管式間接蒸發冷卻系統中強化管外傳熱傳質方法的對比分析

樊麗娟  黃翔  吳志湘

  (西安工程大學,陜西西安　710048)

    摘要：從強化傳熱的理論出發,以管式間接蒸發冷卻器為研究對象,就如何開發和研究低能耗和高效的管式間接蒸 發冷卻器,闡述了幾種強化傳熱傳質的方法。通過對比分析,采用親水鋁箔管材,在管外包覆吸水性纖維織物或網狀結 構材料,在換熱管外涂敷有機無機復合親水膜,是幾種行之有效的增強管式間接蒸發冷卻系統中換熱管傳熱傳質的措 施。經過強化傳熱傳質優化設計的管式間接蒸發冷卻器,冷卻效果好,具有廣闊的應用前景。

    關鍵詞：管式間接蒸發冷卻器;強化傳熱傳質;親水鋁箔;多孔陶瓷;波紋管;吸水性材料;親水涂層

    中圖分類號：TB6　   文獻標識碼：A

    1　前言

    隨著空調的普及以及空調節能問題的日益突 出,蒸發冷卻空調技術正以其節能、環保、經濟等 優點在住宅和大型建筑中得到越來越多的應用。 間接蒸發冷卻器是蒸發冷卻空調的核心裝置,蒸 發冷卻技術的發展依賴于間接蒸發冷卻技術的突 破和進展。而管式間接蒸發冷卻器是間接蒸發冷 卻技術的最普遍的表現形式,間接蒸發冷卻技術 的突破和進展取決于管式間接蒸發冷卻器效率的 提高。

根據蒸發冷卻原理,水的蒸發是冷卻降溫的 前提。管式間接蒸發冷卻器管外側實現的是水與空氣直接接觸,空氣等焓冷卻過程,被冷卻的水通 過間壁吸收管內一次空氣的熱量。也就是說,管 外側的傳熱傳質效果直接影響到一次空氣的溫 降,也將決定了換熱器的效率。設法增強管外空 氣與水的傳熱傳質,就能提高管式間接蒸發冷卻 器的效率。所以管式間接蒸發冷卻器的管外強化 傳熱傳質的研究具有很高的價值與意義。國內外 對強化傳熱傳質進行的研究取得了豐碩的成果, 目前已有的強化傳熱傳質技術不下百余種[1、2]。 強化管式間接蒸發冷卻器的管外傳熱傳質的方法 也很多,如對管外進行特殊設計、設計合理的布水 方式、在噴淋水中添加潤濕劑等。本文以管式間 接蒸發冷卻器為研究對象,重點從對管外進行特殊設計出發,闡述了幾種強化傳熱傳質的方法,研 究了如何強化管式間接蒸發冷卻器的傳熱傳質性 能,為開發和研究低能耗、高效率的管式間接蒸發 冷卻器奠定了基礎。

    2　換熱器強化傳熱理論原則

    2.1　增大傳熱面積F

    擴展傳熱面積是增加傳熱效果現在使用最多 的方法,是通過合理地提高設備單位體積的傳熱 面積來達到增強傳熱效果的目的,如在換熱器上 大量使用單位體積傳熱面積比較大的翅片管、波 紋管、板翅傳熱面等材料,通過這些材料的使用, 單臺設備的單位體積的傳熱面積會明顯提高,充 分達到換熱設備高效、緊湊的目的。

    2.2　增加對數平均溫差Δtm

    加大換熱器傳熱溫差Δtm是加強換熱器換熱 效果常用的措施之一。但是,增加換熱器傳熱溫 差Δtm是有一定限度的,不能把它作為增強換熱 器傳熱效果最主要的手段,使用過程中應該考慮 到實際工藝或設備條件上是否允許。依靠增加換 熱器傳熱溫差Δtm只能有限度的提高換熱器換熱 效果。

    2.3　提高傳熱系數K

    從傳熱系數的計算公式:

    傳熱系數K值與管內外換熱系數αi(αo)、管 內外污垢系數ri(ro)、換熱管直徑、壁厚、材料有 關,而主要因素取決于αi、αo、ro、ri,即提高管內外 換熱系數αi(αo)、降低管內外污垢系數ri(ro)。 提高αi和αo可以從流體的流動狀態入手:一 是適當增加流體的流速;二是設計適當的截面狀 態,實現湍流和程度較高的紊流,使流體不斷沖擊 破壞邊界層。

    降低ri和ro可以從減少管內外結垢入手。因 為在換熱器的運行中由于溫度及其他條件的變 化,流體中的一些污垢會增大換熱器的總熱阻。 降低熱阻需從以下幾個方面考慮:適當提高流速、 改變流動路徑形狀、選不易腐蝕的光滑材料。 綜上所述,提高對數平均溫差受到實際工藝 或設備條件的限制,選擇高對數溫差會使能耗增 加,因而不是最佳途徑;加大換熱器的換熱面積可以有效地強化傳熱傳質,但勢必造成設備體積增 大及成本的增加,因而是有一定限度的;最理想的 辦法就是提高傳熱系數K,它可以通過提高管內 外換熱系數αi(αo)、降低管內外污垢系數ri(ro) 來實現。

    3　強化傳熱傳質方法

    3.1　選用優質管材

    3.1.1　親水鋁箔

    親水鋁箔的主要性能指標是親水性,用水滴 在鋁箔表面的接觸角的大小來表示。與普通鋁箔 相比,水滴在親水鋁箔表面的接觸角很小,可以形 成均勻水膜,從而增大了蒸發表面,促進了蒸發傳 熱。因此使用親水鋁箔的換熱器,不僅能大大提 高熱交換效率,減少空調器體積,而且可以節省能 源,延長空調器的使用壽命[3~6]。

    為了得到水在親水鋁箔表面的鋪展情況,采 用JC2000A靜滴接觸角/界面張力儀測試了幾種 親水鋁箔。通過測試得知水在親水鋁箔表面的接 觸角約為60°(如圖1所示),用它來做間接蒸發 冷卻換熱器的換熱管,可以滿足要求。

                                   圖1水在親水鋁箔表面分布示意

    另外,親水鋁箔由于表面光滑,容易沖洗,所 以不易滋生細菌,耐腐蝕性能也很高。而且親水 鋁箔在我國已經大量生產,所以成本較低。因此, 親水涂層鋁箔已成為空調器升級換代必不可少的 關鍵材料之一。

    3.1.2　多孔陶瓷

    多孔陶瓷最大的結構特征就是多孔性,多孔 陶瓷的孔結構特征與陶瓷本身的優異性能結合, 使其具有均勻的透過性、發達的比表面積、低密 度、低熱導率、低熱容以及優良的耐高溫、耐磨損、 耐氣候性、抗腐蝕性和良好的剛度、一定的機械強度等特性。由于具有這些優良特性,多孔陶瓷可 以作為蒸發冷卻的一種可用材料[7]。

    陶瓷的導熱系數比纖維的導熱系數高,但比 金屬的導熱系數低。這種水平在空調應用中處理 熱/質傳遞是很好的。還有陶瓷的孔隙度對需要 傳遞的水分保留是足夠的。帶有低孔隙度的陶瓷 是更好的,因為它有更小的蓄水能力,能夠增強顯熱交換。

    當多孔陶瓷應用于間接蒸發系統時,可與同 種材料制成的薄膜結合起來以避免水分的滲透。 在硬度方面,大多數的多孔陶瓷具有50~ 400Gpa的楊氏模數,適合用作換熱器板。多孔陶 瓷在潮濕條件下是耐用的,與同種材料制成的固 體膜具有很高的兼容性。多孔結構在潮濕條件下 可能會滋生細菌,因為小孔隱藏在結構內部,增大 了清洗/衛生的困難。在成本方面,它大約是同種 材料金屬板價格的兩倍。

    3.2　對換熱管進行特殊處理

    3.2.1　燈芯效應

    傳統金屬熱交換器主要有鋁、銅或它們的合 金制成,形狀可以是板式和管式。這種表面有相 對很小的毛細作用,很難保持住水分進行蒸發冷 卻作用。為了提高表面的毛細作用,可以考慮在 板或管的一面用多孔材料代替光滑的表面。這時 就要考慮一些多孔結構的金屬,也就是具有燈芯 結構的金屬、金屬泡沫或金屬絨[1]。

    燈芯效應可能是以下結構中的一種,例如燒 結點、微孔、網眼、凹槽或須狀,把它們制成管/板 式保存蒸發的水分。依靠燈芯的結構、密度和外 形,它的孔隙度在20%~90%范圍內變化。

    最近幾年,基于銅或鋁的高傳導泡沫材料已 經用于熱交換器。這些泡沫材料包含敞開的胞狀 結構,通過氣體或液體流過泡沫材料,同時冷卻或 加熱泡沫材料,使得胞狀結構中的熱量排除,氣體 或液體增加。由于這種敞開的多孔結構,大量的 水包含于其中,允許水分轉移。這種泡沫材料可 以用不同的方式制作,例如融化、粉化、濺射和沉 淀。每一種方法適用于典型的密度范圍、孔眼大 小和孔眼布局,因此導致孔隙度在30%~80%的 范圍內。目前,在恒定孔隙度80%的情況下,微 孔的尺寸在4.5~0.5mm范圍內已經得到實現, 因此,孔隙度、外形和結構費用是相互關聯的。 金屬絨是另一種多孔金屬,主要是由銅、鋁和 它們的合金制造的。基于金屬纖維長度、直徑和密度,孔隙度在30%~95%范圍內變化。研究發 現一種銅絨的孔隙率是0.95,這種銅的導熱系數 降為1.0~2.7W/(m·K)。

    在硬度方面,銅和鋁都適合用作換熱板,因為 它們都能達到足夠的楊氏模數,從70~140Gpa, 適合定型和維持形狀穩定。銅和鋁都很耐用并且 和同種固體金屬的兼容性也很好。在細菌滋生風 險方面來說,利用燈芯效應(燒結點、微孔、網眼、 凹槽或須狀)制成的金屬比金屬泡沫材料和金屬 絨好得多,因為這種板上的小孔是暴露的,而不是 隱藏的,這就有利于隔層的清洗/衛生處理。在造 價方面,鋁是很好的選擇,因為鋁要比銅便宜得 多。

    3.2.2　波紋管

    波紋管是一種雙面強化傳熱傳質的管型,內 外壁被軋成波紋凸肋,其內壁能改變流體邊界層 的流動狀態,外壁能增大傳熱表面和擾動,達到雙 面強化傳熱傳質的目的[8、9]。

    其一,由于波紋管截面的周期性變化,使得流 體液膜的流動是在反復改變軸向速度和壓力梯度 下進行的,處在規律性的擾動狀態,使得湍流程度 加劇,而液膜的湍流和附加的擾動沖刷了流體的 邊界層,使得邊界層減薄,降低傳熱熱阻,使流動 工質在較低的流速下就能實現紊流,強化了傳熱; 其二,波紋管具有極好的自潔能力,由于液體湍 流,不斷沖刷內壁,使得污垢很難形成,大大較少 了污垢熱阻,強化了傳熱[10、11];其三,結構緊湊, 具有熱補償能力,可在較大溫差下操作:由于換熱 系數較高,在同樣換熱條件下,結構緊湊,節省材 料,占地面積小[12]。

    波紋管換熱器加工制造工藝成熟,可大量推廣應用。

    3.2.3　管外包覆材料

    在管式間接蒸發冷卻器管外包覆吸水性材料 的目的是在換熱器管外表面形成均勻的水膜,增 加水與換熱器的接觸面積和接觸時間,以此達到 強化管外的水、二次空氣與管內的一次空氣之間 的換熱,從而提高蒸發冷卻器的傳熱傳質效果。 棉纖維織物為親水性纖維,吸水能力和保水 能力很高,但導濕性能、導熱性能和耐腐蝕性都很 差;滌綸纖維織物為疏水性纖維,具有吸水快干的 特性,導熱系數一般,耐腐蝕性能較好;異形纖維 Coolplus織物,是對普通滌綸纖維進行改性后得 到的,吸濕快干,導熱系數一般,耐腐蝕性能較好;丙綸纖維織物的吸濕性很小,幾乎不吸濕,一般大 氣條件下的回潮率接近于零。但它有芯吸作用, 能通過織物中的毛細管傳遞水蒸氣,但本身不起 任何吸收作用,導熱系數較大,具有較好的耐化學 腐蝕性,對酸和堿抵抗性能良好;金屬纖維織物含有少量金屬成分,吸濕快干,導熱系數大,耐腐蝕 性能較好;不銹鋼網狀結構材料保水能力很好,蒸 發效果最好,導熱系數最大,耐腐蝕性能很好。通過比較可知,不銹鋼網狀結構材料、金屬纖維織物和丙綸纖維織物是很好的包覆材料,非常適于包覆在管式間接蒸發冷卻器的換熱管外來增強其傳熱傳質。

    浸濕以后的纖維表面很容易滋生細菌,因此 纖維不是蒸發冷卻的完美材料。在造價方面,纖維制品相當便宜,因此頻繁的替換是可行的,這可 以克服壽命短和易污染的缺點。

    3.3　親水性涂層

    3.3.1　納米親水涂層

    TiO2表面經紫外光照射后表面具有超親水特 性。通常情況下,水滴滴在TiO2薄膜表面,接觸 角比較大。在紫外光的照射下,TiO2的帶價電子 被激發到導帶,在表面生成電子空穴對,電子與 Ti4+反應,空穴則與表面橋氧離子反應,分別生成 Ti3+和氧空位,空氣中的水解離子吸附在氧空位 中,形成表面羥基,表面羥基可以進一步吸收水 分,形成物理水吸附層。這樣在Ti3+缺陷周圍形 成了高度親水的微區,而表面剩余區域仍為疏水 性。由于水滴尺寸遠遠大于親水面積,故宏觀上 TiO2表面表現出親水性,水被親水微區吸附,從而 擴展浸潤表面。隨著光照時間的延長,接觸角不 斷減小,甚至到達0°。停止紫外光照射,表面羥 基被空氣中的氧所取代,將會重新回到疏水狀 態[13\]。

    這種納米親水薄膜的局限性在于:當TiO2薄膜失去紫外光的照射時,將會失去親水性,回到疏水狀態,不能長時間穩定地保持親水性。而在管式間接蒸發冷卻系統中,換熱管多處于黑暗狀態, 所以這種納米涂層不適合用在管式間接蒸發冷卻系統中來提高其親水性。

    3.3.2　親水膜

    親水涂膜按材料分類有三種:(1)無機物質 (如:水軟鋁石、水玻璃等),這種材料由于水潤濕 性好,因而接觸角小,親水持續性好,但因處理條 件嚴格,耐蝕性不夠理想;(2)有機樹脂(親水性樹脂和表面活性劑合用),初期的親水膜由于并 用表面活性劑,確保了水潤濕性和低接觸角,但因 表面活性劑的持續性差,現在基本上不再使用; (3)二氧化硅、有機樹脂和表面活性劑合用,這種 處理劑的親水性是利用具有和水玻璃類似結構的 無機高分子二氧化硅的親水性和保濕性,并考慮 到二氧化硅不能單獨成膜的特點,加進了有機樹 脂作為粘合劑,同時為了降低接觸角又加入了具 有潤濕性的表面活性劑,使三者結合,起到了親水 作用[14~16]。

    早在1988年前西德就報道了一種由底、中、 面三層組成的復合涂層體系,效果不錯。日本 Tanaka及Imai各自研制的有機無機復合親水涂 膜均具有良好的親水性和耐蝕性,但涂料中的硅 酸鹽致使涂膜發出似泥的臭味。而Bunji等研究 的雙層復合親水涂膜則具有良好的親水性、成型 性和無臭味性[17、18]。

國內對鋁箔親水涂層的研究起步晚,中南大 學、北京試劑研究所、東北大學等單位對親水涂料 作過初步探討和一些研究,但都集中于對有機親 水涂層的研究。對有機無機復合薄膜的研究很 少。

    筆者以實驗的方法驗證了有機無機復合薄膜 在提高鋁箔表面親水性方面的有效性。制備了一 種以改型硅酸鈉為基料的溶液,經這種溶液處理 后,鋁箔表面形成薄膜,親水性有了很大提高,水在鋁箔表面可以完全鋪展,也就是接觸角幾乎為 0,如圖2所示。

    為了得到薄膜耐水性的好壞,將試樣在去離 子水中浸2min后干燥6min為一個干濕循環,如此經150次干濕循環后,再測量涂膜的親水性。 通過實驗得知,該薄膜持續親水性很好,經150次 干濕循環后水在鋁箔表面的接觸角并沒有顯著提 高。

    4　強化傳熱傳質方法的對比分析

    比較親水鋁箔和多孔陶瓷兩種管材得知,兩 種都可以用在間接蒸發冷卻系統中,但就換熱系 數來說,親水鋁箔高于多孔陶瓷,更重要的是,親 水鋁箔已經大規模生產,成本較低,而多孔陶瓷大 約是同種材料金屬板價格的兩倍,因此制作換熱管優選親水鋁箔材料。

    對比三種對換熱管特殊處理的方法可知,三 種方法都可以增強傳熱,但是燈芯結構和波紋管 制作工藝復雜,不容易成形,成本高;而纖維織物 和網狀結構材料相當便宜,因此頻繁的替換是可 行的,這可以克服壽命短和易污染的缺點,其中不 銹鋼網狀結構材料、金屬纖維織物和丙綸纖維織 物是很好的包覆材料,非常適于包覆在管式間接 蒸發冷卻器的換熱管外來增強其傳熱傳質。 通過分析,納米TiO2親水涂層只有在紫外光 照射下才具有親水性,不適合用在管式間接蒸發 冷卻系統中;有機無機復合親水涂膜具有良好的 親水性和耐蝕性,不需要光照,所以非常適合在換熱管外表面采用。

    總的來說,采用親水鋁箔管材,在管外包覆吸 水性纖維織物或網狀結構材料,在換熱管外涂敷有機無機復合親水膜,是幾種行之有效的增強管 式間接蒸發冷卻系統中換熱管傳熱傳質的措施。

    5　結語

    為了提高管式間接蒸發冷卻器的傳熱傳質性 能,本文從強化傳熱的理論出發,就如何開發和研究低能耗和高效的管式間接蒸發冷卻器,闡述了幾種強化傳熱傳質的方法。

    通過對比分析得出,采用親水鋁箔管材,在管 外包覆吸水性纖維織物或網狀結構材料(不銹鋼 網狀結構材料、金屬纖維織物和丙綸纖維織物是很好的包覆材料),在換熱管外涂敷有機無機復合親水膜,是幾種行之有效的增強管式間接蒸發 冷卻系統中換熱管傳熱傳質的措施。并通過實驗的方法驗證了這一結論。經過強化傳熱傳質優化 設計的管式間接蒸發冷卻器,冷卻效果好,具有廣 闊的應用前景。

    管式間接蒸發冷卻器的管外強化傳熱傳質的 研究,完善了蒸發冷卻技術的理論,為開發和研究低能耗、高效率的管式間接蒸發冷卻器奠定了基 礎,進一步推廣了蒸發冷卻技術的應用。

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