复合管蒸发式冷却器的传热性能

赵 巍， 陈琴珠， 王学生， 石仲璟

(华东理工大学 机械与动力工程学院， 上海 200237)



复合管蒸发式冷却器的传热性能

赵 巍， 陈琴珠， 王学生， 石仲璟

(华东理工大学 机械与动力工程学院， 上海 200237)

建立了一套蒸发式冷却器实验装置，模拟实际工况下喷淋密度、风量及复合管热阻对蒸发式冷却器传热性能的影响,研究了复合管替代碳钢管应用于该冷却器的可行性。实验结果表明,模拟工况为湿空冷时，复合管传热性能与普通碳钢管接近，增加配风量能够提高蒸发式冷却器的传热性能，并存在最佳喷淋密度。通过实验得到了复合管管外水膜传热传质系数关联式，为工业应用提供了可靠依据。

蒸发式冷却器； 复合管； 传热性能

0 引 言

蒸发式冷却器常用于温度80～90℃,终冷35～45℃的场合[1-3]，是一种将空冷和水冷、传热与传质融为一体的高效冷却设备，具有节能、节水、结构紧凑占地小、运行费用低等特点，在化工、硅酸盐业、冶金、煤炭、医药、食品等行业有着广泛的应用前景[4-8]。

目前，蒸发式冷却器换热管多为普通碳钢管，由于普通碳钢管耐腐蚀性能差，在喷淋水和空气的交替作用下，出现严重管束腐蚀结垢等问题[9-10]。研究表明,采用一种新型铝碳钢复合管能解决工业应用存在的腐蚀等问题，但该复合管用于蒸发式冷却器国内罕见。因此，铝碳钢复合管传热性能需要达到工业应用要求，要求建立一套蒸发式冷却器实验装置，研究在实际工况下复合管的传热性能及管外传热系数公式，为工业应用新型蒸发式冷却器提供一定的可靠性。

1 实验系统

实验装置主要分为蒸发式冷却器，加热炉，2个贮罐，实验流程如图1所示。管内工质为导热油，管外喷淋水为经阳离子交换器处理的软化水。

1-柴油加热炉, 2-蒸发式冷却器, 3-贮罐(热流), 4-换热管束, 5-贮罐(喷淋水), 6-喷嘴, 7-过滤器, 8-除水器, 9-引风机, 10-稳压罐

图1 实验装置流程图

换热管为铝-碳钢复合管，基管采用25 mm×2.5 mm的20#碳钢管，管外倾覆0.8 mm的铝层，在冷却器壳体内的长度为2.24 m，管束正三角形排列，其结构参数见图2，管束8排，从上至下奇数排13根，偶数排12根，共计100根。第1～4为进口段，第5～8为出口段，用U型弯头分别连接对应换热管。换热管管内传热总面积14.07 m2，管外传热总面积18.71 m2。

图2 换热管束结构

设备运行时，管内工质经过加热、稳压后进入蒸发式冷却器，将热量传导至换热管；冷却水喷淋在管束表面形成水膜，水膜从换热管吸收热量，再与空气进行热质交换，剩余的水落入水槽,然后回收，水膜和风量均可调节。

2 数据处理

(1) 热负荷。管内侧工质散热量为：

(1)

热流密度：

(2)

式中：Qp为工质换热量，W；cpp为工质定压热容，J/(kg·K)；ρp为工质密度，kg/m3；Vp为工质体积流量，m3/h；Tpi,Tpo分别为工质进、出口温度，℃；Ai为管内传热面积，m2。

空气侧吸热量为:

(3)

式中：Qa为空气热量，W；ma空气质量流量，kg/s；iai，iao分别为空气进、出口焓值，J/kg，由空气的干、湿球温度得到，湿球温度由空气干球温度、相对湿度得到。

热平衡偏差：

(4)

偏差β≤5%时，为有效实验数据。

(2) 喷淋密度。换热管束为叉排，相邻管排管数不一致，因此喷淋密度Γ为[11]

(5)

式中：ρw为喷淋水密度，kg/m3；Vw为体积流量，m3/s；nt和nt分别代表相邻管排管数;Lt代表管长，m。

(3) 迎风面风速。

(6)

式中：u为迎风面风速，m/s；ρai为空气进口条件下的密度，kg/m3；L、B分别为冷却器壳壁的长和宽，m。

(4) 总传热系数。 总传热系数：

(7)

式中，Δτm为对数传热平均温差[12],

(8)

式中：Ao为管外传热面积，m2；Twi为水膜平均温度温度，℃。

(5) 管外膜传热系数。 管外膜传热系数ho以管外表面为基准：

(9)

式中：rt为复合管热阻，m2·K/W，对于换热管内外垢阻ri=ro=0.000 1 m2·K/W[8]；hi为管内对流传热系数。

(6) 传质系数。 假设出口空气已饱和，水膜向空气的传热为因浓度差产生的潜热，空气的焓变表示为:

(10)

积分得到水膜到空气的传质系数[13]：

(11)

式中:iaw为水膜温度对应的饱和空气焓值，J/kg；Aa为空气与水膜的接触面积，近似为换热管外表面积，m2。

3 结果分析

3.1 喷淋密度的影响

蒸发式冷却器存在最佳喷淋密度范围，喷淋密度过低，管壁不能完全润湿，出现“干斑”现象，影响传热传质性能；喷淋密度过高，冷却器的性能提升不大，甚至有所下降。在管壁完全润湿的条件下，并不能增加空气与喷淋水的有效接触面积，反而增加了水膜厚度和热阻。最佳喷淋密度的影响因素与水分布方式、空气流场分布、换热管壁面特性等因素有关，很难进行理论验证，需要通过实验确定。

图3给出在管内工质流量为22 m3/h，进口温度80℃，进风温度16℃，相对湿度60%实验条件下，迎风面风速分别为1.7、2.5、3.2 m/s时,管内工质的热流密度随喷淋密度的变化曲线。喷淋密度在0.007～0.022 kg/(m·s)时，热流密度随喷淋密度的增大而显著增加；在0.022～0.27 kg/(m·s)，热流密度缓慢上升；当喷淋密大于0.027 kg/(m·s) ，热流密度开始下降。因此,喷淋密度在0.022～0.027 kg/(m·s)，蒸发式冷却器的传热传质性能较好。

图3 喷淋密度与热流密度的关系

3.2 迎面风速的影响

使用变频器调节风速，在管内工质流量22 m3/h，进口温度80℃，喷淋密度0.027 kg/(m·s)，进风温度16℃，平均相对湿度60%实验条件下，调节风机频率改变风量，得到水膜平均温度及总传热系数随迎面风速的变化情况。由图4得知，迎面风速增加，平均水膜温度下降，总传热系数增大。这是由于空气中的水蒸气与水膜表面的饱和蒸汽存在分压差，水膜表面水蒸气不断向空气扩散，促使热量不断以潜热的方式从水膜传递至空气。风速增大可以加快空气更新频率，减小空气的饱和程度，增大蒸汽扩散速度，水膜的蒸发速率增加，因此强化了水膜向空气的传热传质效果；同时风速增大能够增强管外水膜的湍流程度，强化水膜与管外壁的对流传热，降低水膜平均温度。

3.3 传热系数与传质系数

在实验基础上，得到管外膜传热系数与传质系数的拟合公式：

图4 迎面风速与总传热系数、平均水膜温度的关系

(12)

(13)

关联式适用范围：管间距50 mm，管束三角形排列，空气质量流速Ga3.0～6.5 kg/s，喷淋密度Γ0.007～0.032 kg/(m·s)。

3.4 复合管替代碳钢管的可行性

在3.2给出工况下，蒸发式冷却器各部分的热阻如图5所示。管内热阻在稳定传热过程中基本不变；风速增大，水膜平均厚度减小，湍流程度增加，管外热阻降低。管壁温度仅在小范围内变化，材料本身热阻没有明显变化；管内温度低于100℃时，铝层的膨胀程度有限，其与碳钢基管之间的间隙很小，对复合管导热能力的影响很小。管内外热阻与换热管管壁热阻相差一个数量级，管壁热阻占总热阻的比例不超过6%，因此间隙热阻对冷却器传热性能影响可以忽略。文献[14-15]指出，在当前温度范围内，可忽略复合管间隙热阻，应用复合管不会对蒸发式冷却器的传热性能造成明显的影响。同时复合管具有优良的防腐蚀性能，能够有效缓解管束的腐蚀结垢问题，延长使用寿命，其应用与蒸发式冷却器是可行的。

图5 迎面风速与传热热阻的关系

4 结 论

(1) 喷淋密度和风速是影响蒸发式冷却器换热性能的主要因素。当管外水膜覆盖较为完整时，增大用水量基本不会提升热负荷；增加风量能够降低水膜温度，提高冷却器传热性能。本实验工况下最佳喷淋密度范围在0.022～0.27 kg/(m·s)。

(2) 根据实验结果给出了管外膜传热系数与传质系数的计算关联式，为蒸发式冷却器的设计提供参考。

(3) 铝碳钢复合管的导热性能与普通碳钢管接近，复合管具有优良的抗腐蚀性能，具有良好的工业应用前景。

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Heat Transfer Performance of Composite Tubes Evaporative Coolers and Application

ZHAOWei,CHENQin-zhu,WANGXue-sheng,SHIZhong-jing

(School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science and Technology,Shanghai 200237, China)

Applying the carbon steel pipe in the evaporative cooler can lead to serious corrosion, scaling and leakage. The experimental apparatus of evaporative cooler was built up to test spray density, air volume and thermal resistance of composite pipe affected the heat transfer performance in the actual condition, and the composite pipe used in this cooler was researched. Results indicated that the composite pipe had a close heat transfer performance to the carbon steel pipe in the wet air cooling condition. The performance of evaporative cooler was improved by the enhanced air volume the optimum spray density was existed. The calculation correlations of water film heat transfer coefficient and mass transfer coefficient were obtained from experiments. These can be referred to the industrialized application of composite pipe.

evaporative cooler; composite tubes; heat transfer performance

2015-06-23

赵 巍(1990-)，男，甘肃兰州人，硕士生，主要研究方向为过程装备技术研究及传热性能分析。

陈琴珠(1963-)，女，上海人，副教授，硕士生导师，主要研究方向为先进过程装备材料及过程装备节能减排技术。

Tel.：021-64253157; E-mail：qzchen@ecust.edu.cn

TQ 051.5

A

1006-7167(2016)03-0070-03