蒸發(fā)式換熱器的研究進展和應(yīng)用狀況(圖)

????李鵬飛1,王志遠1,薛玉卿1,原如冰2

????(1?河南科技大學(xué)車輛與動力工程學(xué)院,河南洛陽471003;2?重慶大學(xué)動力工程學(xué)院,重慶400450)

????【中國制冷網(wǎng)】[摘要]著重比較了不同型式冷凝器的相關(guān)應(yīng)用參數(shù);對蒸發(fā)式換熱器國內(nèi)外研究進展和國內(nèi)應(yīng)用狀況進行了介紹;分析總結(jié)了蒸發(fā)式冷凝器在應(yīng)用中存在的問題,并針對相關(guān)問題提出了相應(yīng)對策;z*后,指明了蒸發(fā)式冷凝器的應(yīng)用前景和發(fā)展方向,并通過實踐證明了節(jié)能型的產(chǎn)品在國內(nèi)外具有良好的市場。

????[關(guān)鍵詞]蒸發(fā)式冷凝器,蒸發(fā)式換熱器,節(jié)能

????[中圖分類號]TB657?5;TQ051?6+1;TQ051?6+2[文獻標識碼]C

????1引言

????由于人口膨脹和經(jīng)濟發(fā)展,水資源短缺的現(xiàn)象正在世界許多地方相繼出現(xiàn),尤其是城市缺水狀況,越來越加劇。我國的水力資源可開發(fā)量雖達3?79億千瓦,但人均不到0?3千瓦。《中國節(jié)水技術(shù)政策大綱》中指出:“大力發(fā)展和推廣工業(yè)用水重復(fù)利用技術(shù),提高水的重復(fù)利用率是工業(yè)節(jié)水的s*要途徑,發(fā)展高效冷卻節(jié)水技術(shù)是工業(yè)節(jié)約用水的重點。”冷凝冷卻設(shè)備是工業(yè)耗能耗水大戶,制冷冷卻耗能量占工業(yè)用能的13%~15%,耗水占工業(yè)用水的70%~80%,而間接冷卻用水又占冷卻用水的70%~80%[1]。也正是在這樣的情況下,蒸發(fā)式冷凝技術(shù)應(yīng)運而生,成為水循環(huán)重復(fù)利用的重要技術(shù)之一。蒸發(fā)式冷凝技術(shù)在航空、電力、機械、紡織等工業(yè)領(lǐng)域中起著重要作用。同時,冷卻塔、噴淋塔、蒸發(fā)式冷凝器等就是冷卻水重復(fù)利用的關(guān)鍵設(shè)備,蒸發(fā)式冷凝器的節(jié)能、節(jié)水效果不僅在理論上是明顯的,在實際應(yīng)用中也得到很好的證明[2]。所以,研究和發(fā)展蒸發(fā)式冷凝冷卻設(shè)備,極具現(xiàn)實意義。

????2蒸發(fā)式冷凝器

????根據(jù)蒸發(fā)式冷凝器的工作原理可知,由于蒸發(fā)式冷凝器主要利用水的汽化潛熱帶走制冷劑冷凝過程中放出的冷凝熱量,所以冷卻水的用量要比水冷式冷凝器少得多。實際補充水量為水冷式的1/25-1/50,其特別適用于缺水地區(qū)。

????文獻[3]和文獻[4]對各種冷凝器的性能與耗水情況分別進行了比較。據(jù)計算,以氨為制冷劑,產(chǎn)冷量在3?8×106kJ/h時,蒸發(fā)冷凝器比殼管式冷凝器平均每年節(jié)電3?4×105kWh[5]。

????3蒸發(fā)式換熱器的理論研究進展

????3?1國外理論研究進展

????國外的蒸發(fā)冷凝技術(shù)發(fā)展比較早,所取得的理論和研究成果也比較高。蒸發(fā)式冷凝設(shè)備基本傳熱傳質(zhì)理論是在1925年由merkel所提出并發(fā)展起來的,為以后的理論研究奠定了基礎(chǔ)。之后在二十世紀中期,S?G?Chuklin、尾花英郎等提出了關(guān)于蒸發(fā)式冷凝器設(shè)計的普遍化方法。Parker和Treyball研究了蒸發(fā)式冷卻器的傳熱、傳質(zhì)性能,闡明了蒸發(fā)式冷卻器的傳熱、傳質(zhì)機理。文獻[6]對蒸發(fā)式冷凝器與涼水塔混合系統(tǒng)的實驗表明此系統(tǒng)能顯著降低冷凝溫度,并節(jié)約換熱面積。開發(fā)了一套用于設(shè)計水平或豎直放置的光管、翅片管蒸發(fā)式冷凝器與涼水塔混合系統(tǒng)的計算機程序。文獻[7]對豎直管蒸發(fā)式冷卻器做了傳熱傳質(zhì)試驗研究,結(jié)果表明控制熱阻發(fā)生在空氣與水的交界面,并建立了適用于光滑豎直管蒸發(fā)式冷凝器性能計算的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。文獻[8]對蒸發(fā)式換熱器(涼水塔、流體冷卻器、冷凝器)做了性能模擬,其模擬算法與制造廠家(美國巴爾的摩)提供的數(shù)據(jù)差別在±3%以內(nèi)。文獻[9]對幾種蒸發(fā)式冷卻器芯體的設(shè)計方案做了模擬計算探討,發(fā)現(xiàn)添加的塑料材料(Munter)可以顯著地增強光滑管冷卻器的傳熱性能,而不需要使用成本很高的翅片管以增加傳熱面積。文獻[10]給出了蒸發(fā)式冷凝器一種新傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型,該模型準確的描述了傳熱傳質(zhì)過程;編制了適用于光管蒸發(fā)式冷凝器的計算機仿真模擬程序,通過試驗驗證,其計算結(jié)果同試驗結(jié)果相比較平均誤差為3%,其中z*大誤差也不超過20%;并且計算結(jié)果具有很高的精度,驗證了計算機程序的合理性。文獻[11]研究了在負的大氣壓下蒸汽混合物對DCXs型換熱器的性能影響,通過試驗測試研究了DCXs型換熱器中入口處不凝性氣體的影響,給出了數(shù)學(xué)計算模型,并指出該模型可為冷凝器設(shè)計提供依據(jù)。文獻[12]和[13]對兩步式蒸發(fā)冷卻器的性能做了實驗研究,分析比對了直接蒸發(fā)式冷卻器和間接蒸發(fā)式冷卻器的性能,結(jié)果表明帶有涼水塔的兩步式蒸發(fā)冷卻器比沒有涼水塔的系統(tǒng)具有更高的換熱效率,也優(yōu)于一步式、直接接觸式蒸發(fā)冷卻器。文獻[14]討論了蒸發(fā)式流體冷卻器的傳熱傳質(zhì)過程,建立了逆流蒸發(fā)式流體冷卻器的數(shù)學(xué)模型。研究了管束的分列排布對光管式流體冷卻器的熱性能影響。結(jié)果表明,對于蒸發(fā)式水冷卻器,模擬計算值和試驗值具有很好的吻合性,相對誤差不超過6%,通過試驗數(shù)據(jù)回歸,總結(jié)出傳質(zhì)效率的關(guān)聯(lián)式。文獻[15]介紹了一種描述蒸發(fā)式冷凝冷卻設(shè)備通用的無量綱數(shù)學(xué)模型,該數(shù)學(xué)模型給出了水、空氣和被冷卻流體在系統(tǒng)中非絕熱蒸發(fā)的換熱過程。

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追憶與祈福――5.12大地震一周年祭

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技術(shù)：壓縮機常見故障分析(1) 電機燒毀
冷水機組運行時的誤操作及節(jié)能管理分析
《制冷學(xué)報》2009年第一期摘要[雙月刊]

????應(yīng)用無量綱微分方程建立的數(shù)學(xué)模型極大的降低了計算的參數(shù)量并且簡化了計算。分析表明,該無量綱因次的數(shù)學(xué)模型具有廣泛的應(yīng)用性。文獻[16]對蒸發(fā)式冷凝器(采用兩組翅片管+填料的結(jié)構(gòu)型式)的性能進行實驗研究,同時和風冷式冷凝器進行比較,結(jié)果表明蒸發(fā)式冷凝器的系統(tǒng)效率介于97%~99%之間,而風冷式冷凝器系統(tǒng)效率介于88%~92%之間。文獻[17]在相同的實驗條件下,對光管和翅片套管蒸發(fā)式冷卻器的傳熱性能進行分析研究。通過試驗證明,當空氣的迎面風速從1?66~3?57m/s變化時,翅片套管蒸發(fā)式冷卻器比光管蒸發(fā)式冷卻器的換熱性能提高了92%~140%,在假定換熱器噴淋水溫度不變的前提下,建立了光管和翅片套管蒸發(fā)式冷卻器的熱力學(xué)性能數(shù)學(xué)模型。文獻[18]在同樣實驗條件下,對橢圓光管和圓管蒸發(fā)式冷卻器進行了性能比較試驗研究。研究結(jié)果表明,橢圓管的平均傳質(zhì)Colburn因子Jm是圓管的89%,橢圓管的平均摩擦因子(f)是圓管的46%,而橢圓管的Jm/f是圓管的1?93~1?96倍。實驗證明,橢圓管的綜合性能優(yōu)于圓管,具有很好的換熱和傳質(zhì)特性。文獻[19]對直接式和間接式冷卻塔和冷凝器的性能進行了分析。基本原理依據(jù)merkel′s理論,針對常用的三種換熱器應(yīng)用統(tǒng)一理論和相同的操作方法進行分析,總結(jié)出了換熱效率和熱阻的計算關(guān)聯(lián)式。文獻[20]建立了關(guān)于閉式冷卻塔的基于熱質(zhì)傳遞守恒的簡化效率模型,在假定盤管間冷卻水膜溫度為常數(shù)的條件下,研究了冷卻塔在風量變化時性能的變化,并計算了耗水量。模擬計算的結(jié)果和已有的數(shù)據(jù)相吻合,其誤差控制在10%以內(nèi)。文獻[21]主要對比了制冷系統(tǒng)現(xiàn)在使用的三種冷凝器特性,即空氣冷卻式冷凝器、水冷卻式冷凝器和蒸發(fā)式冷凝器在相同的試驗條件下分別進行試驗研究,結(jié)果表明,在蒸發(fā)溫度為-24~-4℃時,水冷式冷凝器和蒸發(fā)式冷凝器相比,制冷量和能效比分別提高了2?9%~14?4%和1?5%~10?2%,但耗電量增加了2?3%~4?2%。在蒸發(fā)溫度為-24℃時,蒸發(fā)式冷凝器和空氣冷卻式冷凝器相比,制冷量和能效比分別提高了31?0%和14?3%,耗電量增加了10?1%。文獻[22]介紹了一種基于計算流體力學(xué)的關(guān)于濕空氣和水的兩相流動的新型冷卻塔的數(shù)學(xué)模型。在氣體流動段采用歐拉方法分析,在水滴下落階段應(yīng)用拉格朗日方法分析研究。試驗研究表明,液滴尺寸的影響是z*主要的因素,當噴淋水量一定時,液滴尺寸越小,換熱效率越高,冷卻水入口溫度和空氣濕球溫度相差越大換熱效率越高。文獻[23]應(yīng)用ANNs(人工智能網(wǎng)絡(luò))技術(shù)對蒸發(fā)式冷凝器的冷凝負荷進行了模擬和控制研究。研究結(jié)果表明,在熱力學(xué)系統(tǒng)中,ANNs控制器適合取代PID控制器。文獻[24]應(yīng)用ANNs對帶有蒸發(fā)式冷凝器的系統(tǒng)性能進行預(yù)測。通過改變蒸發(fā)器的負荷、空氣和水流過蒸發(fā)冷盤管的速度和冷凝器入口處空氣的干濕球溫度對系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)測試。其預(yù)測值和試驗值以及關(guān)聯(lián)式計算的相對誤差在1?90%~4?18%內(nèi),結(jié)果表明ANNs在逆流蒸發(fā)式冷凝器的復(fù)雜系統(tǒng)中應(yīng)用時具有很高的精度。文獻[25]對蒸發(fā)式流體冷卻器和蒸發(fā)式冷凝器的數(shù)學(xué)模型進行了細致研究。通過和前人研究結(jié)果相比較,驗證該模型的合理性。該模型考慮了污垢對換熱性能的影響,建立了計算污垢熱阻的相關(guān)方程,并利用此方法對換熱器性能進行研究,為蒸發(fā)式換熱器設(shè)計計算提供試驗依據(jù)。文獻[26]對蒸發(fā)式換熱器進行敏感性分析,所謂敏感性分析就是對影響換熱器性能的模型參數(shù)逐一進行分析。分析結(jié)果表明,對蒸發(fā)式冷卻器,影響其換熱效率的主要因素是流體流動速率;而對蒸發(fā)式冷凝器,影響其換熱效率的主要因素是空氣入口處的濕球溫度和冷凝溫度。文獻[27]依據(jù)熱力學(xué)第一、二定律對逆流式冷卻塔和蒸發(fā)式換熱器進行了熱力學(xué)性能分析,利用熱力學(xué)火用平衡分析影響系統(tǒng)不可逆損失的因素。研究表明,換熱器的入口濕球溫度的增加總會提高熱力學(xué)第二定律的效率。應(yīng)用熱力學(xué)方法豐富蒸發(fā)冷凝冷卻技術(shù)的研究手段,但是仍難以準確的表達傳熱傳質(zhì)的過程。

????蒸發(fā)式冷凝冷卻技術(shù)在國外的研究從上個世紀至今從未間斷過,并且在理論研究方面也取得了較大的成果,但大多局限于管內(nèi)無相變的蒸發(fā)式冷卻器的研究和蒸發(fā)式冷凝器的理論及性能模擬。隨著節(jié)水和節(jié)能的需求,蒸發(fā)式換熱器在系統(tǒng)中應(yīng)用的深入研究將成為勢在必行的重要研究課題。

????3?2國內(nèi)理論研究進展

????20世紀80年代,同濟大學(xué)陳沛霖教授在美國加州勞倫斯伯克利研究所從事蒸發(fā)冷卻技術(shù)的國際合作研究,并將這一技術(shù)引入我國。近年來,一些企業(yè)和科研單位對蒸發(fā)冷凝冷卻技術(shù)進行了理論和試驗研究,并取得了一定的成果。1986年,文獻[28]通過實驗研究分析冷凝溫度、空氣進口濕球溫度、風量和噴淋水量對氨蒸發(fā)式冷凝器單位面積熱負荷的影響,同時驗證在不同工況下氨蒸發(fā)式冷凝器冷凝能力變換曲線的可靠性,為設(shè)計蒸發(fā)式冷凝器提供參考。

????1990年,文獻[29]把蒸發(fā)式冷凝器中的冷凝溫度與水膜平均溫度之差轉(zhuǎn)換為焓差,并用算術(shù)平均焓差代替對數(shù)平均焓差導(dǎo)出了不含水膜溫度的單位面積熱負荷的簡化計算公式,與常用的比較繁瑣的試湊法或圖解法相比,這種方法對于工程設(shè)計計算相當方便。

????1999年,文獻[30]介紹了一種簡單實用的帶預(yù)冷器的蒸發(fā)式冷凝器的設(shè)計方法,此法可用于常規(guī)蒸發(fā)式冷凝器的設(shè)計計算。

????2003年,文獻[31]介紹了蒸發(fā)式冷凝器的工作原理、傳熱計算、設(shè)計參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題,建議在缺水地區(qū)使用蒸發(fā)式冷凝器z*為經(jīng)濟。

????2004年,文獻[32]對幾種間接蒸發(fā)冷卻器的熱工計算數(shù)學(xué)模型進行了簡要介紹和對比,并對其中兩種計算方法進行了實驗驗證,結(jié)果表明周孝清、陳沛霖提出的方法更適用于工程實踐。2005年,文獻[33]-[34]建立了蒸發(fā)式冷凝器和蒸發(fā)式冷卻器的數(shù)學(xué)模型。對換熱器管外水膜的溫度分布和焓值沿換熱器高度方向變化進行了研究,并根據(jù)傳熱學(xué)理論得到了模型的解析解,為設(shè)計蒸發(fā)式換熱器提供了依據(jù)。文獻[35]采用分布參數(shù)法對蒸發(fā)式冷凝器建立了數(shù)學(xué)模型,模型對蒸發(fā)式冷凝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能的優(yōu)化提供了幫助。2006-2007年,文獻[36]分析了噴淋蒸發(fā)翅管式冷凝器的傳熱過程,建立其傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型和設(shè)計計算方法。文獻[37]用溫降計算法進行蒸發(fā)式冷凝器的選型計算,指出設(shè)置洗滌式油分離器對于氨制冷系統(tǒng)的有利作用,同時結(jié)合工程實例對蒸發(fā)式冷凝器的管路進行了設(shè)計,并對其結(jié)構(gòu)提出了改進意見。文獻[38]-[46]建立了蒸發(fā)式冷凝器實驗平臺,測試了不同噴淋密度及迎面風速對管外水膜與空氣傳熱與阻力性能的影響,得到了管外水膜與空氣傳熱系數(shù)計算式。

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追憶與祈福――5.12大地震一周年祭

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技術(shù)：壓縮機常見故障分析(1) 電機燒毀
冷水機組運行時的誤操作及節(jié)能管理分析
《制冷學(xué)報》2009年第一期摘要[雙月刊]