蒸發(fā)式空冷器換熱性能的優(yōu)化

段瑞嬌

摘 要：蒸發(fā)式空冷器由循環(huán)水泵、風(fēng)機(jī)、換熱盤管等部分構(gòu)成，屬于內(nèi)部相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜系統(tǒng)，及時(shí)進(jìn)行蒸發(fā)式空冷器換熱性能的優(yōu)化具有較高重要價(jià)值。該文基于傳統(tǒng)蒸發(fā)空冷器結(jié)構(gòu)，結(jié)合傳熱傳質(zhì)原理等進(jìn)行了探討，從3種結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度出發(fā)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，旨在提高空冷器的換熱性能。同時(shí)改造后設(shè)備操作方便、噪聲降低，具有良好的發(fā)展前景。新型高效節(jié)能產(chǎn)品具有更高的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

關(guān)鍵詞：換熱溫差；蒸發(fā)式空冷器；換熱性能

中圖分類號(hào)：TQ051 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 蒸發(fā)式空冷器概述

蒸發(fā)式空冷器將空氣冷卻器和管式噴淋水冷卻器融為一體，借助盤管外端水膜和其表面的對流空氣實(shí)現(xiàn)換熱，對流空氣可快速帶走水膜中熱量，屬于汽化放熱過程，保證管外傳熱滿足預(yù)期要求，提高了其傳熱效率。空冷器從結(jié)構(gòu)方面出發(fā)，具有操作穩(wěn)定、節(jié)水節(jié)能的優(yōu)勢，當(dāng)下國家大力推廣綠色節(jié)能項(xiàng)目的開發(fā)，因此蒸發(fā)空冷器的發(fā)展前景十分廣闊，為此，及時(shí)加強(qiáng)高性能空冷器的研發(fā)具有重要的價(jià)值，具有良好的節(jié)能降耗效果，同時(shí)可為新設(shè)備的研發(fā)提供一定參考價(jià)值。

圖1為復(fù)合型高效蒸發(fā)空冷器的結(jié)構(gòu)圖，其工作原理為：借助循環(huán)水泵將冷卻水運(yùn)送至噴水裝置，噴灑后液體在慣性作用下會(huì)從最高點(diǎn)下落，液體和噴淋設(shè)備內(nèi)部填料充分接觸后便可在填料表面形成水膜。重力作用下水膜會(huì)流向蒸發(fā)盤管外表面，在管子外表面形成的水膜吸收熱量并最終流向回收水槽，完成整個(gè)循環(huán)。該過程中，風(fēng)機(jī)作用下會(huì)增加管子表面迎面風(fēng)速。冷卻水在管壁位置發(fā)生蒸發(fā)，將管內(nèi)高溫冷凝冷卻介質(zhì)的熱量帶走，同時(shí)與管外向上流動(dòng)的空氣發(fā)生對流換熱。考慮到水汽化潛熱較高，蒸發(fā)盤管外表面的蒸發(fā)換熱會(huì)具有較高的換熱效率。波紋填料作用下，空氣和冷卻水的接觸面積增加，盤管外表面液膜穩(wěn)定得到明顯下降，從而實(shí)現(xiàn)換熱過程。蒸發(fā)結(jié)構(gòu)中捕霧器可降低冷卻水的損失，水霧也會(huì)降低干冷管翅片和相鄰設(shè)備的腐蝕程度。換熱過程中，室外空氣先和蒸發(fā)管下排翅片管接觸，受表面水膜傳熱作用后，濕度增加、溫度下降，換熱環(huán)節(jié)中對應(yīng)溫差較高，具有顯著的換熱效果，吸收換熱盤管和冷卻水的熱量一般會(huì)從出風(fēng)口排出。

2 優(yōu)化換熱性能的措施分析

2.1 基本原理

該文針對蒸發(fā)式空冷器換熱性能進(jìn)行優(yōu)化，將傳熱效果作為目標(biāo)函數(shù)，介質(zhì)流速、環(huán)境溫度、噴水密度等看作變量。結(jié)合熱力學(xué)第二定律，對蒸發(fā)式空冷換熱器進(jìn)行換熱性能的分析，將冷卻水、介質(zhì)間的傳熱傳質(zhì)看作一個(gè)可逆的熵增過程?？紤]到熱量、阻力屬于不同的物性表達(dá)形式，因此可借助熵產(chǎn)過程來進(jìn)行能量比對。借助熵增分析將溫差、壓力差有效聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)對蒸發(fā)式空冷器換熱效果、評價(jià)指標(biāo)的合理分析，這是空冷器換熱性能優(yōu)化環(huán)節(jié)中的重大突破。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

為了提高蒸發(fā)空冷器的換熱性能，需要從管內(nèi)冷凝介質(zhì)和關(guān)外冷卻水、空氣的溫差方面進(jìn)行分析，一般被冷卻介質(zhì)的入口溫度不會(huì)發(fā)生變化，因此從優(yōu)化角度出發(fā)來降低冷卻水和空氣的溫度。具體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法分析如下。

首先，噴淋裝置優(yōu)化。傳統(tǒng)蒸發(fā)空冷器中一般采用單排噴嘴進(jìn)行處理，且逆噴效果高于順噴；如果采用兩排噴嘴進(jìn)行處理，對噴效果更優(yōu)，原因在于兩排對噴時(shí)，噴淋冷卻水可更均勻地將水膜覆蓋在盤管段。該文針對噴嘴方向進(jìn)行了優(yōu)化處理，所有噴嘴采用上噴處理。冷卻水從噴嘴噴出后，在重力作用下會(huì)更加均勻地覆蓋在填料處，部分水受風(fēng)量運(yùn)動(dòng)影響，可能會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，與捕霧器接觸后會(huì)匯聚成液滴，隨后在重力作用下還會(huì)落回填料處。

該噴水模式下，噴淋水和填料的沖擊作用會(huì)有所降低，同時(shí)冷卻水和填料相互作用的噪聲降低，下部填料的存在可降低上噴模式下冷卻水不能全面覆蓋的問題。一般狀況下，冷卻水的污垢雜質(zhì)等主要囤積在噴淋管底部，上噴模式下噴嘴阻塞概率降低，必要時(shí)可在噴淋管末端設(shè)置一個(gè)排污閥，定期對噴淋管進(jìn)行清污處理可提高設(shè)備運(yùn)行通暢性。此外，上噴處理模式下，噴出液滴在慣性力、空氣流通作用下，其軌跡類似于拋物線狀，與下噴相比，可顯著增加液滴和空氣流接觸時(shí)長。此時(shí)液體周邊蒸汽分壓會(huì)高于空氣內(nèi)部的蒸汽分壓，一定程度上會(huì)增加液體蒸發(fā)速度，后期換熱中溫差會(huì)進(jìn)一步增加，從換熱角度出發(fā)，熱交換效果大幅提高。

其次，填料增膜改進(jìn)。填料可借助低阻力、耐腐蝕的GLASdek材料，主要成分是樹脂浸泡后的玻璃纖維。改造后在噴淋段和蒸發(fā)段增設(shè)填料處理，冷卻介質(zhì)噴出后依次經(jīng)過填料、盤管，在填料表面的水介質(zhì)和流通空氣發(fā)生換熱傳遞，設(shè)置填料后可顯著增加氣液接觸面積，對冷卻水進(jìn)行降溫處理的效率更高，為后續(xù)與蒸發(fā)管的換熱操作提供了差距更大的溫差，換熱效果大幅提升。

與有機(jī)填料、金屬填料相比，無機(jī)填料吸水效果更好、阻力更低、熱工穩(wěn)定性大幅提高。借助無機(jī)填料可顯著提高空氣和水的接觸面積，此時(shí)冷卻水增發(fā)量顯著增加、溫度降幅較高，對后續(xù)換熱溫差會(huì)提供更優(yōu)效果，一定程度上增加了盤管的換熱效率。

再者，蒸發(fā)管段的優(yōu)化。蒸發(fā)管的換熱處理中，可借助總傳熱系數(shù)K來表征其換熱過程。當(dāng)換熱量Q在一定的條件下，為了降低換熱面積，必須增加設(shè)備的換熱效果，即K。對于同一類型的蒸發(fā)空冷設(shè)備，相同流動(dòng)狀況下K不會(huì)發(fā)生明顯改變，為此需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行優(yōu)化來提高對數(shù)溫差△tm。相關(guān)影響要素中：介質(zhì)進(jìn)出口溫度是工藝參數(shù)決定，不可更改，為此可降低空氣入口溫度來增加對數(shù)溫差。結(jié)合空氣焓濕圖分析可以看出相對濕度大、焓值一定的狀況下，空氣溫度較低，為了進(jìn)一步提高空氣濕度，可借助低翅橢圓管來代替盤管下部的光管，增加水汽換熱面積。這種形勢下，冷卻水會(huì)大量附著在翅片管的外表面處，降低了對氣流的負(fù)面影響，空氣和液滴“吹傘”現(xiàn)象形成的風(fēng)阻也會(huì)明顯下降，此時(shí)風(fēng)量需求比降低，可降低風(fēng)機(jī)功耗，節(jié)能作用明顯。

3 結(jié)語

結(jié)合蒸發(fā)式空冷器的結(jié)構(gòu)和換熱原理進(jìn)行分析后，對相關(guān)部分進(jìn)行了全面優(yōu)化，效果十分顯著。改變噴水方向可顯著降低噪聲、合理布置無機(jī)填料可明顯降低循環(huán)冷卻時(shí)的溫度，從而實(shí)現(xiàn)增加換熱溫差的效果；將蒸發(fā)盤管的下部光管替換為翅片管，可降低空氣入口溫度，提高換熱效率。整個(gè)設(shè)備的風(fēng)阻更小、節(jié)能效果突出，新型蒸發(fā)空冷器的現(xiàn)實(shí)意義十分突出。

參考文獻(xiàn)

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