蒸发式冷却器的传热传质试验研究

1、蒸发式冷却器的传热传质试验研究蒋常建范云良杨强生摘要：对蒸发式冷却器传热传质试验结果的数据处理进行了讨论，重点是它的容积散质系数以及工艺水到水膜的传热系数.介绍了试验台和各测试仪表，给出了对两个试件的测试结果，整理了xv和K的变化规律，并与计算结果作了分析对比.关键词：蒸发式冷却器；冷却塔；传热传质过程；容积散质系数中图分类号：TK 124文献标识码：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在逆流式蒸发冷却器中，工艺水和管外的喷淋水与冷却空气总体上呈逆流流动，可按焓差法或压差法进行计算和设计14.横流式中空气以横向在管外掠过，与工艺水和喷淋水呈垂直方向流动，它们之间在总体上呈三维流动特性5.蒸发式冷却器是把冷却器和冷却塔结合在一起的一种设备，不但使冷却系统大为简化，同时降低了造价和运行费用.这种冷却器通过管外水膜的蒸发和传质来强化传热，其计算原理和开式冷却塔相同，

5、一般采用焓差法进行计算.即以水膜的饱和空气焓h和主流空气焓h的差值作为推动力.文献13中讨论了逆流式蒸发冷却器的设计计算方法，其中管内工艺水到管外水膜是常规的传热过程，从水膜到空气则是一个传热传质过程.前者取决于传热过程的总传热系数K，后者与该设备的容积散质系数xv密切相关.文献4中较深入地讨论了下降热液膜进入层流气流的蒸发过程，分别列出了界面和边界条件.本文通过数值求解，并通过试验测得局部壁温分布后进行校核.文献5中对横流式蒸发冷却器的设计计算方法进行了深入的分析，并对该试验台改装后进行喷雾强化空气冷却器的实验研究6.关于蒸发式冷却器的实验研究，文献2，3中有一些讨论.由于传热传质过程与工艺

6、水、喷淋水和冷却空气三者的流量和参数有关，影响的因素较多，有必要作一些深入的工作.本文就两个试验段在试验台上进行了测试，讨论了数据处理的方法，根据测试结果整理了总传热系数和容积散质系数的变化规律，并与文献上推荐的结果作了分析对比.1可调风门， 2毕托管， 3微差压变送器， 4风机， 5风箱体， 6喷淋水箱， 7电加热器8水泵， 9回水阀， 10温度传感器， 11调节阀， 12温控仪， 13转子流量计14倾斜式微压计， 15喷淋水进水管， 16喷淋水回水管， 17均风箱， 18蒸发冷却器试件19收水器， 20配水管， 21配水箱， 22热水泵， 23热水箱， 24电加热器25三相调压变压器， 2

7、6微机采集系统 图1试验装置系统Fig.1Experimental device and system of evaporative cooler1试验装置整个试验台由风机和供风系统、工艺水(热水)系统、喷淋水系统以及测量和控制设备组成，如图1所示.试验台组成和各部件的说明可参见文献6.试验段由铜管管束组成.共做了两个冷却器的试验段.其中一个为12 mm×1 mm的紫铜光管作为换热表面，每排采用17根管，横向节距28 mm，即S1d2.33.纵向为4排错列，间距30 mm，即S2d=2.5，管长500 mm.另一个为17 mm×1 mm的低翅片紫铜管束.翅片厚度约0.9 m

8、m,翅片间距约2.0 mm，翅片厚度为0.3 mm，翅化系数为1.96.横向节距为46 mm，纵向节距为40 mm.工艺水(热水)在管内流过，管箱的隔板使水侧为四流程布置.为测量水温的变化，在管箱内装有5对铜-康铜热电偶，用来测量进口水温和每流程出口的水温.工艺水系统由热水箱、热水泵、转子流量计以及相应的调节阀门组成.热水箱中布置了9根3 kW的电加热器，分成两组.其中一组直接与电源相连，另一组则经过三相调压变压器加以调节.在试验段进口和出口处分别装有刻度为0.1的水银温度计，可对热电偶测量结果进行校核.铜管外的喷淋水为压力配水，配水管由12根12 mm、长500 mm的铜管组成，在每根铜管的

9、底部开两个3 mm的喷水孔，对应每个喷水孔下吊一铜制溅水盆，可使水均匀淋水.配水装置的上部为有机玻璃制成的板条状收水器.收水器分成3层，每层17片，空气在空气槽间以Z形通过，除水效果好，未发现飘水现象.为了使蒸发式冷却器有较好的冷却效果，必须使喷淋水均匀流下，确保试验管外有一层均匀的水膜，这样空气流过时因水膜汽化吸热使工艺水得到冷却.该试验台具有独特的配风系统.经用热线风速仪校核，在未安放试验段时，气流在出风口上部截面的速度基本均匀，只是矩形截面的四角流速较平均流速约低10%.为了测量空气在流过试验段前后的干湿球温度，采用一种特制的树枝状采气管，借助风机的抽吸把湿空气吸入，经干球和湿球的热电偶

10、测得空气的干湿球温度.分别测量了试验段下端以及淋水管上方的空气干湿球温度，还测量了大气的干湿球温度和当地大气压力.在试验过程中用5对铜-康铜热电偶用于测量工艺水每流程的进出口温度，且在进水管和出水管处用0.1精度的温度计直读.在试验管束每排管中间一根水管的下端各设置一对铜-康铜热电偶，一共有4对，其接点与管壁表面并不接触，测得的是水膜温度.此外，在喷淋水的进水和出水总管上各有一对热电偶测量喷淋水的供水和回水温度.循环的喷淋水量和工艺水(热水)量均用玻璃转子流量计(LZB-50)测得，其量程为0.66 m3/h.风量测量是在进风口的收缩喉管处用毕托管测得动压，经西安仪表厂生产的1151DR型微差

11、压电容式变送器，并把420 mA的电流转换成420 mV输入数据采集系统.蒸发冷却器试件的压力损失用倾斜式微压计测得.各测量点的铜-康铜热电偶(共15对)再加上微差压变送器的一对读数均送往3054A数据采集系统(即3497A数据采集器与HP-85B微机相连)，最后经微机处理和打印结果.工艺水量和喷淋水量的数据则经人工采读后由键盘输入.2数据处理方法根据测得的干球温度和湿球温度，可确定其相对湿度为=p-Apb(-)/p(1)式中：p和p分别对应于和的饱和蒸汽压力；pb为大气压力；A为常数.对于通风式温度计，A=0.000 662.此外还可求得空气的含湿量x、密度(kg/m3)和焓h(J/kg)分

12、别为x=p/(pb-p)(2)(3)h=1.005+0.622x(2 501+1.846)×103(4)由测得的工艺水质流量m*w和它的进出口温度、空气质流量m*a和它的进出口焓值，可分别求得水侧和空气侧的热量以及热平衡误差，即Qa=ma(h2-h1)(5)Qw=mwcpw(tw1-tw2)(6)=100×(Qw-Qa)/Qw(%)(7)在测试过程中，工况的稳定是十分重要的，只有在稳定工况下才能确保热平衡误差在8%以下.首先对试验台的各个系统进行反复调试，再对每个工况用数据采集系统监控和测量，待工况稳定后相隔10 min连续测量两次，各主要参数值基本不变才转入下一工况.热平

13、衡误差在10%以上应予以剔除.由焓差法的麦克尔方程，在一段微小容积dV中，水膜的饱和空气焓h和主流空气焓h之差构成了传热传质的推动力：mwcpwdt=madh=xv(h-h)(8)式中：xv为容积散质系数.在冷却塔中xv常取作淋水密度和空气质速度的函数，对不同的填料分别给出其变化特性.在蒸发式冷却器中，xv一般为空气侧雷诺数Rea、水膜侧Rew以及结构尺寸的函数13.在给定结构尺寸和运行工况的Rea和Rew下，xv可作为该设备的平均值取作常数.对式(8)从进口到出口进行积分，有(9)式中，hm为对数平均焓差.考虑到管外水膜温度为非线性分布，取进出口两点作为计算依据不妥.可把测得的水膜温度取平均

14、值后求得其饱和空气焓值hm，于是(10)式中，h1和h2可按测得的空气进口和出口的干湿球温度求得.在测量过程中，循环喷淋水的进出口温度近似相等，工况稳定后其偏差在±0.2以内.根据测得的各温度工况，可推算管内工艺水和管外水膜之间的平均温差tm.由测得的换热量(以水侧为准)和光管外表面积F0，求得总传热系数K=Qw/(F0tm).在扣除管内工艺水侧热阻后可求得水膜侧热阻.在考虑翅化系数和翅片效率后即可求得水膜的对流换热系数，并与文献推荐的公式作对比，管内工艺水在紊流工况下的换热可按常规的迪图斯-贝尔特(Dittus-Boelter)公式确定.对于低翅片管束，使水膜侧的传热传质面积有较大

15、增加，其热阻略低于管内侧，有利于强化传热传质.在测量仪表中，热电偶经过标定，并用0.1实验室用温度计进行校核，测温误差为0.33%；转子式流量计的精度为1.5级；毕托管和微差压变送器的精度为1.0级.此外，气侧干湿球温度的温差为±2%，水膜温度测量的误差为±1%.因此，实验过程中整理得到的xv和K值的精度在±10%以内，热平衡误差控制在±8%以内.3测量结果和分析图2(a)、(b)是低翅片管束的容积散质系数xv随空气质流速ma和喷淋水量的变化曲线.ma=26 kg/(m2.s).喷淋水量在1 0003 500 L/h，相应的单位宽度冷却水m=50175

16、kg/(m.h).定义m=Wc/(4N1L).其中：Wc为喷淋水量(kg/h);N1为每排管数；L为管长.从图中可以看出，xv随ma增加而迅速增大，随m的增加较为缓慢.当m超过100，则xv的增加更为缓慢.图中实线为根据现有关联式得出的计算结果，此外，还给出几个试验工况下的结果，用虚线表示.图2(a)中的试验点m=96 kg/(m.h)，图2(b)中的试验点ma=3.8 kg/(m2.s).它比相应工况下的计算值提高约20%30%.这说明低翅片管束对增强蒸发冷却器的传热传质是有效的.图2低翅片管束容积散质系数的试验结果Fig.2Experimental results of volumetri

17、c mass transfer coefficient of low finned tube图3(a)、(b)是低翅片管束的传热系数K随工艺水量mw和喷淋水量的变化曲线.mw=2 5006 000 L/h，相应的水速为0.41 m/s，Re=8 00020 000.从图中可以看出，K值随水速和m值的增加而升高，随水速增加而上升的幅度大一些，这说明工艺水侧的热阻较大.当m值超过100，则K值的增幅更为缓慢.图中实线为根据现有关联式得出的计算结果，此外，还给出几个试验工况下的结果，用虚线表示.图3(a)中的试验点m=96 kg/(m.h)，图3(b)中的试验点mw=4 850 L/h.它和理论计算

18、值的偏差在±5%以内.图3低翅片管束传热系数的试验结果Fig.3Experimental results of heat transfer coefficient of low finned tube4结论(1) 蒸发冷却器是一种有效的强化传热传质设备.在许多工业部门中不但可以解决冷却水的循环利用，而且使冷却系统简化，降低造价和运行费用，是一种有发展前途的冷却设备.应深入开展其计算分析和试验研究，才能在各种应用场合下寻求它的优化设计.(2) 讨论了蒸发式冷却器的试验台，以及实验数据的整理方法.对两种试验段的实验结果进行了数据处理，并给出了影响容积散质系数和总传热系数的各种因素.对于翅化系数小的低翅片紫铜管束，流动阻力增加极小，但因水膜侧的换热面积增大，水膜侧的热阻将低于工艺水侧的热阻，使传热得到增强.同时单位容积的传热传质面积显著增加，xv将增加20%30%，对强化传热传质十分有利.基金项目：国家教委博士点基金资助项目(9524823)作者简介：蒋常建(1972)，男，博士生.作者单位：(上海交通大学 动力