EXV型蒸发式冷凝器设计计算系统的研制.doc

EXV型蒸发式冷凝器设计计算系统的研制 大连海事大学硕士学位论文EXV型蒸发式冷凝器设计计算系统的研制姓名:李明基申请学位级别:硕士专业:轮机工程指导教师:岳丹婷20091101中文摘要摘要在现代社会中,制冷技术的应用已涉及到国民经济的各个部门以及人们的日常生活。而我国水资源匮乏,尤其近年来电力资源日趋紧张的局势下,对制冷系统的节能有了更高的要求,促使具有节水、节能、结构紧凑和占地面积小等优点的蒸发式冷凝器在制冷系统中得到了快速的应用。虽然其技术较为先进,但其应用缺乏强有力的实验数据和理论设计作为指导依据。本文采用理论研究与实验验证相结合的方法,根据热力学和传热传质学的基本理论知识建立了蒸发式冷凝器传热传质数学模型,并利用实验研究验证所建立的传热传质数学模型并加以校正,最后基于改进的传热传质数学模型,研制了蒸发式冷凝器设计计算系统。通过实验验证,冷剂侧理论传热量与实验传热量的相对误差范围在.%.%,在误差允许的范围内。空气侧理论传热量与实验传热量的相对误差的范围在.%.%。蒸发式冷凝器传热性能计算系统开发所使用的脚本语言为适,可视化开发环境为公司的.。合科学运算的在程序开发的过程中,采用了目前最流行的面向对象的软件开发思想,大大提高了系统的开发效率和质量。强大的可视化开发环境?.,提供给用户一个美观、便捷的操作环境,同时也保证了系统运行的稳定性和健壮性。经过调试运行使程序达到运算的要求。程序可对大连亿斯德制冷设备有限公司生产的型蒸发式冷凝器进行设计计算。关键词:蒸发式冷凝器;传热传质模型;实验研究;设计计算系统英文摘要. , , . , ., ,.,.,. ./.伍. .%.%.,. ,.?.,. ,.英文摘要: :; 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明:本论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,撰写成博士/硕士学位论文:基基型苤筮式碱狴墨遮让让篡丕统鲍硒制二,除论文中已经注明引用的内容外,对论文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。论文作者签名:似彬陟舴,月日栌啪擀瓤蚌膈担黼?咖磁碲朋日学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规定,即:大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库中国学术期刊光盘版电子杂志社、中国学位论文全文数据库中国科学技术信息研究所等数据库中,并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。本学位论文属于:保密口在 年解密后适用本授权书。不保密口请在以上方框内打“敝储躲槭导师繇豫峭:嚣日期:幽年型蒸发式冷凝嚣设计计算系统的研制第章绪论.燕发式冷凝器的简介根据冷却介质和冷却方式的不同,常用的冷凝器一般可分为水冷式、空气冷却式或称风冷式及蒸发式三种。由于冷却效果较差、冷凝温度较高,空气冷却式冷凝嚣主要用于缺乏冷却水源的场所、分散式以及小型制冷系统。而大、中型制冷系统,过去应用最多的是立式或卧式壳管式水冷冷凝器。为了减少冷却水消耗量,该冷凝器大多使用循环水,故有需建冷却水塔、装置占地面积大、循环水泵和冷却水塔风机功率能耗大的缺点。蒸发式冷凝器具有节水、节电、结构紧凑和占地面积小等优点,是一种节约能源型产品,具有良好的发展前景。自曲间雌&一一;,。自目女&.孙:囤.蒸发式冷凝器工作原理图 口第章绪论如图所示,蒸发式冷凝器其实是冷凝器和冷却塔的组台,冷却水由循环水泵送至冷凝盘管的上部,经喷嘴喷淋至冷凝管组外表面形成水膜往下流动,由于水膜中部分水蒸发时吸收热量而使管内高温、高压的制冷剂蒸汽玲凝成液体。空气则由箱体上方和下方同时进入,将冷凝器管外的水蒸气带走。当空气温度低于水温时,还可起一定的冷却作用。耒蒸发的水仍返阿至箱底水池中.用浮球保持一定的水位,蔽此循环工作。由于蒸发式玲凝器的循环水流量仅为水冷式冷凝器的%,水泵的能耗将明显降低。风冷式冷凝器虽然不用水泵只需要风机,但其空气流量要比蒸发式冷凝器大数倍.而且玲凝器压力较高。从上世纪年代起,国际上水冷式玲凝器开始逐步被蒸发式冷凝器取代。年代起.我国开始从国外引进蒸发冷凝器技术。近二十年的应用实践证明,它有明显的节能效果。蒸发式冷凝器的传热机理蒸发式冷凝器主要利用水蒸发吸收潜热传递热量以达到冷却的目的。它的传热传质过程两部分组成:热量通过换热管内壁传给管外水膜,传热的驱动力来自于制冷剂和水膜的温差:热量通过水膜与空气的热质交换释放给空气,传热的驱动力取决于两者的侍差。由此可见,蒸发式冷凝器主要是利用流经换热盘管的水膜中部分水的汽化潜热,这与风玲式和水冷式冷凝器利用显热来吸收制冷剂蒸汽的热量是完全不同的。桶椭菰图.蒸发式玲凝器传热机理简斟型蒸发式冷凝器设计计算系统的研制.蒸发式冷凝器的特性与传统的风冷和水冷式冷凝器的比较起来,蒸发式冷凝器具有如下优点:风冷式冷凝器的传热是依靠冷凝温度与环境干球温度的差值,而蒸发式冷凝器的节能效果取决于环境湿球温度,通常干湿球温度相差,加上水膜与金属壁面的传热系数大,再加上如果蒸发式冷凝器是吸风式的话,风机产生局部负压作用,因此蒸发式冷凝器的冷凝温度远低于空冷式。水冷式冷凝器的传热的驱动力是冷凝温度与水温的差值,在外部气象条件相同,即有相同的湿球温度和水温时,其传热的驱动力相当,蒸发式冷凝器传热能力强的原因主要是:交叉流的气流扰动和水膜的流动及蒸发过程引起的热质交换。在生产实践中蒸发式冷凝器的优势主要体现在以下几个方面:.节水。一般 冷却水能带走. . 热量,而 水在常压下蒸发能带走约 热量,因而蒸发式冷凝器理论耗水量仅为一般水冷式冷凝器的%。考虑飞溅损失和排污换水等因素,实际耗水量约为水冷式的%。.节电。采用蒸发式冷凝器的制冷系统,其冷凝温度要比用风冷式或水冷式冷凝器低,因而采用蒸发式冷凝器将使压缩机的输入功率减少。此外,冷凝器的总功耗水泵、风机也显著降低,因而能明显节能。据测试报告显示:与壳管式冷凝器和水冷却塔组合的系统相比,采用蒸发式冷凝器可降低制冷装置电耗%左右,而与空冷式冷凝器相比,可节电%以上。.结构紧凑。因无需设置冷却塔,故整个装置结构紧凑,体积小,占地面积少,安装方便,日常维修工作量小。.环保。不少企业在采用壳管式或淋激式冷凝器时,由于夏季冷凝压力过高,常常采用“放空降压一,但每次放出的并不全是不凝性气体,其中含有大量的氨气,不仅氨损失相当严重,而且还造成环境污染。而采用蒸发式冷凝器后,将不存在这种现象。蒸发式冷凝器在运行中经常遇到如下问题:.喷头经常堵塞,引起冷凝管组没有被均匀润湿,使冷凝压力升高,需要经常清洗,这样,既浪费人力又影响生产。有些单位把喷头改为类似淋水式冷凝器的重力配水器也称为溢流槽,运行表明这种配水消除了喷嘴堵第章绪论塞的缺点,又使用可靠,易清洗和保养,并能保证冷凝管组均匀被润湿。.管组严重结垢,这主要是对冷却水没有进行软化处理的结果。.空气夹杂水滴太多,既造成冷凝器周围都是水,影响工作人员操作,同时也使水耗增加。造成的原因可能是吸风量太大,水分离挡板结构不良,分离效果差,或由于产品本身结构上考虑不当,出现了“风短路现象所造成的。另外,还有风机的噪音比较大。.蒸发式冷凝器的分类.根据风机在蒸发式冷凝器中的位置不同,可分为吸风式蒸发式冷凝器和送鼓风式蒸发式冷凝器晦。.预冷式和非预冷式:预冷式蒸发式冷凝器将从压缩机出来的高温高压冷剂蒸汽先导入到位于蒸发式冷凝器箱体上方的带翅片的预冷盘管,与从下方上来的经过与冷剂热质交换后的高温空气初步进行热交换后,再流过盘管进行蒸发式热交换。这样有下列好处:充分利用了空气的相对于冷剂的冷量火用;经过预冷却的冷剂蒸汽温度降低后,会减轻盘管上的结垢:温度降低后更有利于传热的进行。.带填料和不带填料:对于传统的蒸发式冷凝器?水系统都是采用填料。到目前为止大多数采用的是填料。采用填料虽然能够达到冷却效果,但由于填料的厚度较小,长时间在高温的条件下容易老化、变形、碎裂、堵塞以及出现沟流,从而影响换热效果,并增大空气阻力。采用无填料的雾化?水装置系统,将循环水利用低压雾化装置喷成滴状,使空气与水充分地接触,实现?水的目的。避免了采用填料带来的老化、碎裂、堵塞和沟流问题。从而达到长期稳定运行,减少了维修工作量。.光管式和其他盘管式现在多流行椭圆盘管。与传统的圆形光管相比:扁形椭圆管的设计使盘管排列更紧凑,管间距更小,单位空间内管子面积更大;降低了空气阻力;型蒸发式冷凝器设计计算系统的研制管子与水的热交换时间更长,更充分。.蒸发式冷凝器的应用国外蒸发式冷凝器技术目前已经比较的成熟,主要厂家有丹麦的公司,荷兰的公司,美国的公司和等公司。产品型号各有特点。单位面积换热量一般在国内标准工况下可以达到.至.国内生产的蒸发式冷凝器的厂家不少,同国外产品比较,除了有价格上的优势以外,在产品质量上有竞争力的并不多。目前国内主要有两家合资的主导厂商:上海的益美高同美国公司合资和大连冰山集团的巴尔第摩同美国公司合资,其他的厂家质量与国外有较大档次的差别。关于质量上的差距产生的原因有很多,一是国内关于蒸发式冷凝器理论研究还没有完全成熟,在设计上不尽合理;二是在配套材料的质量上有待提高,许多质量问题不在于设计原因,而是材料质量不过关。由于看到蒸发式冷凝器未来的应用前景,我国的企业目前也正在进行各种尝试,并且已经取得了可喜的成果。如西北工业大学就尝试将蒸发式冷凝器应用于热泵海水淡化装置中,并初步得出对于家用海水淡化系统是可行的【】。上海交通大学和青岛海信日立空调系统有限公司针对将蒸发式冷凝器用于家用中央空调机组的可行性进行了分析,最后得出是可行的这一结论【】。.本文的主要工作本文工作的主要目的是为大连亿斯德制冷设备有限公司研制型蒸发式冷凝器设计计算系统,为此本文采用理论分析和实验研究相结合的方法对大连亿斯德制冷设备有限公司生产的型蒸发式冷凝器进行研究,指导大连亿斯德制冷设备有限公司对其产品进行改进。具体工作有:.应用热力学和传热传质学,对型蒸发式冷凝器进行传热传质分析,建立型蒸发式冷凝器传热传质数学模型。.利用制冷试验系统对型蒸发式冷凝器进行实验研究。.利用实验数据完善型蒸发式冷凝器传热传质数学模型。.研制型蒸发式冷凝器设计计算软件。第章文献综述第章文献综述.国外研究进展从国外蒸发冷却技术发展情况来看,他们起步较早,所取得的理论和研究成果水平也较高,美国多年来对蒸发冷却技术进行了深入的研究,许多制冷学术会议上对蒸发冷却技术的研究非常深入细致。年,尾花英郎在水科笃郎等人提出的传热膜系数经验公式的基础上,比较系统地提出了蒸发式冷却器的设计方法,并作出了氨为工质、冷却温度在范围内的热效率对传热单元数的一系列图表口。年,.对具有润湿薄膜换热表面的平板式蒸发冷凝器进行了实验研究,发现由于润湿薄膜与空气之间存在较大的温度差而引起了剧烈的传热和雾化现象,并提出了一种与尺寸无关的实验结果关联式呻。年,、和对蒸发式冷凝器与?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。此外,共同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?水塔混合系统的计算机程序,应用效果良好一。年,和.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训。年, .和对蒸发式换热器?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第摩提供的数据差别在%以内。年,.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羽。年, 给出了蒸发式冷凝器一种新的传热传质模型,同时撰写了适用于光管蒸发式冷凝器的计算机程序,其计算结果同试验结果比较误差平均在%,其中误差最大也不超过%型蒸发式冷凝器设计计算系统的研制年, 等人对两步式蒸发冷却器的性能做了实验研究,结果表明带有?水塔的两步式蒸发冷凝器要比没有?水塔的系统具有更高的换热效率,也优于一步、直接接触式蒸发冷凝器们。 等人就逆流式蒸发式流体冷凝器的传热传质过程进行了讨论,修正了光滑管蒸发式冷凝器几何分布尺寸的影响,其模型和蒸发式水冷凝器的实验进行比较具有很好的吻合性射。年, 从热力学角度,以能量、动量、质量平衡为基础,通过分析蒸发式冷凝器内传热传质及流动阻力,给出了当今所有类型的蒸发式冷却装置通用的数学模型。主要包括冷却塔、蒸发式冷凝器、蒸发式冷却器、空气净化除湿等装置引。年,等人对转盘蒸发式冷凝器进行了实验研究。实验严格按照的测试条件进行,使用的制冷剂是氟利昂,通过实验优化了转盘速度和系统的操作参数。转盘蒸发式冷凝器同传统的风冷式冷凝器相比较,冷凝负荷提高了.%,提高了.%,季节性能效比。提高了.%年,.等人对蒸发式冷凝器在工业制冷系统中对需要在不同蒸发温度中使用的场合进行了控制研究,对系统中的各部件建立了模型。仿真计算结果表明,进行优化设计和控制的蒸发式冷凝器制冷系统每年可以节约能耗%以上引。 .等人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%之间,而风冷式冷凝器系统效率介于%之间钔。年, 和 对光管和翅片套管蒸发式冷却器在相同操作条件下进行了性能比较实验研究,表明对于一定的管束容积,翅片管束在相同能量指数下传递热量较多,可达%四。年, 和 对椭圆光管和圆管蒸发式冷却器在相同操作条件下进行了性能比较实验研究,表明椭圆管的平均传质因子砌是圆管的%,而椭圆管的砌汾为摩擦因子是圆管的.倍。得出,椭圆管能有效降低风机所耗功率心。年,.等介绍了一种基于计算流体力学的关于湿空气和水的两第章文献综述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九。年,.和.应用对带有蒸发式冷凝器的系统的性能进行预测。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.%.%内,结果表明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。年, .等依据热力学第一、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幽。.国内研究进展早在世纪年代中期,同济大学陈沛霖教授在美国加州劳伦斯伯克利研究所从事蒸发冷却技术的国际合作研究,并将这一技术引入我国。近年来,一些科研单位和企业对蒸发冷却技术进行了理论和实验研究,取得了一定进展。年,唐汉靖对蒸发式冷凝器在设计上的以及国内外的发展进行了简单介绍嘲。年,刘宪英、葛虹等人对蒸发式冷凝器在房间空调器中的应用进行了实验研究,结果表明采用蒸发式冷凝器可使房间空调器的能效比提高%【矧。年,崔海亭等人分析了用蒸发式冷凝器取代管壳式冷凝器的明显优点,指出在内陆地区应选用节水、节电尤为显著的蒸发式冷凝器犯力。年,王东屏介绍了一种简单实用的带预冷器的蒸发式冷凝器的设计方法,可用于常规蒸发式冷凝器的设计计算啪。年,袁建新以乌鲁木齐地区的高温库制冷循环为例,说明应用蒸发式冷型蒸发式冷凝器设计计算系统的研制凝器比水冷式冷凝器在初始投资、运行费用、操作管理等诸方面更为优越啪。年,余江海等人总结了近年来蒸发式冷凝器在我国的应用情况,并针对蒸发式冷凝器在应用中存在的一些不足提出改进措施啪。庄友明通过实例比较了蒸发式冷凝器、立式水冷式冷凝器和卧式水冷式冷凝器各自对应于冷凝负荷的能耗量,表明蒸发式冷凝器比水冷式冷凝器节能口。年,谈向东和向海容对蒸发式冷凝器在设计、工程应用等方面的技术参数,特点和注意事项作了一个总结,还对其在制冷系统装置化、自动化中的作用作出了肯定的评价鼯列。朱冬生和蒋翔介绍了和这两种典型的蒸发式冷凝器,同时提出了种新型的蒸发式冷凝器盘管之交变曲面波纹管,表明可使体积减小%左右。年,尹铭和马学虎等人对蒸发式冷凝器中水平管内低压蒸汽冷凝现象进行了研究,得到冷凝传热膜系数的关联式,实验值与计算值的相对误差在%以内晏刚等人给出了蒸发式冷凝器传热计算的方法,提出蒸发式冷凝器参数选择和结构设计中存在的问题。此外,李志明和杨红波就蒸发式冷凝器在制冷工艺上的应用进行了分析,指出发展蒸发式冷凝技术对制冷系统节能具有重要的意义啪。刘黄炳,郑正涛对上海上枫制冷设备有限公司自发研制的系列蒸发式冷凝器进行了介绍刀。王会串就蒸发式冷凝器在山西丰喜肥业股份有限公司的使用情况进行了说明,提出蒸发式冷凝器具有很好的节水节能效果汹。陆正凯和毕思刚介绍型蒸发式冷凝器在张双楼煤矿西风井冻结工程中的试用情况,比传统的立式冷凝器节约用水.万立方米油。王铁军等人建立了经济技术模型对制冷装置的冷凝器选型做了运行期经济效益分析计算,结果表明,采用蒸发式冷凝器可大幅节约运行费,间接产生较大的投资回报九。邱嘉昌和刘龙昌对国内外若干冷藏库工程选用冷凝器型式的调查,表明蒸发式冷凝器的应用前景十分良好。年,关朋介绍了蒸发式冷凝器的结构、工作原理及安装、使用过程中应注意的问题,结合工程实例,对蒸发式冷凝器和水冷式冷凝器作综合比较,说明节水、节能的蒸发式冷凝器应该得到大力推广.蒋翔等对蒸发式冷凝器的传热传质进行了理论分析研究,实验研究表明填料具有很好的蒸发冷却性能四。年,唐伟杰、张旭等建立了蒸发式冷凝器和蒸发式冷却器的数学模型。对换热器管外水膜的温度分布和焓值沿换热器高度方向变化进行了研究,并根据换热理论得到了模型的解析解,为蒸发式换热器的设计提供了依据】。年,洪兴龙、李瑛用降温计算法进行蒸发式冷凝器的选型计算,指出设置洗涤式油分离器对氨制冷系统的有利作用,同时结合工程实例对蒸发式冷凝器的管路进行了设计,并对其结构提出了改进意见。年,朱冬生、沈家龙、蒋翔等建立了蒸发式冷凝器实验平台,建立了不同喷淋密度和截面风速对管外水膜与空气传热与阻力性能的影响,得到了管外水膜与空气传热系数计算式邮。型蒸发式冷凝器设计计算系统的研制第章蒸发式冷凝器传热传质分析.蒸发式冷凝器传热传质物理模型蒸发式冷凝器主要由换热盘管、水循环系统和风机三部分组成,本文研究的蒸发式冷凝器还带有热交换层来增强水的冷却效果,换热盘管是由圆管组成的蛇形管组。蒸发式冷凝器传热传质过程是非常复杂的,蒸发式冷凝器的传热过程可分为两个阶段:第一阶段是盘管内的制冷剂蒸汽与盘管外水膜表面间的传热过程,这过程的传热驱动力是管内制冷剂蒸汽的冷凝温度。与水膜表面温度.间的温差;第二阶段是水膜表面与空气之间的水膜蒸发传热过程,强化管内制冷剂冷凝的过程,该过程是一个既有传质又有传热的过程,它的驱动力是水膜表面温度.与空气间的温度。之差,以及水膜表面水蒸气含量与空气中含湿量的质量分数差。,/垂迨一卜、。水 /过、.上 /。.冷荆 一。/.“,厂,。:,、?一一,、型今/图.换热器传热传质模型麟.蒸发式冷凝器的传热传质物理模型如图.所示,蒸发式冷凝器中的传热过程分为:制冷剂蒸气在管道内表面上冷却冷凝放热:热量通过管内油膜、管壁和管外水垢向外传导;第章蒸发式冷凝器传热传质分析热量由管外表面通过对流传递给水膜和空气不湿润表面直接与空气对流换热;通过水膜与空气的热质交换将热量传递给空气。热质传递过程,可由控制体内空气、水和制冷剂的质量和能量平衡方程式表示。.用温降计算法进行设计选型计算蒸发式冷凝器的传热较为复杂,其过程包括制冷剂气体管内冷凝放热,其通过管内油膜、管壁、管外水垢以及水膜表面与流动的湿空气之间进行热质交换。传热过程中各部分温降例如图.所示。图.蒸发式冷凝器传热温降示意图.换热盘管管问空气和水的流动分析空气参数的变化蒸发式冷凝器换热盘管外流过的是冷却空气,其过程为加湿过程,具体变化过程如图.所示。图中点表示空气进入蒸发式冷凝器时的状态,为室外空气状态,点表示水膜表面的饱和空气状态。空气的状态变化过程将沿连线一进行到点,点表示空气的出口状态型蒸发式冷凝器设计计算系统的研制图.蒸发式冷凝器中空气的状态变化过程.当空气初始温度低于水膜温度时,空气的终态温度将升高,为升温加湿过程;当空气温度高于水膜温度时,空气的终态温度将降低,为降温加湿过程。但无论属于何种情况,空气中的含湿量和焓值都将增加,过程中流动的空气和水膜间发生热量和质量交换,其平均焓差的计算表达式为:慨觇纠吨箍丸一红故流动空气的平均焓为:.鲁小“甚再由经验公式:.可求出平均温度乙.水膜和空气的相互作用喷淋水均匀地喷洒至换热盘管表面,其喷淋密度为,在管外表面形成一层为的薄层水膜。水膜表面是逆流而行的空气,迎面风速为,空气与水膜在温差和浓度差的共同作用下进行热质交换,交换面积比率为。第章蒸发式冷凝器传热传质分析.各阶段的传热过程分析在冷凝剂侧:管内的冷凝传热过程管内的冷凝传热过程为微管内受迫运动,其中多数为旺盛的紊流或者数与由层流到紊流之间的过渡过程。层流很少出现。冷凝管内侧壁对于以为制冷剂的冷凝器,为管内有油与制冷剂的不相溶性,在冷剂中产生油垢层,其对于传热产生阻碍作用。导管传热此过程为平壁导热,有导热热阻。在冷却水侧:管外壁至水膜导热在管外壁容易形成水与管壁作用形成的水垢,水垢对导热具有一定的阻碍作用,即具有导热热阻。管外水膜导热管外水膜作膜状流动。此过程是水平管束的膜状凝结,是膜状流动的放热过程。其过程传热系数为%。管外水膜与空气间的传热水膜表面对横向流过的盘管的空气的表面传热过程。此过程是一个传热传质的换热过程。.蒸发式冷凝器传热传质数学模型.条件假设为了便于理论推导,本文对操作条件作出如下假设:空气均匀流过换热盘管迎风面,过风断面上空气质量流量相等;淋水均匀分布于过水断面,每个过水断面淋水流量相等;忽略水蒸发所造成的空气和水流量的变化;忽略控制体与界面外的热质传递;过程进行的是低温差的传热,忽略热辐射的影响;在一定的温度范围内,水、水蒸气和干空气的定压比热。为一常数。型蒸发式冷凝器设计计算系统的研制.蒸发式冷凝器传热传质数学模型.蒸发式冷凝器换热量的计算方法蒸发式冷凝器换热过程的换热方程式为:.?乙岛其中:足?热量从冷剂到冷却介质的换热系数:彳一换热面积;乙:?对数平均温差;乞?修正系数,叉流时取为.。当取传热过程为热量从冷剂到水膜传递时:一热量从冷剂到水膜传递的换热系数;厶:一冷剂温度与水膜温度的对数平均温差; .当取传热过程为热量从冷剂到空气传递时:一热量从冷剂到空气传递的换热系数;蛾:一冷剂温度与空气温度的对数平均温差;.小瓢研再爱.管内冷凝传热系数%:对于管内的凝结放热,努谢尔数用图解积分的方法求得的平均换热系数的理论计算式为:.%.【蔗%】,形/?除潜热按蒸气饱和温度乞确定外,其它物性均取膜层平均温度乙乞/,定性压力取压缩机二级排气压力。一横管内径;第章蒸发式冷凝器传热传质分析一重力系数;,一在所求状态下的潜热;疋一液态时的导热系数;仍一液态时的密度;鸬液态时的动力粘度;一冷凝温度,这里取盘管进出口温度的平均值在后面的实验数据中取得,计算误差可忽略不计:管壁温度,由于管子热阻值较小,将管壁温度取为水膜温度,水膜温度取水进出口的平均温度在后面的实验数据中取得,计算误差可忽略不计。将各值带入后可求得%。.管内油膜热阻:取管内油膜热阻凳.,旷研删形。鳓、水垢热阻:取管外水垢热阻六州叫旷肌.计算水膜流动传热系数:水对水平管簇喷淋时,在工程上为了计算简便,可用下列简化公式计算换热系数。,叫刀二%州朋激淋密度.旦瞎/朋?式中,水的流量,在这里为水泵的流量,/;,水平管的长度,;,被淋湿水管的列数,所以取疗。.计算水膜表面与空气之间的热质交换.坦以一乙管外水膜与管内制冷剂蒸汽之间的热量传递型蒸发式冷凝器设计计算系统的研制.蛾吃化一管外空气对流换热系数:.驴毗盯叭厂管外空气对流传质系数:.铲。叫嚣赫厂冷凝器单位面积的热负荷。一幺.一.空气和水蒸气的热力学计算方程空气中在水蒸气温度所对应的饱和压力.。:只.丝万. 百万函含湿量:卫: :卯?卫 .。.一。七相对湿度.、二/ .葱 湿空气的比焓.其他计算方程空气循环量.。其中圪为空气流量第章蒸发式冷凝器传热传质分析助空气比体积空气比体积.巧:掣口 其中曰为当地大气压为修正系数每排传热外表面积./昼其中为每排管数为传热面积迎风面积.矿?万。其中,为单管之间的间距以为管外径激淋密度激淋密度是指传热管单侧单位管长的喷淋水流量,其和喷淋水量之间的计算公式为迎风面积:盟.其中纬代表每排管数,厶代表管长最窄截风面积. .?一毗:羔心?对数平均法求平均值因为通过冷凝器时空气的焓值增加是非线性的,所以要按对数平均焓差法求焓值型蒸发式冷凝器设计计算系统的研制。:代.电。羲/其中吃。为温度为肭湿空气饱和焓鼻,红为进出口焓值为空气平均温度乞的平均焓同理.厶学其中喀为管子外径.数学模型的整理.:盟.咖巧缸对于管外至水膜传热系数先由./每求出每排管的传热外表面鼬.蠹拙姒酮根据公式.品其中是水循环量,是单管长叉排刀第章蒸发式冷凝器传热传质分析.丢;求出。对于氨为制冷剂,管内冷凝时的放热系数,可按公式.巧矗求出。管外至水膜的传热系数可由公式.如幂雾函疆拙舯叱州.叱学拙。根据空气的平均温度乙得到空气的物性系数弘肛贝由.俨若口可求出最窄截风面积风速其中心:吾圪为空气流量为迎风面积雷诺数足:竺盘综上所述,可得到干空气的防热系数.车“.由进口温度和湿球温度由.只万唧口.丽.四扣去仰卜号老可推知湿空气的含湿量与相对湿度型蒸发式冷凝器设计计算系统的研制根据.:丘求出空气循环量,其中巧由.巧警占. 于是可由如啊毒求出出口焓值首先设定水膜温度根据.垓吒化?乞夕蜗.求州鼎根据.艿鳓求出髓。黼.吣小羲耥根据.及求出乙冉.。根据蒸发式冷凝器中热质交换过程分析,得出传热公式.【:】韶:一? :一.孓:一一:一,右式中第一项表示空气流过蒸发式冷凝器后,空气所带出的总热量右式中第二项表示蒸发过程中变为水蒸气的水的初始热量.略去右式第二项,且船她掰.竺丝:二盟:?第章蒸发式冷凝器传热传质分析可由?了二了及吒求出十咒可由.后纯夕积求出。根据不同的水膜温度确定不同的与磊值,二者的面见趋于相等时,求的合理的传热面积。而是未知的,所以根据不同的作出关于讹夕与的两条曲线,其交点处为面积趋于相同处,也就是正确的设计传热面积。型蒸发式冷凝器设计计算系统的研制第章蒸发式冷凝器实验研究蒸发式冷凝器管内流动着制冷剂,管表面为薄层水膜覆盖,水膜外层流动着冷却空气,是个兼有热质交换的复杂过程,计算方法复杂。从第二章可知国内外不少学者对此进行了理论和实验研究,但提供的传热传质公式计算结果彼此相差较大。近年来虽然和模型化技术发展很快,却始终不能摆脱无法准确建立换热器传热模型的尴尬。实践证明,只有通过试验研究才能精确分析换热器传热性能。为此,作者对型蒸发式冷凝器进行了实验研究。.实验装置图.实验装置图.整个制冷循环过程为:压缩机抽吸来自蒸发器的低温低压过热制冷剂蒸气,并提高其温度和压力后,将它排向待测试的蒸发式冷凝器。在蒸发式冷凝器中,高压制冷剂过热蒸气在冷凝温度下放热冷凝。而后具有一定过冷度的高温高压制冷剂通过干燥过滤器进行处理后,进入节流元件膨胀阀,进行绝热膨胀。这时膨胀终了的低温低压液体进入板式蒸发器进行蒸发,期间冷剂液体氨在蒸发温度下吸热沸腾,具有一定过热度的制冷剂蒸气又重新回到压缩机吸气状态,从而实现了制冷系统中制冷剂的不断循环流动。与此同时,板式蒸发器中被冷剂冷却的循环水被输送到进气通道的表冷器中冷却空气。如果从板式蒸发器提供的低温淡水第童鳌垄壅堡堡矍窒垦婴壅一一?一一。不能满足表冷器需求,则需直接将进入板式蒸发器的冷剂部分分流到表冷器中代替低温淡水。.参数测量大气压力蒸发式冷凝器空气侧:进空气温度疋。出空气温度:进口空气相对湿度伤出口空气相对湿度仍空气的体积流量。水的体积流量中集水盘水温%底集水盘水温。压缩机一级吸气温度石蒸发式冷凝器冷剂侧:压缩机一级吸气压力。压缩机二级吸气温度瓦压缩机二级吸气压力仍压缩机二级排气压力反盘管入口冷剂温度乙.盘管出口冷剂温度乙:.测量仪表表.压力测量仪表?%?蒸发式冷凝器冷剂出口压力压力变送器%?压力变送器进气通道入口处空气压力型蒸发式冷凝器设计计算系统的研制表.温湿度测量仪表. 表.流量测量仪表. 第章蒸发式挣凝器实验研究图喷淋水流量计 表.功率测量仪表.四数据采集器采用美国 数据采集器。该采集器通过一接口与电脑主机连接,并且提供的软体,可直接安装于系统。它拥有槽主机,最多可提供个单端频道 位数位元的内部;现拟选取块卡通道多路复用嚣,每块具有路双端通道,可自定义采集电压或电流信号。其中一块用于采集进气通道内空气参数,实现对其状态的控制。另外两块用来采集蒸发式冷凝器内部以及整个制冷系统循环中各部分的数据。型蒸发式冷凝器设计计算系统的研制图. 数据采集器西./图. 通道多路复用器.西”国.数据采集器输入信号线. 群第章蒸发式玲凝器实验研究酗.数据采集及处理房间.四.实验步骤和注意事项.实验基本步骤肝肩新型蒸发式冷凝器肯冷系统。关闭新型蒸发式冷凝器水盘排污口阀门开关,打开补充水的阀门开关浮球阀将控制进水量,直到停止补水为止。合上实验室动力电源总闸后打丌电器控制箱和仪表控制箱电源丌关。打开板式蒸发器冷冻水进出口阀门。启动风机和水泵。启动压缩机。.进行相应的测试实验并记录测试开始的时间。改变工况待稳定后继续测试.并记录改变工况的丌始时间。将风机关闭,待系统达到稳定状态后记录各读数。开启风机,关闭水泵,待系统达到稳定状态后记录各读数,型蒸发式冷凝器设计计算系统的研制开启水泵,开启风机,待系统达到稳定状态后记录各读数。.停止新型蒸发式冷凝器制冷系统的运行。关闭压缩机,停止压缩机运转。关闭风机和水泵,停止风机和水泵运转。关闭水盘充注水阀门开关,关闭板式蒸发器冷冻水开关,打开水盘排污口开关。关闭电源总闸,锁好电器控制箱和仪表控制箱。清理实验现场,整理实验数据。.实验时的注意事项.在实验过程中,一定要等到每个工况处于稳定状态后再进行数据的存储和记录。实验中当观察到预冷型蒸发式冷凝器冷剂入口压力和温度基本保持恒定时,即认为系统达到了稳定运行状态。.稍微打开预冷型蒸发式冷凝器集水盘的排污阀,一般为/开度,以控制循环冷却水的浓度,防止在换热盘管表面的迅速结垢。.注意冷剂经过干燥器的压降,定时清洁。.实验数据的处理方法对实验数据的处理,可采用分别从冷凝管的内外侧来计算冷凝器的传热量的方法,即:通过空气侧来计算吸热量;通过冷剂侧来计算放热量。.通过空气侧数据来计算吸热量.计算盘管处水的无相变部分的吸热量:水的流量可由水泵至喷头管子上的流量计来读出,并将其设为。,由后面的计算可知发生相变的水的流量与水的流量比起来非常小,在计.算时可以忽略其影响,通过换算可知水的质量流量为钆。温差由放置于中集水盘触点所得到的瓦:与放置于底集水盘触点所得到的。求得。即:乙瓦:一瓦。水的比热查表可知为./姆?。所以水的无相变换热部分的水的吸热功率为既,。第章蒸发式冷凝器实验研究因为水所吸收的热量最终还是由空气带走,所以我们在下面计算空气的吸热量时所得的结果即为空气和水所吸收的制冷剂的热量的总值。在处理数据时我们直接计算空气和水所吸收的制冷剂的热量的总值。.计算空气的吸热量由于飞散损失很小,忽略由水相变进入空气的水蒸气吸热对空气吸热量的影响:用相对湿度计测量大气的相对湿度为仍咝,即取两个测量值 的平均值,仍即为空气入口处空气的相对温度。在风机与水泵都开的工况下,空气出口处由于水的相变使得空气成为饱和湿空气,所以出口处的相对湿度为仍%。其他工况时,具体工况具体分析。设空气入口处的空气温度为互。,空气出口处的空气温度为瓦:,大气压力为。通过相对湿度可以计算大气的含湿量为由计算可得空气出口