蒸发式换热器的研究进展和应用状况

蒸发式换热器的研究进展和应用状况

蒸发式换热器的研究进展和应用状况

 由于人口膨胀和经济发展,水资源短缺的现象 正在世界许多地方相继出现,尤其是城市缺水状 况,越来越加剧。我国的水力资源可开发量虽达 3·79亿千瓦, 但人均不到0·3千瓦。《中国节水技 术政策大纲》中指出:“大力发展和推广工业用水 重复利用技术,提高水的重复利用率是工业节水的 首要途径,发展高效冷却节水技术是工业节约用水 的重点。”冷凝冷却设备是工业耗能耗水大户,制 冷冷却耗能量占工业用能的13%~15%,耗水占工 业用水的 70%~80%,而间接冷却用水又占冷却用 水的70%~80%。也正是在这样的情况下,蒸发 式冷凝技术应运而生,成为水循环重复利用的重要技术之一。蒸发式冷凝技术在航空、电力、机械、 纺织等工业领域中起着重要作用。同时,冷却塔、 喷淋塔、蒸发式冷凝器等就是冷却水重复利用的关 键设备,蒸发式冷凝器的节能、节水效果不仅在理 论上是明显的,在实际应用中也得到很好的证 明。所以,研究和发展蒸发式冷凝冷却设备,极 具现实意义。

   根据蒸发式冷凝器的工作原理可知,由于蒸发 式冷凝器主要利用水的汽化潜热带走制冷剂冷凝过 程中放出的冷凝热量,所以冷却水的用量要比水冷 式冷凝器少得多。实际补充水量为水冷式的1/25- 1/50,其特别适用于缺水地区。

   文献[3]和文献[4]对各种冷凝器的性能与 耗水情况分别进行了比较。据计算,以氨为制冷 剂,产冷量在3·8×106kJ/h时,蒸发冷凝器比壳管 式冷凝器平均每年节电3·4×105kWh。

   国外的蒸发冷凝技术发展比较早,所取得的理 论和研究成果也比较高。蒸发式冷凝设备基本传热 传质理论是在1925年由merkel所提出并发展起来 的, 为以后的理论研究奠定了基础。之后在二十世 纪中期,S·G·Chuklin、尾花英郎等提出了关于蒸发 式冷凝器设计的普遍化方法。Parker和 Treyball研 究了蒸发式冷却器的传热、传质性能,阐明了蒸发 式冷却器的传热、传质机理。文献[6]对蒸发式 冷凝器与凉水塔混合系统的实验表明此系统能显著 降低冷凝温度,并节约换热面积。开发了一套用于 设计水平或竖直放置的光管、翅片管蒸发式冷凝器 与凉水塔混合系统的计算机程序。文献 [7]对竖 直管蒸发式冷却器做了传热传质试验研究,结果表 明控制热阻发生在空气与水的交界面,并建立了适 用于光滑竖直管蒸发式冷凝器性能计算的经验关联 式。文献[8]对蒸发式换热器(凉水塔、流体冷 却器、冷凝器)做了性能模拟,其模拟算法与制造 厂家(美国巴尔的摩)提供的数据差别在±3% 以 内。文献[9]对几种蒸发式冷却器芯体的设计方 案做了模拟计算探讨,发现添加的塑料材料 (Munter)可以显著地增强光滑管冷却器的传热性 能,而不需要使用成本很高的翅片管以增加传热面 积。文献[10]给出了蒸发式冷凝器一种新传热传 质数学模型,该模型准确的描述了传热传质过程; 编制了适用于光管蒸发式冷凝器的计算机仿真模拟 程序,通过试验验证,其计算结果同试验结果相比 较平均误差为3%,其中最大误差也不超过 20%; 并且计算结果具有很高的精度,验证了计算机程序 的合理性。文献[11]研究了在负的大气压下蒸汽 混合物对DCXs型换热器的性能影响,通过试验测 试研究了DCXs型换热器中入口处不凝性气体的影 响,给出了数学计算模型,并指出该模型可为冷凝 器设计提供依据。文献[12]和[13]对两步式蒸发冷却器的性能做了实验研究,分析比对了直接蒸 发式冷却器和间接蒸发式冷却器的性能,结果表明 带有凉水塔的两步式蒸发冷却器比没有凉水塔的系 统具有更高的换热效率,也优于一步式、直接接触 式蒸发冷却器。文献[14]讨论了蒸发式流体冷却 器的传热传质过程,建立了逆流蒸发式流体冷却器 的数学模型。研究了管束的分列排布对光管式流体 冷却器的热性能影响。结果表明,对于蒸发式水冷 却器,模拟计算值和试验值具有很好的吻合性,相 对误差不超过6%,通过试验数据回归,总结出传 质效率的关联式。文献[15]介绍了一种描述蒸发 式冷凝冷却设备通用的无量纲数学模型,该数学模 型给出了水、空气和被冷却流体在系统中非绝热蒸 发的换热过程。

   应用无量纲微分方程建立的数学模型极大的降 低了计算的参数量并且简化了计算。分析表明,该 无量纲因次的数学模型具有广泛的应用性。对蒸发式冷凝器(采用两组翅片管+填料的 结构型式)的性能进行实验研究,同时和风冷式冷 凝器进行比较,结果表明蒸发式冷凝器的系统效率 介于97%~99%之间,而风冷式冷凝器系统效率介 于88%~92%之间。在相同的实验条件 下,对光管和翅片套管蒸发式冷却器的传热性能进 行分析研究。通过试验证明,当空气的迎面风速从 1·66~3·57m/s 变化时,翅片套管蒸发式冷却器比 光管蒸发式冷却器的换热性能提高了92%~140%, 在假定换热器喷淋水温度不变的前提下,建立了光 管和翅片套管蒸发式冷却器的热力学性能数学模 型。文献[18]在同样实验条件下,对椭圆光管和 圆管蒸发式冷却器进行了性能比较试验研究。研究 结果表明,椭圆管的平均传质Colburn因子Jm是圆 管的89%,椭圆管的平均摩擦因子(f)是圆管的 46%,而椭圆管的Jm/f是圆管的1·93~1·96倍。 实验证明,椭圆管的综合性能优于圆管,具有很好 的换热和传质特性。对直接式和间接式 冷却塔和冷凝器的性能进行了分析。基本原理依据 merkel′s理论,针对常用的三种换热器应用统一理 论和相同的操作方法进行分析,总结出了换热效率 和热阻的计算关联式。建立了关于闭式 冷却塔的基于热质传递守恒的简化效率模型,在假 定盘管间冷却水膜温度为常数的条件下,研究了冷却塔在风量变化时性能的变化,并计算了耗水量。 模拟计算的结果和已有的数据相吻合,其误差控制 在10%以内。主要对比了制冷系统现在 使用的三种冷凝器特性,即空气冷却式冷凝器、水 冷却式冷凝器和蒸发式冷凝器在相同的试验条件下 分别进行试验研究,结果表明,在蒸发温度为-24 ~-4℃时,水冷式冷凝器和蒸发式冷凝器相比, 制冷量和能效比分别提高了2·9%~14·4%和1·5% ~10·2%,但耗电量增加了2·3%~4·2%。在蒸发 温度为-24℃时,蒸发式冷凝器和空气冷却式冷凝 器相比,制冷量和能效比分别提高了31·0%和 14·3%,耗电量增加了10·1%。介绍了 一种基于计算流体力学的关于湿空气和水的两相流 动的新型冷却塔的数学模型。在气体流动段采用欧 拉方法分析,在水滴下落阶段应用拉格朗日方法分 析研究。试验研究表明,液滴尺寸的影响是最主要 的因素,当喷淋水量一定时,液滴尺寸越小,换热 效率越高,冷却水入口温度和空气湿球温度相差越 大换热效率越高。应用 ANNs(人工智 能网络)技术对蒸发式冷凝器的冷凝负荷进行了模 拟和控制研究。研究结果表明,在热力学系统中, ANNs控制器适合取代PID控制器。应 用ANNs对带有蒸发式冷凝器的系统性能进行预 测。通过改变蒸发器的负荷、空气和水流过蒸发冷 盘管的速度和冷凝器入口处空气的干湿球温度对系 统进行稳态测试。其预测值和试验值以及关联式计 算的相对误差在1·90%~4·18%内,结果表明 ANNs在逆流蒸发式冷凝器的复杂系统中应用时具 有很高的精度。对蒸发式流体冷却器和 蒸发式冷凝器的数学模型进行了细致研究。通过和 前人研究结果相比较,验证该模型的合理性。该模 型考虑了污垢对换热性能的影响,建立了计算污垢 热阻的相关方程,并利用此方法对换热器性能进行 研究,为蒸发式换热器设计计算提供试验依据。对蒸发式换热器进行敏感性分析,所谓敏 感性分析就是对影响换热器性能的模型参数逐一进 行分析。分析结果表明,对蒸发式冷却器,影响其 换热效率的主要因素是流体流动速率;而对蒸发式 冷凝器,影响其换热效率的主要因素是空气入口处 的湿球温度和冷凝温度。依据热力学第 一、二定律对逆流式冷却塔和蒸发式换热器进行了热力学性能分析,利用热力学火用平衡分析影响系统 不可逆损失的因素。研究表明,换热器的入口湿球 温度的增加总会提高热力学第二定律的效率。应用 热力学方法丰富蒸发冷凝冷却技术的研究手段,但 是仍难以准确的表达传热传质的过程。


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