间接蒸发冷却器 7-6 第一

课程设计(综合实验)报告( 2017- 2018年度第二学期)名 称： 热质交换原理与设备题 目： 间接蒸发冷水机组设计优化院 系： 能动学院班 级： 建环1501组 长： 李昂组 员：吴璟瑜 付俊伟 李昂 袁晨雷大平 熊丽姗日期：2018年 7月6日18任务书设计题目v 已知条件 O点进风参数（逐时气象数据）； 进口的空气流量，4500t/h； 用户回水温度tw2=27摄氏度。v 未知条件 传热、传质面积； A、C空气状态； tw,tw1的水的状态。设计任务 设计计算：基于已学习的设备热工计算知识，查找相关资料，结合各设备冷量匹配的设计要求，完成间接式蒸发冷却冷水机组的设计计算，确定相关设备面积； 理论验证：在确定相关设备面积的条件下，确定计算冷水机组出水温度的方法；并采用极限分析法（假设传热、传质面积无限大分析最终的平衡状态），验证所采用数学模型的准确性； 分析计算：参考乌鲁木齐等地典型月的气象数据进行计算（可采用matlab、EES或Excel等计算工具），分析冷水机出水温度的主要影响因素及影响规律，如：干球温度、露点温度、含湿量、焓值等。提交内容 针对相应的设计工况，完成计算及结果分析，提交以下成果： 计算分析报告：1份，包括间接蒸发冷却冷水机主要设备数学模型、计算方法及计算流程说明、计算结果分析包括不同室外气象参数对冷水机出水温度的影响分析等； 演示PPT一份，电子版任务分工 吴璟瑜，付俊伟：间接式蒸发冷却冷水机组的设计计算，确定相关设备面积；（6月26日-6月28日） 李昂，袁晨：确定计算冷水机组出水温度的方法；并采用极限分析法，验证所采用数学模型的准确性；（6月29日-7月2日） 雷大平，熊丽珊：对典型月的气象数据进行计算，分析冷水机出水温度的主要影响因素及影响规律。（7月3日-7月6日）参考资料课本 118（原理）206（冷却塔） 232（设计计算）其他文献第一部分 设计计算（由吴璟瑜，付俊伟完成）已知条件按照国家空调标准，查得西宁市室外空气干球温度26.4湿球温度16.6相对湿度为35%h=46.0kJ/kg干空气tw=10为空气的露点温度表冷器的热工计算原理：表冷器的热交换系数1= (t1-t2) / (t1-td)=传热量Q=空气的终状态未知，可以假设表冷器出口温度ta1进行迭代计算。冷却塔的热工计算原理：冷却数=特性数，即同理，也需要假定相应温度迭代计算。表冷器的设计计算：（1）假定出口空气参数，计算需要的接触系数，确定冷却器的排数 假定A点空气状态ta1=18，查得tsa=13.43。根据得=0.522根据附录64可知，在常用的范围内，JW型2排表面冷却器能满足要求，所以决定选择2排。（2）确定表面冷却器的型号先假定一个，算出所需冷却器的迎风面积，再根据选择合适的冷却器型号及并联台数，并算出实际的值。假定=2m/s，根据可得Ay=1.25/(2*1.2)=0.52m2 根据=0.52，查得附录65可以选用JW104型号表面冷却器，其=0.944，所以实际的为 Vy=G/(Ay)=1.25/(0.944*1.2)=1m/s由附录65可知，所需的表冷器 的每排传热面积为=12.15 ，通水截面积为=0.00407（3） 调整出口空气参数查附录6-4知，在=1m/s时，2排JW型表面冷却器实际的=0.590，高于需要的=0.522。为此，适当调整空气终参数，根据实际的计算出新的出口空气温度ta1=17，（4）求传热系数假定流水速率为w=1.2m/s，根据附录63 中的相应公式可以计算出传热系数：=39.3W/(m2)KA=38.3*33.4*2=2.6（5）求冷水量Gwcw=Gaca,得 Gw1=0.3kg/s（6）求表冷器能达到的先求传热单元数及水当量比根据式（6-63）得： 根据式（6-62）得 根据NTU和，计算得：=0.52（7）求水温冷水初温 冷水终温：=21.8（8） 结果验证将计算的结果带入方程,计算出实际的空气出口参数ta1，与假设值比较，经过几次迭代运算，市实际值与理论值相差足够小，得出表冷器空气出口参数ta1=18，two=22，tw=16，表冷器选型JW型2排，KA=2.6。冷却塔的设计计算汽水比 0.5 0.6251出口焓值52.648.246.1平均焓值 46.05 43.8542.8i2-i223.427.829.9i1-i16.56.56.5im-im13.9516.1517.2冷却数N1.0463620.9471550.808952本设计均采用理想状态下进行，采用极限假设。所以表冷器空气进口温度26.4，出口10，水的进口温度为10，出口为26.4。空气比热容为1005J/（kg*K）。空气流量4500kg/h，所以根据热平衡水的流量为299kg/s。假设表冷器有传热温差，tw1=25，tw=16.6。温差8.4。25度时焓值为76kJ/kg干空气，20.8度时焓值,60kJ/kg干空气，16.6度时焓值为46kJ/kg干空气，进口空气焓值39.5 kJ/kg干空气。N=ct6K1i1-i1+4im-im+1i2-i2将不同气水比作图。选择的涂料为d20，Z=10*1000=1000mm的蜂窝式填料。特性曲线相交可得=0.71，Np=0.81，当W=4500kg/h的时候，空气流量为0.71*4500=3195t/h。密度为1.15kg/m3，体积流量=3195*1000/3600/1.15=771m3/s。选取塔内风速2m/s,总面积=771/2=385m2。采用5格9*9m的冷却塔，减去柱子所占的面积，认为平均面积为80m2，总面积400m2。淋水密度4500/400=11.25m3/(m2*h)。第二部分 理论验证（由李昂，袁晨完成）已知条件：室外气象参数（西宁）：夏季空气调节室外计算干球温度tw=26.4夏季空气调节室外计算湿球温度tsw=16.6露点温度td=10.27焓iw=46.34kJ/kg含湿量d=7.76g/kg空气流量Ga=4500kg/h=1.25kg/s用户回水温度tw2=27间接蒸发冷水机组的原理和过程间接蒸发冷水机组原理如图 1所示，其在焓湿图上的过程如图 2所示。状态为O的室外干燥空气进入空气冷却器，被从塔底部流出的冷水等湿冷却到A状态，之后进入塔的尾部喷淋区，和冷水进行充分的热湿交换，之后沿近似等焓的过程到达B，此时状态已接近饱和线，在排风机的作用下，空气进一步沿塔内填料层上升，上升过程与顶部喷淋水逆流接触，沿饱和线升至C后排出。在塔内的热湿交换过程同时产生温度为tw的冷水，一部分进入空气冷却器冷却进风，一部分输出到用户，两部分回水混合到塔顶部分喷淋产生冷水，完成水侧循环。在理想工况下，即各部件的换热面积无限大且各部件风水流量满足匹配时，出水温度可无限接近进风的露点温度。而实际开发的机组，考虑到各部件的效率，实测冷水出水温度低于室外湿球温度，基本处在湿球温度和露点温度的平均值。Gw2Gw1GwGata2ta1表冷器进风O出风CAtwtw1用户tw2图 1间接蒸发制冷装置原理图含湿量温度100%OALBC图 2间接蒸发供冷装置空气处理过程冷水机组数学模型的建立空气冷却器空气冷却器的的能量平衡模型：( 1 )( 2 )( 3 )式中，为修正因数,其大小取决于单排盘管的水侧温升与总的空气水间平均温差之比,这里近似取为0.9。若空气冷却器满足流量匹配，即：( 4 )则有：( 5 )混合过程：( 6 )( 7 )冷却塔冷却塔的能量平衡方程：( 8 )根据Merkel焓差法计算冷却塔的基本方程：( 9 )方程左边称为冷却数，代表冷却负荷的大小：( 10 )方程右边称为特性数，与冷却塔的构造形式有关，由冷却塔的设计部分得到。当水在塔内的温降小于15时，可用两段公式进行简化计算：( 11 )若冷却塔满足流量匹配，即：( 12 )( 13 )将式(1)/(2)/(4)-(8)/(11)-(13)联立，可以解得各未知参数，计算过程和结果如下计算代码：KA=2.6;Ga=1.25;Tw2=27;To=26.4;Cpw=4.19;Cpa=1.005;_混合方程_Tw1*Gw=Tw2*Gw2+Two*Gw1;Gw=Gw1+Gw2;_表冷器方程_Gw1*Cpw*(Two-Tw)=KA*0.9*Tk;Gw1*Cpw*(Two-Tw)=Ga*Cpa*(To-Ta1);Tk=To-Two;流量匹配Gw1*Cpw=Ga*Cpa;_冷却塔方程_Tm=(Tw1+Tw2)/2;实际空气的焓h1=ENTHALPY(AirH2O,T=Ta1,P=101.325,w=0.0078);h2=ENTHALPY(AirH2O,T=Ta2,P=101.325,r=1);hm=(h1+h2)/2;虚构饱和空气焓hmaa=ENTHALPY(AirH2O,P=101.325,T=Tm,r=1);h1aa=ENTHALPY(AirH2O,P=101.325,T=Tw1,r=1);h2aa=ENTHALPY(AirH2O,P=101.325,T=Tw,r=1);冷却塔的冷却数N=Cpw*(Tw1-Tw)*ha/6;N=0.81;ha=1/(h1aa-h1)+4/(hmaa-hm)+1/(h2aa-h2);能量平衡方程Ga*(h2-h1)=Gw*Cpw*(Tw1-Tw);冷却塔流量匹配Ga*Cs=Gw*Cpw;Cs=(h2-h1)/(Ta2-Ta1);计算结果：表 1计算结果汇总表Cpa=1.005 Cpw=4.19 Ga=1.25 Gw=0.5967 Gw1=0.2998 Gw2=0.2968 h1=38.08 h1aa=74.18 h2=59.36 h2aa=38.88 ha=0.1091 hm=48.72 hmaa=79.45 KA=2.6 N=0.81 Ta1=18.24 Ta2=20.58 Tk=4.38 Tm=25.75 To=26.4 Tw=13.86 Tw1=24.5 Tw2=27 Two=22.02 各变量的含义：表 2公式中各变量的物理意义变量单位物理意义变量单位物理意义Gw1kg/s空气冷却器侧的水流量KAkW/传热系数*表冷器换热面积Gw2kg/s用户侧的水流量h1kJ/kg冷却塔空气进口焓Gwkg/s冷却塔侧的冷水流量h2kJ/kg冷却塔空气出口焓Gakg/s空气流量hmkJ/kg冷却塔空气进出口焓的平均值CpwkJ/(kg)水的定压比热Cpw=4.19h1aakJ/kg与水温tw1对应的饱和空气焓CpakJ/(kg)空气的定压比热h2aakJ/kg与水温tw2对应的饱和空气焓CskJ/(kg)空气的当量比热hmaakJ/kg与水温tm对应的饱和空气焓tw冷却塔出口的冷水温度tk空气冷却器传热平均温差two空气冷却器出口水温N冷却数tw1冷却塔喷淋水温ta1冷却塔入口空气温度tw2用户侧出口水温ta2冷却塔出口空气温度to室外空气温度计算结果的理论验证我们采用极限分析法对计算的结果进行验证，即假设传热。传质面积无限大，接触时间足够长的条件下，对理想情况进行分析计算。对于表冷器来说，若空气-水的换热面积为无限大，则表冷器出口的空气温度ta1可以达到表冷器入口的水温tw，即：ta1=tw。因此有two=to=26.4。将式( 1)用上式替代，得到如下结果，如表 3所示。表 3极限情况下的运算结果Cpa=1.005Cpw=4.19Ga=1.25Gw=0.5967Gw1=0.2998Gw2=0.2968h1=31.6h1aa=72.76h2=56.15h2aa=33.76ha=0.09449hm=43.87hmaa=78.7KA=2.6N=0.81Ta1=11.87Ta2=19.63Tk=5.074Tm=25.57To=26.4Tw=11.87Tw1=24.15Tw2=27Two=21.33对于冷却塔来说，若传热传质面积为无限大，水量无限大，且时间足够长，水能被冷却的极限温度是进口空气的湿球温度。由ta1=12，查得进口空气湿球温度tAs=11，与理论计算得到的出口温度存在一定差异，这主要是由于水量有限所导致的。对于实际的机组，由于冷水出水温度在ta1和tAs之间，在空气冷却器效率较高的情况下，不饱和空气A将沿较小幅度的升焓过程被加湿至接近饱和状态。定义蒸发冷却冷水机组的水侧效率：由实际运行机组的数据，查得TAs=13.43，计算出=97%。第三部分 间接蒸发冷水机组影响出水温度的因素和规律（由雷大平，熊丽姗完成）一、 典型月出水温度的计算根据前面的公式计算出典型月不同室外温度to下的出水温度tw，结果如下图 3 一月冷水机组出水温度图 4 七月份冷水机组出水温度二、 影响间接蒸发冷水机组的因素1. 淋水密度淋水密度 qw 定义为沿淋水方向“每m2 填料每s 所通过的水的质量”qw = Qw /F，(1)式中 Qw 为填料的总淋水量，kg /s; F 为填料的淋水面积，m2 ; qw 为淋水密度，kg /( m2s) 淋水密度直接关系到蒸发冷却器的制冷效率 查阅参考文献得知不同淋水密度下填料的热湿交换效率，如表4 所示表 4 不同淋水密度下填料的热湿交换效率淋水密度/kg(m2h)16251250187525003125效率/%50.762.164.062.857.8从表1 可知，在淋水密度过高或者过低，填料的效率都可能降低。由于较小淋水量导致填料不能被完全湿润，填料表面甚至出现干区，因此水与空气不能进行充分的热湿交换，蒸发冷却效率就低当淋水量足以可以使填料表面完全湿润并形成均匀水膜时，继续增大淋水密度对直接蒸发冷却器的效率并无多大改善，甚至降低效率由于进一步加大淋水量提高淋水密度，淋水在填料表面从水膜变为不断滑落的水滴，甚至水对空气流道形成堵塞，形成水桥，增大了空气流过填料时的阻力，甚至可使流过的空气量减少，使得热湿交换更加不充分 由于各种填料不同的性能，使得淋水密度并不是在所有的填料上都是一个定值，要根据所用的填料进行综合考虑2. 室外空气干球温度图 5出水温度随室外空气干球温度的变化关系从图5 中可以看出， 室外空气的干球温度相对升高对该机组制取更低温度的冷水是有利的，原因是蒸发冷却式冷水机组制冷驱动势为室外空气干球温度与露点温度的差值 当室外空气干球温度升高则其驱动势就增大，因此制取的冷水温度相对较低 对于蒸发冷却与机械制冷复合高温冷水机组，当室外空气干球温度过高时，相当于机械制冷段冷凝器的进风温度升高，冷凝器处的换热温差降低，冷凝效率必然降低，从而影响了机械制冷的制冷效率3. 室外空气湿球温度考虑水侧的蒸发冷却，直接蒸发冷却段的水侧效率公式为 = ( Twin Twout) /( Twin Tlim) 100% ( 3)式中 Twin为填料段的进水温度，; Twout为填料段的出水温度，; Tlim为填料段冷却的极限温度等于湿球温度， 图 6 出水温度随室外空气湿球温度的变化关系从图6 中可看出，随着室外空气湿球温度的下降制取的高温冷水温度也降低 由于室外空气湿球温度的降低增加了直接蒸发冷却段的驱动势，喷淋水与空气直接接触进行热湿交换，其温度趋近于空气的湿球温度，因此随着室外空气湿球温度的降低，经过预冷后空气的湿球温度也相对降低，因此与该部分空气进行热湿交换的喷淋水温度将进一步降低4. 进口空气焓值由计算结果可知，随着进口空气焓值的增大，出水温度也随之增大。图 7 进口空气焓值对出水温度影响5. 空气流速表 5 空气流速对蒸发冷却效率的影响空气流速/ms10.81.62.53.34.1效率/%45.655.968.164.860.7由表2看出