蒸发式冷凝器传热传质实验研究

刘哲宇 张钟庆 戴荣 毛丁 宋杰 胡江栋

长沙理工大学能源与动力工程学院

0 引言

蒸发式冷凝器由于是利用冷凝器外喷淋冷却水蒸发时的汽化潜热强化制冷剂蒸气凝结， 此方法可提高换热效果， 并且使冷凝器兼有节能、 节水、 结构紧凑等优点。由于蒸发式冷凝器的结构， 环境和运行参数对换热特性有直接的影响， 因此通过研究蒸发冷凝器与上述因素， 得出它们间的偶合关系对合理设计冷凝器十分重要 [1] 。

针对板式蒸发式冷凝器传热传质的研究， 董俐言等 [2] 和郭常青等[3]分别进行了数值模拟， 发现板式蒸发式冷凝器的热流密度随进口空气流速的增加而增大，随湿球温度的升高而减小。施筠逸等 [4] 和李元希等 [5] 通过实验分别拟合得到了喷淋水膜的对流传热系数与喷淋密度的关系式和板外水膜-空气间的传质系数关系式。蓝少健 [6] 研究了波纹板式换热器， 通过FLUENT软件对波纹板内、 外流体流动进行了数值模拟研究， 发现板内存在流动死区。张景卫等 [7] 对蒸发式冷凝器中的3种异形管中强制对流空气进行了数值模拟和实验研究显示流线形设计的弹形管与椭圆管， 扭曲管相比，不仅传热效率高， 而且流动阻力小。 K A Manske等 [8] 研究了用于工业系统的蒸发式冷凝器， 得到蒸发式冷凝器顶端压力和室外空气的湿球温度存在一个近似线性函数。Maria Fiorentino等[9-10]模拟了在蒸发冷凝器中发生的降膜蒸发， 发现当水质量流速降低时， 逆流空气引起膜的破裂， 并开始带有液滴的周期性流动。Metin Ertunc H等 [11] 通过使用人工神经预测蒸发冷凝器的性能网络和自适应神经模糊推理系统技术预测开发蒸发式冷凝器性能。Harby K 等[12]通过实验发现蒸发式冷凝器比空气冷却冷凝器功率降低高达58%， 并且性能提高约113.4%。

综上所述， 蒸发式冷凝器在已有研究中由于侧重点不同以及实验条件各异， 研究出来的结果通用性不完善， 且其性能受多种因素的影响， 而其中空气参数及喷淋水参数是影响其蒸发冷凝效果的两个重要因素， 参数值的选取不当或者风量与水量间的配比关系不合理， 都会对蒸发式冷凝器的换热效果产生很大影响。本文主要对喷淋水膜与管壁的对流换热系数以及水膜对空气的传质系数进行了实验研究。

1 实验系统

本实验系统主要由空气处理系统， 空调制冷系统以及喷淋水系统以及相关测试设备组成， 如图 1所示。空气处理系统主要由变频风机， 表冷器， 电加热器， 加湿装置和测量仪器组成， 通过对各设备进行综合调节控制， 提供实验段入口所需的空气参数。空调制冷系统主要由蒸发器、 冷凝器、 压缩机组成， 压缩机最大输入功率1900 W， 吸排气侧最高压力4.2 MPa， 冷凝器的换热面积为15.19m2。为便于对实验对象进行对比分析并减少实验误差， 本实验将保温密闭性能很好的人工环境室作为实验房间，蒸发器置于人工环境室中，并在环境室内放置恒定功率的热源， 用以模拟房间热负荷。喷淋水系统则是为蒸发式冷凝器提供水源， 主要由膨胀水箱， 变频加压水泵， 喷嘴， 布水管道以及相关测试仪器等设备组成， 其中由膨胀水箱来的自来水经变频水泵加压后， 经管道至喷嘴均匀喷洒到冷凝器上表面， 经实验确定喷嘴之间间距为 102.5mm， 喷嘴与冷凝器的距离为 80mm时冷凝器水膜分布较均匀。蒸发式冷凝器喷淋水系统如图2所示。

图1 实验系统示意图

图2 实验段蒸发式冷凝器喷淋水系统示意图

2 传热传质系数公式拟合

本文主要对喷淋水膜与管壁的对流换热系数以及水膜对空气的传质系数进行研究， 通过对相关数据进行处理分析， 并利用 Origin 软件拟合出各系数与相关参数的曲线关系， 得出相应的实验关联式， 为以后学者进行研究提供一定的参考依据。为便于研究，本实验在进行传热传质相关数据处理时， 进行了如下假设：

a） 该传热传质过程为稳态过程， 忽略了热辐射的影响。

b） 喷淋水膜分布均匀， 完全覆盖冷凝器外表面， 各过水断面上水量相同， 并忽略水的温升。

c） 空气流动速度均匀， 空气质量保持不变， 无短路现象发生。

d） 忽略水膜热阻， 管壁导热热阻， 油污热阻以及外表面的污垢热阻等。

e） 气液界面处的空气状态为与喷淋水温度相对应的饱和状态。

f） 忽略能量守恒方程中喷淋水蒸发量， 刘易斯数取1。

2.1 水膜与管壁间对流换热系数关联式

冷凝器进口空气干球温度t1取 35℃，相对湿度60%， 进风风速2.5m/s。 由于风冷式冷凝器空气进出口温差一般不大于8c， 因此设计取冷凝器出口空气干球温度t2取 43 ℃， 对于风冷式冷凝器， 冷凝温度与空气进口温差一般取 10～16 ℃， 本设计取冷凝温度tk为50 ℃。此外， 选用空调系统制冷剂为R22， 额定制冷量为3500 W。冷凝管选用紫铜管为传热管， 基管外径do为10mm， 管排数n=4， 传热管长度L=31.16m， 冷凝器外表面实际换热面积Ao=15.19m2， 本实验喷淋水直接采用长沙地区夏季自来水， 水温为 23 ℃， 因而实验中控制喷淋水温度为 23 ℃。

根据假设， 由能量守恒定律可知， 管内制冷剂流体传热给管壁的热量，完全通过管壁传给管外水膜。则根据传热学基本公式得，

式中：Q为冷凝器换热量， W， 根据能量守恒， 其值就等于制冷量加上压缩机耗功量与效率的乘积；hw为水膜与管壁间的对流换热系数， W/(m2· ℃)；Ao为水膜与管壁对流换热接触面积，m2，假定水膜完全覆盖冷凝器外表面， 则Ao近似取冷凝器的外表面换热面积； Δtm为平均对数传热温差， ℃。

式中：Tw为喷淋水膜平均温度，℃ ，水 膜达到稳定状态，认为其温度趋于一定，可 近似取喷淋水温度；Ti为制冷剂进口外管壁温度，℃ ；To为制冷剂出口外管壁温度，℃ 。

根据学者们关于水膜与管壁间对流换热系数的研究发现，喷 淋水温度一定的情况下，水 膜与管壁的对流换热系数hw与喷淋水密度有关，其 关系式可简化为如下形式，

式中：B2、B3为常数；do为换热管外径，m ；Γ 为喷淋密度，k g/(m· s )。

由于本实验的冷凝器盘管为三角形叉排，喷 淋密度可根据下式计算：

式中：Gw为喷淋水质量流量，kg/s；nH为每层管数量，个；L为传热管长度，m 。

将式（ 3）中 等式两边分别取对数，则 可得：

从式（ 5）可 知，ln(hw)与 ln(Γ/do)成线性关系。

图3 压缩机耗功量随喷水量的变化曲线

图4 喷淋水膜与管壁传热系数拟合曲线图

而由于水膜与管壁间的传热系数与喷淋水量有关， 在对水膜与管壁间传热系数进行研究时， 通过实验发现采用保持进风温度 33℃，进风速度 2.5m/s时压缩机耗功量最小， 在此工况下改变喷水量大小， 得到压缩机耗功量随喷水量的变化曲线如图3所示。并根据实验数据以及式 （1） ～ （5） 所述的方法， 分别计算出不同喷水量大小条件下相应的 ln(hw)与 ln(Γ/do)值， 并利用Origin软件线性拟合出函数曲线如图4所示。

其中图 4 中线性拟合得到的曲线为y=3.843+0.762x， 即

该式适用范围为：翅 片管管外径 10mm，正 三角形叉排，翅 片间距 2mm，喷 淋水水温 23 ℃，0.1＜Γ/do＜0.2 kg/(m·2s )。

2.2 水膜与空气的传质系数关联式

根据实验假设，忽 略能量守恒中喷淋水蒸发量，刘易斯数Lef取1，则 空气焓值变化量

可简化为

对式 （9） 进行积分可得

式中：hd为水膜对空气的传质系数，kg/(m2· s )；Ga为空气质量流量，k g/s；Aa为空气与水膜接触面积，m2；imasw为与水膜温度对应的饱和空气焓，kJ/kg；ima为湿空气的焓，k J/kg；iai为进口空气的焓，kJ/kg；iao为出口空气的焓，kJ /kg。

根据式（ 10）可 知，水 膜对空气的传质系数hd是一个与空气质量流量有关的函数，可 简化为

式中：B4、B5为常数；Ga为空气质量流量，kg/s。

通过实验发现采用保持进风温度 33 ℃，喷水量20 L/h压缩机耗功量最小，在此工况下改变进风速度大小得到压缩机耗功量大小随进风速度变化曲线如图5所示。

根据式 （10） 以及实验所得的数据可得hd以及Ga的值， 从而可计算出相应的 ln(h d)与 ln(Ga)值， 并利用Origin软件线性拟合出相关函数曲线如图6所示。

图5 压缩机耗功量随进风速度变化曲线

图6 水膜对空气的传质系数拟合曲线图

图 6 中线性拟合得到的曲线为y=-2.3718+1.193x， 即

可得

该式适用范围为：翅 片管管外径 10mm，正 三角形叉排，翅 片间距 2mm，进 风温度 33 ℃，喷 淋水水温23 ℃，0.3＜Ga＜ 1.1 kg/s。

3 结论

通过对实验相关数据进行分析拟合，在 传热传质为稳态过程，水 膜均匀覆盖冷凝器，刘 易斯数取1等条件下得出水膜与冷凝器壁面对流传热系数是一个与喷淋水密度有关函数，实验关系式为：hw=47(Γ/do)0.762，而水膜对空气的传质系数则是一个与空气质量流量有关的函数，实 验关系式为：hd=0.093G1.193。

参考文献

[1] 胡婷婷.蒸发式冷凝器的研究现状及发展趋势[J].制冷与空调,2013,27(4):335-338

[2] 董俐言.板式蒸发式冷凝器传热传质的数值模拟[J].制冷学报,2013,34(1):10-17

[3] 郭常青.板式蒸发式冷凝器传热传质的数值模拟[J].华南理工大学学报,2009,37(3):53-57

[4] 施筠逸.板式蒸发式冷凝器传热传质研究[J]. 热力发电,2012,41(11):22-26

[5] 李元希.板式蒸发式冷凝器的性能实验[J]. 制冷与空调,2011,11(4):43-48

[6] 蓝少健,朱冬生,钟家淞,等.波纹板式换热器的数值模拟[J].化学工程,2010,38(8):18-21.

[7] 张景卫,蒋翔,吴治将,等.蒸发式冷凝器异型管束中流体流场数值模拟及实验研究[J].流体机械,2008,36(8):8-11.

[8] K A Manske,D T Reindl,S A Klein.Evaporative condenser control in industrial refrigeration systems[J].International Journal of refrigeration,2001,24:676-691.

[9] Maria Fiorentino,Giuseppe Starace.Numerical and experimental performance analysis of evaporative condensers[J].Energy Procedia,2016,101:26-33.

[10]Maria Fiorentino,Giuseppe Starace.Numerical investigations on two-phase flowmodes in evaporative condensers[J].Applied Thermal Engineering,2016,94:777-785.

[11]Metin Ertunc,H,Hosoz,Murat.Comparative analysis of an evaporative condenser using artificial neural network and adaptive neuro-fuzzy inference system.[J].International Journal of Refrigeration,2008,31(8):1426-1436.

[12]Harby K Gebaly,Doaa R Koura,Nader S,et al.Performance improvement of vapor compression cooling systems using evaporative condenser:An overview[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2016,58:347-360.