蒸發式換熱器的研究進展和應用狀況

蒸發式換熱器的研究進展和應用狀況

蒸發式換熱器的研究進展和應用狀況

 由于人口膨脹和經濟發展,水資源短缺的現象 正在世界許多地方相繼出現,尤其是城市缺水狀 況,越來越加劇。我國的水力資源可開發量雖達 3·79億千瓦, 但人均不到0·3千瓦?!吨袊澦?術政策大綱》中指出:“大力發展和推廣工業用水 重復利用技術,提高水的重復利用率是工業節水的 首要途徑,發展高效冷卻節水技術是工業節約用水 的重點?!崩淠鋮s設備是工業耗能耗水大戶,制 冷冷卻耗能量占工業用能的13%~15%,耗水占工 業用水的 70%~80%,而間接冷卻用水又占冷卻用 水的70%~80%。也正是在這樣的情況下,蒸發 式冷凝技術應運而生,成為水循環重復利用的重要技術之一。蒸發式冷凝技術在航空、電力、機械、 紡織等工業領域中起著重要作用。同時,冷卻塔、 噴淋塔、蒸發式冷凝器等就是冷卻水重復利用的關 鍵設備,蒸發式冷凝器的節能、節水效果不僅在理 論上是明顯的,在實際應用中也得到很好的證 明。所以,研究和發展蒸發式冷凝冷卻設備,極 具現實意義。

   根據蒸發式冷凝器的工作原理可知,由于蒸發 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。

   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。據計算,以氨為制冷 劑,產冷量在3·8×106kJ/h時,蒸發冷凝器比殼管 式冷凝器平均每年節電3·4×105kWh。

   國外的蒸發冷凝技術發展比較早,所取得的理 論和研究成果也比較高。蒸發式冷凝設備基本傳熱 傳質理論是在1925年由merkel所提出并發展起來 的, 為以后的理論研究奠定了基礎。之后在二十世 紀中期,S·G·Chuklin、尾花英郎等提出了關于蒸發 式冷凝器設計的普遍化方法。Parker和 Treyball研 究了蒸發式冷卻器的傳熱、傳質性能,闡明了蒸發 式冷卻器的傳熱、傳質機理。文獻[6]對蒸發式 冷凝器與涼水塔混合系統的實驗表明此系統能顯著 降低冷凝溫度,并節約換熱面積。開發了一套用于 設計水平或豎直放置的光管、翅片管蒸發式冷凝器 與涼水塔混合系統的計算機程序。文獻 [7]對豎 直管蒸發式冷卻器做了傳熱傳質試驗研究,結果表 明控制熱阻發生在空氣與水的交界面,并建立了適 用于光滑豎直管蒸發式冷凝器性能計算的經驗關聯 式。文獻[8]對蒸發式換熱器(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)提供的數據差別在±3% 以 內。文獻[9]對幾種蒸發式冷卻器芯體的設計方 案做了模擬計算探討,發現添加的塑料材料 (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]給出了蒸發式冷凝器一種新傳熱傳 質數學模型,該模型準確的描述了傳熱傳質過程; 編制了適用于光管蒸發式冷凝器的計算機仿真模擬 程序,通過試驗驗證,其計算結果同試驗結果相比 較平均誤差為3%,其中最大誤差也不超過 20%; 并且計算結果具有很高的精度,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,給出了數學計算模型,并指出該模型可為冷凝 器設計提供依據。文獻[12]和[13]對兩步式蒸發冷卻器的性能做了實驗研究,分析比對了直接蒸 發式冷卻器和間接蒸發式冷卻器的性能,結果表明 帶有涼水塔的兩步式蒸發冷卻器比沒有涼水塔的系 統具有更高的換熱效率,也優于一步式、直接接觸 式蒸發冷卻器。文獻[14]討論了蒸發式流體冷卻 器的傳熱傳質過程,建立了逆流蒸發式流體冷卻器 的數學模型。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。結果表明,對于蒸發式水冷 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%,通過試驗數據回歸,總結出傳 質效率的關聯式。文獻[15]介紹了一種描述蒸發 式冷凝冷卻設備通用的無量綱數學模型,該數學模 型給出了水、空氣和被冷卻流體在系統中非絕熱蒸 發的換熱過程。

   應用無量綱微分方程建立的數學模型極大的降 低了計算的參數量并且簡化了計算。分析表明,該 無量綱因次的數學模型具有廣泛的應用性。對蒸發式冷凝器(采用兩組翅片管+填料的 結構型式)的性能進行實驗研究,同時和風冷式冷 凝器進行比較,結果表明蒸發式冷凝器的系統效率 介于97%~99%之間,而風冷式冷凝器系統效率介 于88%~92%之間。在相同的實驗條件 下,對光管和翅片套管蒸發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,翅片套管蒸發式冷卻器比 光管蒸發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 管和翅片套管蒸發式冷卻器的熱力學性能數學模 型。文獻[18]在同樣實驗條件下,對橢圓光管和 圓管蒸發式冷卻器進行了性能比較試驗研究。研究 結果表明,橢圓管的平均傳質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于圓管,具有很好 的換熱和傳質特性。對直接式和間接式 冷卻塔和冷凝器的性能進行了分析?;驹硪罁?merkel′s理論,針對常用的三種換熱器應用統一理 論和相同的操作方法進行分析,總結出了換熱效率 和熱阻的計算關聯式。建立了關于閉式 冷卻塔的基于熱質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。 模擬計算的結果和已有的數據相吻合,其誤差控制 在10%以內。主要對比了制冷系統現在 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式冷凝器在相同的試驗條件下 分別進行試驗研究,結果表明,在蒸發溫度為-24 ~-4℃時,水冷式冷凝器和蒸發式冷凝器相比, 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 溫度為-24℃時,蒸發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%。介紹了 一種基于計算流體力學的關于濕空氣和水的兩相流 動的新型冷卻塔的數學模型。在氣體流動段采用歐 拉方法分析,在水滴下落階段應用拉格朗日方法分 析研究。試驗研究表明,液滴尺寸的影響是最主要 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。應用 ANNs(人工智 能網絡)技術對蒸發式冷凝器的冷凝負荷進行了模 擬和控制研究。研究結果表明,在熱力學系統中, ANNs控制器適合取代PID控制器。應 用ANNs對帶有蒸發式冷凝器的系統性能進行預 測。通過改變蒸發器的負荷、空氣和水流過蒸發冷 盤管的速度和冷凝器入口處空氣的干濕球溫度對系 統進行穩態測試。其預測值和試驗值以及關聯式計 算的相對誤差在1·90%~4·18%內,結果表明 ANNs在逆流蒸發式冷凝器的復雜系統中應用時具 有很高的精度。對蒸發式流體冷卻器和 蒸發式冷凝器的數學模型進行了細致研究。通過和 前人研究結果相比較,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 熱阻的相關方程,并利用此方法對換熱器性能進行 研究,為蒸發式換熱器設計計算提供試驗依據。對蒸發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逐一進 行分析。分析結果表明,對蒸發式冷卻器,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。依據熱力學第 一、二定律對逆流式冷卻塔和蒸發式換熱器進行了熱力學性能分析,利用熱力學火用平衡分析影響系統 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第二定律的效率。應用 熱力學方法豐富蒸發冷凝冷卻技術的研究手段,但 是仍難以準確的表達傳熱傳質的過程。


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