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喷淋湿式蒸发冷却冷凝器传热的机理分析

https://www.zbgthg.com 发布日期:[ 2013年10月15日 ]

一、引言

淋蒸发湿式水冷( CWCTS)的热传递率高于干式水冷,包括湿式冷却(管内为热水)和湿式冷凝(管内为制冷剂冷凝器)两种类型,已广泛应用于空调、制冷以及电站动力等部门。 喷淋水呈闭式循环,籍对空气“显热和喷淋水蒸发传热”方式来进行热量传递,且潜热传热 是主要的。湿式比干式可达到较低的冷却温度。

早期,Parker和Treybal,Mizushina等人,以及Niitsu等人对此作了研究o Erens曾提出了用来预测光管蒸发水冷器的模型;Tsay则用数值分析研究了湿式水冷器的热量和质量传递特性。以上这些工作都是在汽液逆流布置状态下操作的oDreyer和Erens进行了光管水冷器的错流操作实验,并与逆流布置的热量和质量传递系数进行了比较;Peterson等人还用Parker和Treybal的关联式计算了传热膜系数, 并评估光管蒸发冷凝器的性能。 CWCTS原先在一些工业中用作向大气中排热,正如Hasan和Siren等介绍的,它显得具有较高的热力性能系数,并建立了计算模型,引用了大量的不同喷淋水温度的数据,而后 Hasan和Gan又假设冷凝器为等喷淋水温度, 进而将模型加以简化。

Niitsu等人也研究了蒸发水冷凝器的翅片管箱, 翅片为圆形,直径42. 6mm, 管外径 6mm, 管束错排布置,翅间距有6.Imm和11mm两种。他们的结论是,翅片管束喷淋水侧的传热传质系数比光管管束要低,这可能是由于翅片间存有水,以及湿式翅效率低的缘故。 Kried等人提出了被水淹没了的翅片管束理论模型,引入了一些参数,将湿传热面传热方程转化为类似于干式管束的近似方程oLeidenfrost和Korenic提出了翅片管束蒸发冷凝器的数学模型,以干式传热膜系数来估计质量传递系数。据所知,只有Niirsu等人提出了光管和翅片管束的比较结果。

A.Hasan和K.Siren对此也进行了实验研究。

(1)实验管束尺寸

紫铜圆管错排管束,等节距,呈2. 5D布置(D为管外径,m),共8排,每排管数为4 根, 管外径为10mm, 管长88mm,光管管束。另一种试验管为板翅管,为整体管束板翅, 共6块,板翅厚0. 5mm,板翅间距为12mm,便于喷淋水沿板翅均匀流过,板翅与铜管为焊 接连接。板翅管束传热面积为光管管束面积的4倍。

(2)空气流

实验采用3种空气流率,即0. 0151、0.0235和0.0323kg/s,相应于空气质量流量分别为1.9、3.0和4.08kg/m2S。光管管束在最小流动截面处的空气流速分别为1.58、2.45和 3. 4m/s,板翅管束在最小流动截面处的流速分别为1.66、2.57和3.57m/s 。由于湿式喷淋 而造成空气流动截面减少了约5%,从而使空气流速有所增加。进口空气湿度没有加以控 制,取决于补充空气的状态。

(3)管内热水流

管内热水流率保持恒定在1.141/s, 通常CWCT实际应用的3种进口热水温度分别为30℃,32℃和34℃。

(4)喷淋水流

外直径为D(m)的光管管束,其喷淋密度T/D取为1.78kg/ms,单位宽度上喷淋水流率(T))被定义为( 错排管束):
T=ms/4NL
式中 N——每排管数;
L——管长,m;
ms——喷淋水质量流速,kg/m2.s。

二、理论分析及传热计算

图2 -1为闭式喷淋湿式蒸发水冷器

(冷却塔)示意图和流体温度和热焓分布图

(I:塔顶区;Ⅱ:管束区;Ⅲ:塔底区)。

一些文献报道了CWGTS中一维传热传 质计算模型。其他一些文献亦介绍了空气 与喷淋水界面(假定在喷淋水温下达到饱和)和空气主流的能量平衡Merkel方程, 水的蒸发量由喷淋水和空气间直接接触质量平衡计算而得,分析过程包括了喷淋水温沿塔高的变化。为了简化,文献将喷淋水温假定为恒定值ta,下面就介绍应用上述这些恒定ta和当量热传递方程的假定来进行分析:

管内热水与管外喷淋水膜间的热传递方程为:
U0A/mbC=ln{(th1-ts)/(th2-ts)} (1)
式中 th1,th2——分别为热水进出口温度,℃;
C——水的比热容,J/K.kg;
Uo—— 基于换热器总传热面积A1的总传热系数,W/m2.k。
1/U0=1/ah×(r0/ri)+r0/kw×ln(r0/ri)+1/as (2)
ah—— 热水和管内壁间的管内传热膜系数,W/m2.K;
ri,r0——分别为管内外半径,m;
kw——管壁热导率,W/m.K;
as—— 管外喷淋水流与管外壁间的管外传热膜系数,W/m2.K;
在空气 - 喷淋水界面和湿空气间发生了蒸发潜热和湿热传热,而潜热效应是主要的,这是由于有小量的喷淋水向空气蒸发之故。 从空气进口和出口的热焓变化Merkel方程为:
KmAt/ma=ln{(h'a-ha1)/(h'a-ha2)} (3)
式中h'a——喷淋水温为ts下的饱和空气热焓,J/kg;
Km—— 总传质系数,kg/m2;
方程式(1)和(3)分别遵守对数平均温差和对数平均浓差定义。

此处U0和km均分别代表局部传热系数和局部传质系数, 假定喷淋水温为恒定值, 管束管内热水与管外空气间的总的能量平衡为:
mhC(th1一th2)=ma( ha2-ha1) (4)
式中 mh—— 管内热水的质量流量,kg/s;
ma——管外空气的质量流量,kg/s;
ha1 ——管外空气塔底进口热焓,J/kg;
ha2——管外空气塔顶出口热焓,J/kg;
th1——管内热水进口温度,℃ ;
th2——管内热水出口温度,℃ ;

塔内管束的管内热水温度“ 和管外喷淋水温ts以及管外空气的焓分布情况如图2 -1b所示。A.Hasan等人认为;从图2-1b可以假定,ts可取至实验测得的喷淋水进口温度ta1,这是可以接受的。 对板翅管束上述假设同样可用, 假定在翅表面和翅间光管段的喷淋水温均为恒值,今取包含一个翅片在内的传热管单元体来分析( 图2—2a) ,研究管内热水对空气和对喷淋水膜间的热传递。

1、管内热水与喷淋水间的热传递

管内热水与翅间光管部分外壁面及翅基处喷淋水的热传递(均在翅基温度tb下):
dqh=(th-tb)dAi/{[1/ah+ri/kw.ln(ro/ri)]} (5)

式中dAi——单元微段管子管内传热面积,m2;

dqh——管内热水向管外喷淋水的传热量,W。
dqh包括由翅片的传热qf, 和翅片之间光管部分的传热面的传热dq0,即
dqh=qf+dq0(6)
翅片热效率为ηf,则有:
qffas(tb-ts)Af (7)
式中 Af——翅片传热面积,m2

由实验可得ηf平均值为0. 43,对喷淋湿式翅片,ηf值还要减少35%。假定翅片传热面处和翅片间光管段传热面积处的传热膜系数as为恒值,翅片间光管部分传热面积dA处的传热量为:
dq0=as(tb-ts)dA0 (8)
将式(7)qf和式(8)dqo代入式(6)可得:
dqh=as(tb-ts)(ηfAf+dA0)
由式(5)和式(9)消去tb, 可得管内热水由进口到出口所传热的热量:
dqh=-mhCdth (10)
将方程(10)dgh由换热管束进口到出口进行积分得:


式中 At——总传热面积,m2
Aft——总翅片传热面积,m2
Aat——总的翅片间光管部分的管外总传热面积,m2
Ait——管子总的管内传热面积,m2

2.喷淋水对湿空气的传热

喷淋水通过空气一喷淋水界面对湿空气传热,若忽略界面液侧热阻,则可假定界面在喷 淋水温下达到饱和,热传递包括显热传热和由于质量传递的潜热传热,方程式(3)可用来 计算由界面向空气流的传热,此时A。系指翅片管的总的湿表面积(Aft和Aat之总和)。 方程(4)可用来计算换热管束管内进口与出口间的总的热平衡。 解方程式(1),(3)和(4)即可建立起求解的计算模型。

如指定了as,ah和Km值,代人进口操作条件mh,ma和th1,就可找出3个未知数th2, ha2和ts,注意到h'a系由ta来计算得到。

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