熱回收型熱管式間接蒸發(fā)冷卻器的傳熱傳質(zhì)機(jī)理及優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳生  黃翔  武俊梅

(西安工程大學(xué),西安710048 )

 [摘要]本文分析了熱管式間接蒸發(fā)冷卻器的傳熱傳質(zhì)機(jī)理。運(yùn)用能量守恒定律及傳熱學(xué)的研究方法,對(duì)熱管間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行傳熱傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究,并根據(jù)運(yùn)行參數(shù)對(duì)冷卻效率的影響,提出了增強(qiáng)換熱傳質(zhì),提高換熱效率E的方法,為優(yōu)化設(shè)計(jì)熱管間接蒸發(fā)冷卻器提供了理論與技術(shù)依據(jù)。
    [關(guān)鍵詞]熱管式,間接蒸發(fā)冷卻,傳熱傳質(zhì),優(yōu)化設(shè)計(jì)
    [中圖分類號(hào)] TU831; TQ051; TQ025　　　[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A
    文章編號(hào): ISSN1005-9180 (2009) 01-0007-06 
    1　引言
    間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)主要利用自然環(huán)境空氣中的干球溫度與露點(diǎn)溫度之差取得冷量,從而造成或擴(kuò)大傳熱溫差的特殊的空氣-空氣換熱器。它是一種被動(dòng)式供冷技術(shù),最大的優(yōu)點(diǎn)是可以利用低品位能量去完成機(jī)械制冷系統(tǒng)中必須用高品位能量才能完成的工作。可見間接蒸發(fā)冷卻器是蒸發(fā)冷卻空調(diào)的核心裝置,蒸發(fā)冷卻技術(shù)的發(fā)展依賴于間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的突破與進(jìn)展。開發(fā)用于間接蒸發(fā)冷卻的低成本高效換熱器,優(yōu)化間接蒸發(fā)冷卻器的結(jié)構(gòu)尺寸,是今后需要重點(diǎn)主攻的研究方向之一。
    目前間接蒸發(fā)冷卻器的主要形式有板式和管式兩種。板式間接蒸發(fā)冷卻器雖然結(jié)構(gòu)緊湊,換熱效率高,但由于流道狹窄容易堵塞,導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大,能耗增加,換熱效率降低。管式間接蒸發(fā)冷卻器一般由一組或多組壁厚為0·0015~0·002m,管徑為0·016~0·025m[1]的管芯組成,管外可包有吸水性能良好的纖維織物薄套。管式間接蒸發(fā)冷卻器具有布水均勻,容易形成穩(wěn)定水膜,有利于蒸發(fā)冷卻的進(jìn)行;流道較寬不會(huì)產(chǎn)生堵塞,因而流動(dòng)阻力小;但體積較龐大。因此,我們?cè)诙嗄暄芯亢蛻?yīng)用蒸發(fā)冷卻技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合熱管技術(shù)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)出熱回收型熱管式間接蒸發(fā)冷卻器,并對(duì)其進(jìn)行了理論研究分析,為提高熱管式間接蒸發(fā)冷卻器的換熱效率E,優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。
    2　平置吸液芯熱管式間接蒸發(fā)冷卻器的傳熱傳質(zhì)機(jī)理
    本文研究的是平置吸液芯熱管式換熱器,見圖1。熱管水平放置,當(dāng)氨蒸汽在冷凝段放熱,氨蒸汽液化,依靠吸液芯的毛細(xì)作用將冷凝液輸送到蒸發(fā)段,氨液在蒸發(fā)段吸熱汽化,蒸發(fā)段壓力增大,氨蒸汽在壓力的作用下輸送到冷凝段,維持管內(nèi)工質(zhì)的連續(xù)循環(huán)。由于本文采用的是吸液芯熱管,冬夏季冷凝段、蒸發(fā)段自行轉(zhuǎn)換,非常適合全年性能量回收的場合。
    本文將熱管技術(shù)與蒸發(fā)冷卻技術(shù)相結(jié)合,熱管式換熱器冬季不僅是高效的熱回收裝置,夏季又可作為間接蒸發(fā)冷卻器。因此,我們主要分析夏季在熱管冷凝段噴淋時(shí)的傳熱傳質(zhì)機(jī)理過程。平置吸液芯熱管式間接蒸發(fā)冷卻器(圖1b)分為蒸發(fā)段(冷端)和冷凝段(熱端),中間被隔板分開。氨蒸汽通過在冷凝段放熱液化釋放熱量,通過管壁將熱量傳遞給水膜,水膜再與飽和空氣邊界層進(jìn)行熱量交換和質(zhì)傳遞,最后二次空氣與飽和空氣邊界層進(jìn)行熱量交換,并將熱量帶出室外。

              
    在熱管冷凝段噴淋循環(huán)水,熱管管壁上形成水膜,由于水分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng),在緊靠水膜處存在一個(gè)溫度等于水溫的飽和空氣邊界層,相對(duì)濕度為100%。因此,二次空氣與水膜之間的熱質(zhì)交換相當(dāng)于二次空氣與飽和空氣邊界層之間的熱質(zhì)交換,同時(shí)發(fā)生顯熱交換和潛熱交換,即二次空氣干球溫度變化時(shí),濕球溫度也發(fā)生變化。尤其在相界面上由于水分蒸發(fā)產(chǎn)生的相變改變了一、二次空氣的熱傳遞特性,使熱管式間接蒸發(fā)冷卻器既區(qū)別于一般的氣—氣換熱器,又不同于冷卻塔的絕熱蒸發(fā)過程。

              
    二次空氣與水在冷凝段發(fā)生的熱濕交換過程比較復(fù)雜,通過傳熱學(xué)知識(shí)分析,空氣和水膜是在溫差和水蒸汽分壓差的共同作用下,即在焓差的推動(dòng)下進(jìn)行熱濕交換,大致過程如圖2中的N→N′過程,具體表現(xiàn)為等焓加濕和等濕升溫兩個(gè)過程的復(fù)合。二次空氣干球溫度降低,濕球溫度升高,含濕量增大,但排風(fēng)的焓值總體是增加的。說明二次空氣不僅有顯熱交換,也存在部分的潛熱交換。而一次空氣在蒸發(fā)段管外橫掠管束流過,與熱管內(nèi)的工質(zhì)進(jìn)行熱交換,等濕冷卻過程如圖3[2-6]所示。

             
    另外,熱管式間接蒸發(fā)冷卻器具有無需外部動(dòng)力來促使流體循環(huán),較常規(guī)換熱器更安全、可靠,可長期連續(xù)運(yùn)行,且冷熱段結(jié)構(gòu)位置布置靈活,具有傳熱效率高,結(jié)構(gòu)緊湊,流動(dòng)阻力小,節(jié)能效果顯著的特點(diǎn)[7]。從流動(dòng)阻力、制造成本、結(jié)構(gòu)緊湊性、維護(hù)性能等綜合考慮,熱管式換熱器有較好的綜合性能。熱管工作時(shí),由于熱管內(nèi)部傳熱靠相變潛熱,因此蒸發(fā)段與冷凝段空氣溫差較小的應(yīng)用領(lǐng)域中有其優(yōu)勢(shì)。
    3　熱管式間接蒸發(fā)冷卻器的傳熱傳質(zhì)模型
    本文運(yùn)用能量守恒定律與傳熱學(xué)相關(guān)知識(shí)分析熱管式間接蒸發(fā)冷卻器熱質(zhì)交換過程,總體上可分為三部分:一次空氣側(cè)的傳熱過程;二次空氣與水膜濕表面間同時(shí)發(fā)生傳熱傳質(zhì)的交換過程;一次空氣側(cè)與二次空氣側(cè)之間的能量平衡。并有以下假設(shè)[8,9]:
    (1)系統(tǒng)無散熱損失,該換熱器中整個(gè)熱質(zhì)交換過程為一穩(wěn)態(tài)過程。
    (2)一次空氣側(cè)的傳熱面表面溫度均勻分布。
    (3)二次空氣通道內(nèi)濕表面溫度也是均勻的,二次空氣-水相界面的溫度和焓值相對(duì)穩(wěn)定。
    (4)空調(diào)工況下,水蒸汽在空氣中擴(kuò)散時(shí),Le近似等于1。
    (5)忽略熱管中蒸發(fā)段和冷凝段軸向上的溫度梯,并且其他參數(shù)在熱管軸向方向上分布均勻。由于氣體和液體之間的熱量傳遞和質(zhì)量傳遞關(guān)系非常復(fù)雜,根據(jù)以上假設(shè),我們重點(diǎn)分析熱管式間接蒸發(fā)冷卻器在冷凝段的熱質(zhì)交換過程如圖4所示。

              
    3·1　一次空氣在蒸發(fā)段的熱交換
    一次空氣側(cè)只發(fā)生顯熱交換,在熱管蒸發(fā)段上取微元面積dA。熱交換量為:
    dQ =α1(tw- ts)dA=-G1C d tw　kW
    (1)3·2　二次空氣在冷凝段的熱交換在熱管冷凝段上取微元面積dA,其顯熱交換量Qx為:
    dQx=α2(t2- tb)dA　kW (2)
    潛熱交換量Qq為:dQq= rdW　kW (3)
    濕量交換為:dW=σ2(d2-db)dA　kg/s (4)
    將公式(4)代入公式(3)可得:
    dQq= rσ2(d2-db)dA　kW (5)
    冷凝段總換熱量為:
    dQ = dQx+dQq=α2(t2- tb)dA+rσ2(d2-db)dA　kW (6)
    由于Cp=α2σ2,α2= Cpσ2代入(2-6)可得
    dQ =σ2[Cp(t2-tb)+r(d2-db)]dA　kW(7)
    濕空氣比熱:Cp=1·01+1·84d2,r =2500+1·84tb代入上式整理可得:
    dQ =σ2(i2- ib)dA　kW (8)
    由式(8)可知,二次空氣和水膜的換熱量可用二次空氣的焓值變化來表示,而對(duì)于濕空氣焓值,在忽略液體熱時(shí),則可用該空氣狀態(tài)下濕球溫度的單值函數(shù)表示,即
    h =f(tNS)(9)
    也就是說將二次空氣的焓值變化反映在二次空氣濕球溫度變化上。由于二次空氣側(cè)壁面形成的水膜非常薄,在工程應(yīng)用中,完全可以忽略液體膜內(nèi)對(duì)流換熱的影響。二次空氣與濕壁之間的換熱方程為:

             
             
    4　熱管式間接蒸發(fā)冷卻器的工作過程
    熱管式間接蒸發(fā)冷卻器的冷卻效率除了本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)如管徑大小、翅片間距、翅片高度、管間距、管排數(shù)、布水裝置的均勻布水等決定外,另一方面一次空氣與二次空氣溫度差、風(fēng)量比以及噴淋水溫等都對(duì)其有很大的影響。因此,在結(jié)構(gòu)一定的情況下,研究運(yùn)行參數(shù)對(duì)冷卻效率的影響,對(duì)熱管間接蒸發(fā)冷卻器的高效運(yùn)行具重要意義。

            
    由圖5可看出,E隨β的增大而減少,當(dāng)一次空氣風(fēng)量一定時(shí),提高二次空氣風(fēng)量對(duì)冷卻器冷卻效率有較大的影響。當(dāng)二次空氣風(fēng)量增大時(shí),加大了對(duì)相界面的擾動(dòng),同時(shí)將濕度增加了的空氣及時(shí)帶走,提高了換熱系數(shù),對(duì)冷卻效率E的提高有積極作用[9]。通過實(shí)驗(yàn)得出二次空氣、一次空氣最佳風(fēng)量比為0·8。
    5　熱管式間接蒸發(fā)冷卻器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
    通過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),熱管式間接蒸發(fā)冷卻器的均勻布水裝置對(duì)其冷卻效率也具有較大的影響,所以本文通過對(duì)熱管間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),間接蒸發(fā)冷卻器布水裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想有兩個(gè)方面:一是實(shí)現(xiàn)換熱器水平斷面的均勻布水,二是保證水滴均勻沉降[10]。因此本文對(duì)熱管式間接蒸發(fā)冷卻器布水裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與改進(jìn)措施主要包括:熱管冷凝段頂部噴淋(二維布水方式)、加裝二次網(wǎng)格布水方式、最佳噴淋水量的確定、噴嘴型式的選取等,以改進(jìn)布水器空間布水的均勻性,增加換熱器表面潤濕系數(shù),提高管式間接蒸發(fā)冷卻器的熱質(zhì)交換效率。
    本文根據(jù)冷卻塔滴淋式布水裝置和填料塔液體再分布器的啟發(fā),在熱管式間接蒸發(fā)冷卻器的均勻布水中提出二次布水的概念,并且用多層金屬網(wǎng)格實(shí)現(xiàn),使其換熱效率高于常見的滴管式布水器,且布水更為均勻。圖6為加裝二次布水網(wǎng)格的管式間接蒸發(fā)冷卻器示意圖。布水裝置噴水降落到二次布水網(wǎng)格后,由于絲網(wǎng)的分割效應(yīng)及均勻作用,將水滴分散成粒徑不同的細(xì)小水滴,避免液滴集中成水流;其次是網(wǎng)格間液滴與氣流同樣存在熱質(zhì)交換,增加了對(duì)流傳熱傳質(zhì)的效果;另外二次布水網(wǎng)格可以起到勻流的作用。

            
    另外,本文采用在熱管冷凝段頂部噴淋(二維布水方式)的方式霧化水滴,這種方式要比濕膜的方式更有利二次空氣在熱管換熱器冷凝段的蒸發(fā)吸熱過程。二次空氣在冷凝段把噴淋的水霧處理無限接近二次空氣的濕球溫度,水膜與熱管內(nèi)的氨蒸汽進(jìn)行顯熱交換,還存在一部分潛熱交換,氨蒸汽發(fā)生相變,水膜將吸熱蒸發(fā)。二次空氣把與水膜蒸發(fā)的潛熱和顯熱帶出室外。與二次空氣進(jìn)入熱管換熱器先被濕膜絕熱加濕的換熱過程是不一樣的。在二次空氣進(jìn)入熱管換熱器之前設(shè)置一加濕裝置,原理同絕熱加濕,經(jīng)加濕后,雖然排風(fēng)側(cè)的溫度降低,但這種方式則在熱管冷凝器的冷凝段不存在水膜蒸發(fā)這部分潛熱。
    6　結(jié)論
    本文從熱管式間接蒸發(fā)冷卻器的傳熱傳質(zhì)基本原理出發(fā),建立了傳熱傳質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。分析了熱管式間接蒸發(fā)冷卻器冷凝段噴淋熱量交換的機(jī)理過程,指出熱管式間接蒸發(fā)冷卻器作為蒸發(fā)冷卻器時(shí),冷凝段的二次空氣不僅有顯熱交換,還有潛熱交換,并通過焓濕圖表現(xiàn)出二次空氣干球溫度降低,濕球溫度升高,含濕量增大,但排風(fēng)的焓值總體是增加的。
    另外,本文分析了熱管式間接蒸發(fā)冷卻器冷卻效率的影響因素,提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)熱管式間接蒸發(fā)冷卻器的方法以及方案。并通過實(shí)驗(yàn)得出二次空氣、一次空氣風(fēng)量比為0·8時(shí)冷卻效率最高。
7·參考文獻(xiàn)
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主要符號(hào)表
α1—一次空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù), W/m2·℃
ts—水溫度,℃
α2—二次空氣與水膜表面的顯熱交換系數(shù), W/m2·℃
tb—邊界層的空氣溫度,℃
σ2—為二次空氣與水表面濕交換系數(shù), kg/ (m2·s)
db—邊界層的含濕量, kg/kg
Cp—二次空氣濕空氣的定壓比熱, kJ/kg·℃
Csw—以空氣濕球溫度定義的空氣定壓比熱, kJ/kg·℃;
αs—二次空氣與濕壁相界面上以濕球溫度為基準(zhǔn)的換熱系數(shù), W/m2·℃
tw—一次空氣在dA處的干球溫度,℃
C—干空氣定壓比熱, kJ/kg·℃
t2—二次空氣干球溫度,℃
r—溫度為tb時(shí)水的汽化潛熱, J/kg
d2—二次空氣的含濕量, kg/kg
i2—二次空氣焓值, kJ/kg
ib—邊界層空氣焓值, kJ/kg
tNS—二次空氣在dA處的濕球溫度,℃