簡棄非,戴晨影,任勤,張勇

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣州市 510640；2.廣州市華德工業(yè)有限公司,廣州市 510663)

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空氣相對濕度對板式蒸發(fā)冷凝器傳熱性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

簡棄非1,戴晨影1,任勤1,張勇2

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣州市 510640；2.廣州市華德工業(yè)有限公司,廣州市 510663)

為了研究空氣濕度對蒸發(fā)式冷凝器傳熱性能的影響，建立了蒸發(fā)式冷凝器板外水膜傳熱性能實(shí)驗(yàn)平臺。在其他條件不變的情況下，調(diào)節(jié)空氣濕度參數(shù)，測試了空氣濕度對噴淋水溫度、板片表面水膜及填料表面上、下溫度等參數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)入板片間的空氣相對濕度從85%增至90%，水膜溫度呈增加趨勢，不同位置水膜溫度有明顯差別，噴淋水的換熱量增加，濕空氣的換熱量減少，板片的平均熱流密度和傳熱系數(shù)均隨著相對濕度的增加而變小。

板式蒸發(fā)冷凝器；相對濕度；傳熱性能；實(shí)驗(yàn)研究

0 引 言

在全球生態(tài)環(huán)境惡化和化石能源逐漸枯竭的雙重壓力下,一方面對新能源的研究和利用已經(jīng)成為全球各國關(guān)注的焦點(diǎn)，包括水力發(fā)電技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電和核發(fā)電技術(shù)等，各國投入力量進(jìn)行大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化轉(zhuǎn)化；另一方面，對已有的能源消耗設(shè)備進(jìn)行改良，包括在結(jié)構(gòu)、材料等方面進(jìn)行創(chuàng)新改造，提高其能源利用率來保護(hù)環(huán)境[1-2]。

蒸發(fā)式冷凝器將傳統(tǒng)的冷凝器和冷卻塔相結(jié)合，利用水蒸發(fā)吸收潛熱來進(jìn)行傳熱，擁有傳熱效率高、節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在制冷和石油化工等行業(yè)[3-4]。吸風(fēng)蒸發(fā)式冷凝器的節(jié)能效果取決于環(huán)境濕球溫度，水膜與金屬表面的傳熱系數(shù)大，產(chǎn)生局部負(fù)壓作用在板片間[5]，其冷凝溫度遠(yuǎn)低于其他形式冷凝器。具體表現(xiàn)為，蒸發(fā)式冷凝器冷凝溫度要低4～10 ℃，耗水量是水冷式冷凝器的5%～10%，耗電量是其40%，壓縮機(jī)動力消耗可節(jié)約10%以上，循環(huán)水量只占水冷式的30%～60%；相比風(fēng)冷式冷凝器，蒸發(fā)式冷凝器冷凝溫度要低8～11 ℃，可以保持在35～37 ℃，壓縮機(jī)動力消耗可節(jié)約30%以上[6-7]。

魏高升等[8]提出了一種逆流熱質(zhì)傳遞過程的數(shù)學(xué)模型，得到了空氣溫度、濕度和水溫沿流程分布的情況，以及以上參數(shù)對板式蒸發(fā)式冷凝器換熱特性的影響規(guī)律。涂愛民等[9]的研究表明，在相對濕度較大的運(yùn)行環(huán)境下，空調(diào)系統(tǒng)性能系數(shù)仍可達(dá)到3.5左右，空氣濕球溫度對蒸發(fā)式冷凝器的排熱性能影響明顯。鐘振興等[10]對板式蒸發(fā)式冷凝器表面的水膜與噴淋水的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，證明了適當(dāng)?shù)膰娏芩髁坎拍艹浞职l(fā)揮冷凝器的性能。Qureshi B A等[11-12]根據(jù)他人推薦的經(jīng)驗(yàn)公式，研究了蒸發(fā)式換熱器的蒸發(fā)損失，證實(shí)預(yù)測值和模擬值結(jié)果一致，大部分情況誤差低于2%，并進(jìn)行了熱力研究。本文對蒸發(fā)冷凝機(jī)組在滿負(fù)荷名義工況下的性能進(jìn)行測試，采集相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析進(jìn)口空氣濕度變化對機(jī)組傳熱性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括了冷凝器主體、風(fēng)機(jī)、冷卻水回路、測量系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)等。蒸發(fā)式冷凝器的工作原理見圖1，噴淋水自布水器噴出后進(jìn)入到換熱板片，在換熱板片表面形成一定厚度的水膜，在重力的作用下流向板片，分別在板片的表面形成水膜(少部分噴淋水在板片與填料間形成水滴)，并與板片進(jìn)行熱量交換，達(dá)到將板片內(nèi)部制冷劑進(jìn)行降溫冷卻的目的。

又由于引風(fēng)機(jī)的作用，在2排換熱板片之間形成了低壓區(qū)，在壓差的作用下，有2股濕空氣氣流被吸進(jìn)，一股來自于冷凝器下部的氣液混合物，另一股為冷凝器迎面的濕空氣氣流，這2股氣流在板片間進(jìn)行匯合，并與板片進(jìn)行顯熱交換。同時(shí)水吸熱蒸發(fā)變成水蒸氣進(jìn)入未飽和濕空氣中進(jìn)行潛熱交換和質(zhì)量交換，增加濕空氣的濕度，最后通過除濕簾除去濕空氣混合物中的水珠，被風(fēng)機(jī)排出。噴淋水完成冷卻作用后具有一定溫度，進(jìn)入到板片下部填料進(jìn)行降溫，最后進(jìn)入到水槽，由循環(huán)水泵將集水槽的水送回布水器，循環(huán)使用。

圖1 蒸發(fā)冷凝器原理Fig.1 Principle of evaporative condenser

該蒸發(fā)式冷凝器機(jī)組采用的是周期性分布的酒窩狀換熱板片，表1是其具體參數(shù)。為了加快噴淋水的冷卻速度，會在2塊板片間以及板片與集水槽間放入pvc填料，增加了冷卻水和冷卻空氣的接觸面積，強(qiáng)化冷卻效果[13]。在集水槽和板片間也設(shè)置有填料，延緩冷卻水在空氣間的停留時(shí)間，使氣流充分通過水膜表面，進(jìn)一步增強(qiáng)散熱效果，提高換熱效率。

表1 板片蒸發(fā)式冷凝器參數(shù)

Table 1 Parameters of plate-type evaporative condenser

1.2 實(shí)驗(yàn)測量

主要需測量數(shù)據(jù)有：實(shí)驗(yàn)時(shí)間，環(huán)境干濕球溫度，冷凝器進(jìn)口空氣流速、進(jìn)出口干濕球溫度，噴淋水流量及溫度，板片表面水膜及填料表面上、下的溫度，冷凝器中制冷劑的進(jìn)出口溫度。

空氣的溫、濕度采用testo625溫濕度儀，溫度精度為±0.5 ℃，量程為-10～60 ℃，濕度精度為±2.5%，量程為0%～100%。板片表面噴淋水膜的溫度以及制冷劑進(jìn)出口溫度測量采用K型熱電偶，布置了3個(gè)測點(diǎn)位置進(jìn)行水膜溫度測量，分別安排在上、中、下，見圖2。進(jìn)入板片間的空氣氣流流速測量采用AVM-05葉輪風(fēng)速儀，操作溫度范圍為0～50 ℃，量程為0.3～45 m/s。進(jìn)口空氣流速9個(gè)測點(diǎn)均勻分布在空氣入口處。如圖3所示，這些測點(diǎn)測量的是冷卻水從板片間出來，進(jìn)入水槽前的溫度，在填料上下布置有2個(gè)測點(diǎn)。

圖2 水膜溫度熱電偶測點(diǎn)Fig.2 Thermocouple measuring points for film temperature

圖3 下部填料溫度測點(diǎn)Fig.3 Temperature measured points for lower part of filler

實(shí)驗(yàn)用的冷卻水噴淋進(jìn)入換熱板片，進(jìn)入每個(gè)板片間的流量控制為0.025 kg/s，室內(nèi)環(huán)境空氣干球溫度27.5 ℃，相對濕度為79%，大氣壓為101 kPa，風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽風(fēng)使進(jìn)入板片間的氣流速度為2 m/s。保持實(shí)驗(yàn)室內(nèi)其他條件不變，對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行噴霧加水可增加環(huán)境濕度，通過使用抽濕機(jī)和空調(diào)機(jī)抽濕來降低實(shí)驗(yàn)環(huán)境濕度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

(1)板片換熱面積A為

A=2NA0

(1)

式中：A0為單個(gè)板片的換熱面積；N為板片數(shù)量。

(2)濕空氣換熱量Qa為

(2)

式中：Ga為風(fēng)機(jī)出風(fēng)量，m3/h；ρa(bǔ)為定性溫度下的空氣密度，kg/m3；io，a為出口焓值，kJ/kg；ii，a為進(jìn)口焓值，kJ/kg。

(3)冷凍水換熱量Qw為

(3)

式中：Gw為冷凍水流量，kg/s；Cp,w為水的定壓比熱容，J/K；To,w為冷凍水出口溫度， ℃；Ti,w為冷凍水進(jìn)口溫度， ℃。

(4)噴淋水的換熱量Qp為

(4)

式中：Gp噴淋水流量，kg/s；Cp,p為噴淋水的定壓比熱容，J/K；To,p為噴淋水出口溫度， ℃；Ti,p為噴淋水進(jìn)口溫度， ℃。

(5)冷凝器的傳熱量Qc為

Qc=Qa+Qp

(5)

(6)冷凝器的傳熱溫差

在板式蒸發(fā)冷凝器中，濕空氣與制冷劑為一次交叉流，根據(jù)文獻(xiàn)[14]，平均溫差可以通過逆流時(shí)的對數(shù)平均溫差求得，即

ΔTm=ψΔT

(6)

式中：ψ為比例系數(shù)；ΔT為逆流時(shí)的對數(shù)平均溫差， ℃，其計(jì)算式為

(7)

Tmax=Ti,r-Ti,a

(8)

Tmin=To,r-To,a

(9)

式中：Ti，r為制冷劑進(jìn)口溫度， ℃；To，r為制冷劑出口溫度， ℃；Ti，a為空氣進(jìn)口濕球溫度， ℃；To，a為空氣出口濕球溫度， ℃[15]。

(7)換熱板片的熱流密度為

(10)

(8)換熱板片的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為

(11)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 相對濕度對水膜溫度的影響

進(jìn)入板片間的空氣相對濕度從85%增至90%，水膜的蒸發(fā)動力變?nèi)?，?dǎo)致蒸發(fā)量變小，潛熱交換量隨著變小，從而使得水膜溫度升高[14]。上部水膜的溫度相比下部水膜的溫度要低2.5 ℃左右，因?yàn)閲娏芩陨隙铝鲃?，上部的水膜在上部時(shí)已與制冷劑進(jìn)行顯熱交換溫度升高，同樣此時(shí)自上而下流動的制冷劑也因放熱而液化，溫度降低，如圖4所示。

圖4 水膜溫度和相對濕度的關(guān)系Fig.4 Relationship between relative humidity and water film temperature

2.2 相對濕度對換熱量的影響

空氣的相對濕度增加，空氣中和水膜的水蒸氣濃度差變小，蒸發(fā)的推動力減弱，導(dǎo)致水膜蒸發(fā)受阻而變?nèi)?，從板片傳到濕空氣的熱量變小。制冷劑在板片?nèi)冷凝，即總的傳熱量不變時(shí)，濕空氣的換熱量從1 026 kW減少至850 kW，噴淋水的換熱量則增大，見圖5、6。

圖5 噴淋水換熱量與相對濕度的關(guān)系Fig.5 Relationship between relative humidity and heat transfer mass of spray water

圖6 濕空氣換熱量與相對濕度的關(guān)系Fig.6 Relationship between relative humidity and heat transfer mass of wet air

2.3 相對濕度對熱流密度及傳熱系數(shù)的影響

板片的平均熱流密隨著相對濕度的增加從3.749 W/m2減少到3.645 W/m2，傳熱系數(shù)從182.5 W/(m2·K)降至170 W/(m2·K)。相對濕度越大，水膜的溫度也升高，使?jié)窨諝夂退さ膫鳠醾髻|(zhì)過程越不利，從而減小了板片的平均熱流密度和傳熱系數(shù)，如圖7、8。

圖7 熱流量與相對濕度的關(guān)系Fig.7 Relationship between relative humidity and heat flux

圖8 傳熱系數(shù)和相對濕度的關(guān)系Fig.8 Relationship between relative humidity and heat transfer coefficient

3 結(jié) 論

對實(shí)驗(yàn)測試平臺的測試原理以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了介紹，對板式蒸發(fā)冷凝機(jī)組進(jìn)行工況下的性能測試，分別得到濕空氣相對濕度與板片水膜溫度、噴淋水及空氣換熱量、板片平均熱流密度和傳熱系數(shù)的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)相對濕度處于87%左右時(shí)，可以保證180 W/(m2·K)較高的傳熱系數(shù)，并能充分發(fā)揮噴淋水及濕空氣的換熱作用。

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(編輯：蔣毅恒)

Experimental Study on Effect of Inlet-Air Relative Humidity on Heat Transfer Performance of Plate-Type Evaporative Condenser

JIAN Qifei1, DAI Chenying1, REN Qin1, ZHANG Yong2

(1.School of Mechanical & Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China;2.Guangzhou Huade Industrial Co., Ltd., Guangzhou 510663, China)

To study the effect of the relative humidity of air on heat transfer performance, a heat transfer performance test of water film based on evaporative condenser was carried out.The cooling water temperature, the water film temperature of plates and the temperature above and below the surface of filler were investigated by test equipments under the condition that the relative humidity of air was adjusted, and other parameters remained the same.The results show that the temperature of water film increases when the relative humidity of the air between plates increases from 85% to 90%.The temperature of water film at different position is obviously different.With the increase of humidity, the heat transfer mass of spray water increases, while the heat transfer mass of wet air, the average heat flux and surface heat transfer coefficient of plate decreases.

plate-type evaporative condenser; relative humidity; heat transfer performance; experimental investigation

TK 124

A

1000-7229(2015)03-0094-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.03.016

2014-09-28

2014-10-25

簡棄非(1963)，男，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹评渑c空調(diào)技術(shù)；

戴晨影(1989)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)橹评渑c空調(diào)技術(shù)；

任勤(1988)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)橹评渑c空調(diào)技術(shù)；

張勇(1980)，男，工程師，研究方向?yàn)榭照{(diào)制冷。