蒸發(fā)式換熱器的研究方向與未來應(yīng)用市場的預(yù)測

由于人口膨脹和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,水資源短缺的現(xiàn)象 正在世界許多地方相繼出現(xiàn),尤其是城市缺水狀 況,越來越加劇。我國的水力資源可開發(fā)量雖達(dá) 3·79億千瓦, 但人均不到0·3千瓦。《中國節(jié)水技 術(shù)政策大綱》中指出:“大力發(fā)展和推廣工業(yè)用水 重復(fù)利用技術(shù),提高水的重復(fù)利用率是工業(yè)節(jié)水的 首要途徑,發(fā)展高效冷卻節(jié)水技術(shù)是工業(yè)節(jié)約用水的重點(diǎn)?！崩淠鋮s設(shè)備是工業(yè)耗能耗水大戶,制 冷冷卻耗能量占工業(yè)用能的13%~15%,耗水占工業(yè)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(fā) 式冷凝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,成為水循環(huán)重復(fù)利用的重要技術(shù)之一。蒸發(fā)式冷凝技術(shù)在航空、電力、機(jī)械、紡織等工業(yè)領(lǐng)域中起著重要作用。同時(shí),冷卻塔、 噴淋塔、蒸發(fā)式冷凝器等就是冷卻水重復(fù)利用的關(guān) 鍵設(shè)備,蒸發(fā)式冷凝器的節(jié)能、節(jié)水效果不僅在理 論上是明顯的,在實(shí)際應(yīng)用中也得到很好的證明。所以,研究和發(fā)展蒸發(fā)式冷凝冷卻設(shè)備,極 具現(xiàn)實(shí)意義。

   根據(jù)蒸發(fā)式冷凝器的工作原理可知,由于蒸發(fā) 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(shí)際補(bǔ)充水量為水冷式的1/25- 1/50,其特別適用于缺水地區(qū)。

   文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]對各種冷凝器的性能與 耗水情況分別進(jìn)行了比較。據(jù)計(jì)算,以氨為制冷 劑,產(chǎn)冷量在3·8×106kJ/h時(shí),蒸發(fā)冷凝器比殼管式冷凝器平均每年節(jié)電3·4×105kWh。

   國外的蒸發(fā)冷凝技術(shù)發(fā)展比較早,所取得的理 論和研究成果也比較高。蒸發(fā)式冷凝設(shè)備基本傳熱 傳質(zhì)理論是在1925年由merkel所提出并發(fā)展起來 的, 為以后的理論研究奠定了基礎(chǔ)。之后在二十世紀(jì)中期,S·G·Chuklin、尾花英郎等提出了關(guān)于蒸發(fā)式冷凝器設(shè)計(jì)的普遍化方法。Parker和 Treyball研 究了蒸發(fā)式冷卻器的傳熱、傳質(zhì)性能,闡明了蒸發(fā) 式冷卻器的傳熱、傳質(zhì)機(jī)理。文獻(xiàn)[6]對蒸發(fā)式 冷凝器與涼水塔混合系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)表明此系統(tǒng)能顯著降低冷凝溫度,并節(jié)約換熱面積。開發(fā)了一套用于 設(shè)計(jì)水平或豎直放置的光管、翅片管蒸發(fā)式冷凝器 與涼水塔混合系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)程序。文獻(xiàn) [7]對豎 直管蒸發(fā)式冷卻器做了傳熱傳質(zhì)試驗(yàn)研究,結(jié)果表 明控制熱阻發(fā)生在空氣與水的交界面,并建立了適 用于光滑豎直管蒸發(fā)式冷凝器性能計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián) 式。文獻(xiàn)[8]對蒸發(fā)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(shù)據(jù)差別在±3% 以 內(nèi)。文獻(xiàn)[9]對幾種蒸發(fā)式冷卻器芯體的設(shè)計(jì)方 案做了模擬計(jì)算探討,發(fā)現(xiàn)添加的塑料材料 (Munter)可以顯著地增強(qiáng)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(xiàn)[10]給出了蒸發(fā)式冷凝器一種新傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型,該模型準(zhǔn)確的描述了傳熱傳質(zhì)過程; 編制了適用于光管蒸發(fā)式冷凝器的計(jì)算機(jī)仿真模擬程序,通過試驗(yàn)驗(yàn)證,其計(jì)算結(jié)果同試驗(yàn)結(jié)果相比 較平均誤差為3%,其中最大誤差也不超過 20%; 并且計(jì)算結(jié)果具有很高的精度,驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)程序 的合理性。文獻(xiàn)[11]研究了在負(fù)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(yàn)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(shù)學(xué)計(jì)算模型,并指出該模型可為冷凝 器設(shè)計(jì)提供依據(jù)。文獻(xiàn)[12]和[13]對兩步式蒸發(fā)冷卻器的性能做了實(shí)驗(yàn)研究,分析比對了直接蒸 發(fā)式冷卻器和間接蒸發(fā)式冷卻器的性能,結(jié)果表明 帶有涼水塔的兩步式蒸發(fā)冷卻器比沒有涼水塔的系 統(tǒng)具有更高的換熱效率,也優(yōu)于一步式、直接接觸式蒸發(fā)冷卻器。文獻(xiàn)[14]討論了蒸發(fā)式流體冷卻 器的傳熱傳質(zhì)過程,建立了逆流蒸發(fā)式流體冷卻器的數(shù)學(xué)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(jié)果表明,對于蒸發(fā)式水冷 卻器,模擬計(jì)算值和試驗(yàn)值具有很好的吻合性,相 對誤差不超過6%,通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸,總結(jié)出傳 質(zhì)效率的關(guān)聯(lián)式。文獻(xiàn)[15]介紹了一種描述蒸發(fā) 式冷凝冷卻設(shè)備通用的無量綱數(shù)學(xué)模型,該數(shù)學(xué)模 型給出了水、空氣和被冷卻流體在系統(tǒng)中非絕熱蒸發(fā)的換熱過程。

   應(yīng)用無量綱微分方程建立的數(shù)學(xué)模型極大的降 低了計(jì)算的參數(shù)量并且簡化了計(jì)算。分析表明,該 無量綱因次的數(shù)學(xué)模型具有廣泛的應(yīng)用性。對蒸發(fā)式冷凝器(采用兩組翅片管+填料的 結(jié)構(gòu)型式)的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,同時(shí)和風(fēng)冷式冷凝器進(jìn)行比較,結(jié)果表明蒸發(fā)式冷凝器的系統(tǒng)效率 介于97%~99%之間,而風(fēng)冷式冷凝器系統(tǒng)效率介 于88%~92%之間。在相同的實(shí)驗(yàn)條件 下,對光管和翅片套管蒸發(fā)式冷卻器的傳熱性能進(jìn) 行分析研究。通過試驗(yàn)證明,當(dāng)空氣的迎面風(fēng)速從 1·66~3·57m/s 變化時(shí),翅片套管蒸發(fā)式冷卻器比 光管蒸發(fā)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(fā)式冷卻器的熱力學(xué)性能數(shù)學(xué)模 型。文獻(xiàn)[18]在同樣實(shí)驗(yàn)條件下,對橢圓光管和 圓管蒸發(fā)式冷卻器進(jìn)行了性能比較試驗(yàn)研究。研究 結(jié)果表明,橢圓管的平均傳質(zhì)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(shí)驗(yàn)證明,橢圓管的綜合性能優(yōu)于圓管,具有很好 的換熱和傳質(zhì)特性。對直接式和間接式 冷卻塔和冷凝器的性能進(jìn)行了分析?；驹硪罁?jù) merkel′s理論,針對常用的三種換熱器應(yīng)用統(tǒng)一理論和相同的操作方法進(jìn)行分析,總結(jié)出了換熱效率 和熱阻的計(jì)算關(guān)聯(lián)式。建立了關(guān)于閉式 冷卻塔的基于熱質(zhì)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(shù)的條件下,研究了冷卻塔在風(fēng)量變化時(shí)性能的變化,并計(jì)算了耗水量。 模擬計(jì)算的結(jié)果和已有的數(shù)據(jù)相吻合,其誤差控制 在10%以內(nèi)。主要對比了制冷系統(tǒng)現(xiàn)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(fā)式冷凝器在相同的試驗(yàn)條件下 分別進(jìn)行試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,在蒸發(fā)溫度為-24 ~-4℃時(shí),水冷式冷凝器和蒸發(fā)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(fā) 溫度為-24℃時(shí),蒸發(fā)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(jì)算流體力學(xué)的關(guān)于濕空氣和水的兩相流 動的新型冷卻塔的數(shù)學(xué)模型。在氣體流動段采用歐拉方法分析,在水滴下落階段應(yīng)用拉格朗日方法分 析研究。試驗(yàn)研究表明,液滴尺寸的影響是最主要的因素,當(dāng)噴淋水量一定時(shí),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(yīng)用 ANNs(人工智 能網(wǎng)絡(luò))技術(shù)對蒸發(fā)式冷凝器的冷凝負(fù)荷進(jìn)行了模 擬和控制研究。研究結(jié)果表明,在熱力學(xué)系統(tǒng)中, ANNs控制器適合取代PID控制器。應(yīng) 用ANNs對帶有蒸發(fā)式冷凝器的系統(tǒng)性能進(jìn)行預(yù) 測。通過改變蒸發(fā)器的負(fù)荷、空氣和水流過蒸發(fā)冷盤管的速度和冷凝器入口處空氣的干濕球溫度對系 統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)測試。其預(yù)測值和試驗(yàn)值以及關(guān)聯(lián)式計(jì) 算的相對誤差在1·90%~4·18%內(nèi),結(jié)果表明 ANNs在逆流蒸發(fā)式冷凝器的復(fù)雜系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)具 有很高的精度。對蒸發(fā)式流體冷卻器和 蒸發(fā)式冷凝器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了細(xì)致研究。通過和前人研究結(jié)果相比較,驗(yàn)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(jì)算污垢熱阻的相關(guān)方程,并利用此方法對換熱器性能進(jìn)行 研究,為蒸發(fā)式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算提供試驗(yàn)依據(jù)。對蒸發(fā)式換熱器進(jìn)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(shù)逐一進(jìn) 行分析。分析結(jié)果表明,對蒸發(fā)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(fā)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(jù)熱力學(xué)第 一、二定律對逆流式冷卻塔和蒸發(fā)式換熱器進(jìn)行了熱力學(xué)性能分析,利用熱力學(xué)火用平衡分析影響系統(tǒng) 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(xué)第二定律的效率。應(yīng)用 熱力學(xué)方法豐富蒸發(fā)冷凝冷卻技術(shù)的研究手段,但 是仍難以準(zhǔn)確的表達(dá)傳熱傳質(zhì)的過程。