸發(fā)式冷卻器的設計提供參考。

(3) 鋁碳鋼復合管的導熱性能與普通碳鋼管接近，復合管具有優(yōu)良的抗腐蝕性能，具有良好的工業(yè)應用前景。

[1] 賴周平，張榮克. 空氣冷卻器[M]. 北京：中國石化出版社，2010：4-10.

[2] 李衛(wèi)軍，董曉強，楊 君. 蒸發(fā)式冷凝/冷卻技術的應用及研究進展[J]. 制冷與空調(diào)，2010，10(1)：40-44.

[3] Bilal A Qureshi，Syed M Zubair. A comprehensive design and rating study of evaporative coolers and condensers. Part I. Performance evaluation [J]. International Journal of Refrigeration，2006，29(3)：655-658.

[4] Jafari Nasr M R, Behfar R. A novel design for evaporative fluid coolers[J]. Applied Thermal Engineering, 2010 ，7(17-18)：2746-2752.

[5] Hossein Lotfizadeh, Mohammad Layeghi. Design and performance analysis of a small solar evaporative cooler[J]. Energy Efficiency, 2014，7(1)：55-64.

[6] Velasco Gómez E, Rey Martínez F J, Tejero González A. Experimental characterisation of the operation and comparative study of two semi-indirect evaporative systems[J]. Applied Thermal Engineering, 2010, 30(11): 1447-1454.

[7] Cui X， Chua K J， Yang W M. Numerical simulation of a novel energy-efficient dew-point evaporative air cooler[J]. Applied Energy, 2014，136：979-988

[8] Fouda A， Melikyan Z. A simplified model for analysis of heat and mass transfer in a direct evaporative cooler[J]. Applied Thermal Engineering，2011，31(5)：932-936.

[9] 王志遠，田艷麗，付衛(wèi)鋼，等. 污垢對蒸發(fā)式冷凝器性能的影響[J]. 河南科技大學學報(自然科學版)，2014，35(3)：22-26.

[10] 鄭津洋，董其武，桑芝富. 過程設備設計[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2010：229-240.

[11] 尾花英朗. 熱交換器設計手冊(下冊)[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，1982:435-441.

[12] Heyns J A, Kr?ger D G. Experimental investigation into the thermal-flow performance characteristics of an evaporative cooler[J]. Applied Thermal Engineering, 2010,30(5): 492-498.

[13] 楊世銘，陶文銓. 傳熱學[M]. 北京：高等教育出版社，2006：491-495.

[14] Ertunc H M，Hosoz M. Artificial neural network analysis of a refrigeration system with an evaporative condenser [J]. Applied Thermal Engineering，2006，26(3)：627-635.

[15] 張榮克. 空氣冷卻器管外膜傳熱系數(shù)的計算[J]. 煉油技術與工程，2006，36(10)：27-33.

Heat Transfer Performance of Composite Tubes Evaporative Coolers and Application

ZHAOWei,CHENQin-zhu,WANGXue-sheng,SHIZhong-jing

(School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science and Technology,Shanghai 200237, China)

Applying the carbon steel pipe in the evaporative cooler can lead to serious corrosion, scaling and leakage. The experimental apparatus of evaporative cooler was built up to test spray density, air volume and thermal resistance of composite pipe affected the heat transfer performance in the actual condition, and the composite pipe used in this cooler was researched. Results indicated that the composite pipe had a close heat transfer performance to the carbon steel pipe in the wet air cooling condition. The performance of evaporative cooler was improved by the enhanced air volume the optimum spray density was existed. The calculation correlations of water film heat transfer coefficient and mass transfer coefficient were obtained from experiments. These can be referred to the industrialized application of composite pipe.

evaporative cooler; composite tubes; heat transfer performance

2015-06-23

趙 巍(1990-)，男，甘肅蘭州人，碩士生，主要研究方向為過程裝備技術研究及傳熱性能分析。

陳琴珠(1963-)，女，上海人，副教授，碩士生導師，主要研究方向為先進過程裝備材料及過程裝備節(jié)能減排技術。

Tel.：021-64253157; E-mail：qzchen@ecust.edu.cn

TQ 051.5

A

1006-7167(2016)03-0070-03