管式间接蒸发冷却器增强传热的研究

1、管式间接蒸发冷却器增强传热的研究valueengineering?29?管式间接蒸发冷却器增强传热的研究researchofheattransferenhancementoftubularindirectevaporativecooler(tiec)樊丽娟fanlijuan;黄翔huangxiang(西安航空技术高等专科学校,西安710077;西安工程大学,环境与化学工程学院,西安710048)(xianaerotechnicalcollege,xian710077,china;()collegeofenvironmentandchemistryengineering,xianpolytech

2、nicuniversity,xvan710048,china)摘要:本文结合间接蒸发冷却技术和强化传热技术,分析了几种增强管式间接蒸发冷却器传热的行之有效的方法.包括采用优质管材,对换热管外壁进行特殊结构处理,在换热管外涂敷亲水性涂层,设计合理的布水系统和在喷淋水中添加润湿剂.abstract:basedonindirectevaporativecoolingandheattransferenhancementtechnology,severaleffectivemethodsofenhancementofheattransfer0ftiecwereresearchedintensively.

3、theseconcretemeasuresincludthatselectingbettertubemateria1.specialtreatmentofheatexchangingtube.coatinghydrophilicmembraneonaluminumfoilsufface,designingreasonableinfluentdistributionsystemandaddingwettingagentinspraywater.关键词:管式间接蒸发冷却器;强化传热传质;亲水铝箔;多孔陶瓷keywords:tubularindirectevaporativecooler(tiec)

4、:enhancementofheatandmasstransfer;hydrophiliealuminumfoil;porousceramics中图分类号:th69文献标识码:a文章编号:100643l1(2011)11-0029020引言随着全球能源和环境危机的凸显,节能减排日益成为各国能源与环境战略制定和能源相关行业研发应用的重要考虑因素.换热器强化传热作为有效的节能措施也逐渐成为一个热点研究领域.因此如何在现有的设备上,增强传热,节能降耗,是摆在我们面前的一个重要课题.本文结合间接蒸发冷却技术和强化传热技术,分析了几种增强管式间接蒸发冷却器传热的行之有效的方法.1管式间接蒸发冷却器理论1

5、.1管式间接蒸发冷却器简介间接蒸发冷却技术是20世纪30年代发展起来的一种空调制冷技术,它能从自然环境中获取冷量,其制冷的cop值很高,现场实测和实验结果表明,与一般常规制冷机械相比,在炎热干燥地区可节能80%90%,在炎热潮湿地区可节能20%25%,在中间地区可节能40%.总体上来说cop可提高2.55倍,从而可以大大减低空调制冷能耗.间接蒸发冷却空气处理流程及id图如图1所示.间接蒸发冷却器的核心是空气一空气换热器.空气通过空气一空气换热器被冷却,之所以称之为间接蒸发冷却器,是因为两部分空气不直接接触.通常称被冷却的干侧空气为一次空气,而蒸发冷却发生的湿侧空气称为二次空气.通过喷循环水,二

6、次空气侧的元件表面形成一层水膜,水膜的蒸发通过吸收热量来完成,使水膜温度维持在接近二次空气的湿球温度,一次空气通过换热元件,水膜,把热量传送给二次空气,从而达到降温目的,在此过程中,二次空气侧的情况和直接蒸发冷却相同,一次空气温度降低,其含湿量保持不变12.次空气(0a)啼图1间接蒸发冷却器中空气处理流程及i-d图管式间接蒸发冷却器换热管管外容易形成稳定的水膜,所以能实现相对比较均匀的布水效果,在二次空气横向掠过换热管管外时,有利于蒸发冷却的进行.而且管式间接蒸发冷却器的流道较宽,不会出现随系统运行时间的增加而堵塞换热器流道的现象,所以流基金项目:西安航空技术高等专科学校校级青年基金项目(10

7、xq3).作者简介:樊丽娟(1983一),女,河北石家庄人,硕士研究生,西安航空技术高等专科学校助教,研究方向为空调与制冷技术.道内流体的流动阻力小,能够使换热器保持稳定的换热效率.并且管式间接蒸发冷却器的单位体积成本较低,且加工工艺简单13-51.管式间接蒸发冷却器结构如图2所示.次空气二次空气图2管式间接蒸发冷却器结构简图目前,常用的管式间接蒸发冷却器的管子断面形状有圆形和椭圆形(异型管)两种.所采用的材料有聚氯乙烯等高分子材料和铝箔等金属材料.管外包覆有吸水性纤维材料,使管外侧保持一定的水分,以增强蒸发冷却的效果.这层吸水性纤外套对管式间接蒸发冷却器的冷却效果影响很大.喷淋在蒸发冷却管束

8、外表面的循环水,是通过上部布水系统来实现的.1_2存在问题分析管式间接蒸发冷却器有许多难能可贵的优点,但是,它也存在着先天的不足,即在处理同样风量的空气时,效率没有板翅式那么高,体积大.因此,急需开发出一种适合于我国国情的低能耗,结构紧凑,高效率的管式间接蒸发冷却器.造成管式间接蒸发冷却器换热效率低的主要原因是因为管式间接蒸发冷却器中的换热管换热性能低以及管内一次空气与管外二次空气,水膜之间的换热不充分.管式间接蒸发冷却器二次空气侧实现的是水与空气直接接触,空气等焓冷却过程.根据蒸发冷却原理,水的蒸发是冷却降温的前提.如果二次空气侧水与空气间的换热不充分,那么水的温度就不会降到很低,而水的温降

9、直接影响到一次空气的温降.也就是说,二次空气侧的传热效果直接影响到一次空气的温降,也将决定了换热器的效率.所以,设法提高二次空气侧空气与水的传热,就能提高管式间接蒸发冷却器的效率.2强化传热技术理论强化传热是20世纪60年代发展起来的一种改善传热性能的技术,被誉为第二代传热技术.它可以减小传热面积,从而降低换热器的体积和重量;提高现有换热器的传热能力,使换热器能在较低温差下工作;能够减小换热器的阻力,可使流体边界层减薄,使流体紊乱程度加强,从而提高换热器的传热与流阻性能.强化传热技术以选择了一套szz一960/375中双链刮板转载机.见图3皮带道运输设备布置示意图所示.4结束语开滦集团唐山矿业

10、分公司t1492综放工作面大倾角回采过程中经过变化回采工艺采用单向割煤,进而处理了采煤机不能装煤的难题,基于液压支架抬脚缸在移溜缸上添加的力处理了前部刮板输送机容易翻转的困难,经过设计,安装一些装置,例如:盘型液压闸,软制动等,有效的解决了大倾角长皮带下山运输的问题.目前,本工作面日产能够达到七干吨,年产预算能够达到二百二十万吨,已经是唐山矿业公司主力工作面.?30?价值工程的应用不但节能环保,而且节约了投资和运营成本.因而在能源问题日趋严重的今天,强化传热技术显得十分重要.根据传热学的基本公式:q=kf&t.可知增强传热有3条途径:加大换热器的换热面积f;加大对数平均温差值t;提高换

11、热器的传热系数k.2.1增大传热面积f扩展传热面积是增加传热效果现在使用最多的方法,是通过合理地提高设备单位体积的传热面积来达到增强传热效果的目的,如在换热器上大量使用单位体积传热面积比较大的翅片管,波纹管,板翅传热面等材料,通过这些材料的使用,单台设备的单位体积的传热面积会明显提高,充分达到换热设备高效,紧凑的目的.2.2增加对数平均温差加大换热器传热温差t是加强换热器换热效果常用的措施之一.依靠增加换热器传热温差t只能有限度的提高换热器换热效果,使用过程中应该考虑到实际工艺或设备条件上是否允许.2.3提高传热系数k传热系数k值与管内外换热系数j(0【n),管内外污垢系数e(f0),换热管直

12、径,壁厚,材料有关,而主要因素取决于仅,.,i:o,ri,即提高管内外换热系数d(),降低管内外污垢系数l(r0o提高和.可以从流体的流动状态入手:一是适当增加流体的流速:二是设计适当的截面状态,实现湍流和程度较高的紊流,使流体不断冲击破坏边界层.降低r,和r0可以从减少管内外结垢入手.因为在换热器的运行中由于温度及其他条件的变化,流体中的一些污垢会增大换热器的总热阻.降低热阻需从以下几个方面考虑:适当提高流速,改变流动路径形状,选不易腐蚀的光滑材料.3管式间接蒸发冷却器增强传热方法基于以上间接蒸发冷却技术及强化传热技术理论,介绍几种可行的增强管式间接蒸发冷却器传热的方法.3.1选用优质管材可

13、以选用亲水铝箔或多孔陶瓷等优质材料作为管式间接蒸发冷却器换热管的管材.与普通铝箔相比,水滴在亲水铝箔表面的接触角很小,可以形成均匀水膜,从而增大了蒸发表面,促进了蒸发传热.因此使用亲水铝箔的换热器,不仅能大大提高热交换效率,减少空调器体积,而且可以节省能源,延长空调器的使用寿命.多孑l陶瓷最大的结构特征就是多孔性,多孔陶瓷的孔结构特征与陶瓷本身的优异性能结合,使其具有均匀的透过性,发达的比表面积,低密度,低热导率,低热容以及优良的耐高温,耐磨损,耐气候性,抗腐蚀性和良好的刚度,一定的机械强度等特性.由于具有这些优良特性,多孔陶瓷可以作为蒸发冷却的一种可用材料.3.2对换热管外壁进行特殊处理3.

14、2.1灯芯效应传统金属热交换器主要有铝,铜或它们的合金制成,形状可以是板式和管式.这种表面有相对很小的毛细作用,很难保持住水分进行蒸发冷却作用.为了提高表面的毛细作用,可以考虑在板或管的一面用多孔材料代替光滑的表面.这时就要考虑一些多孔结构的金属,也就是具有灯芯结构的金属,金属泡沫或金属绒.灯芯效应可能是以下结构中的一种,例如烧结点,微孔,网眼,凹槽或须状,把它们制成管/板式保存蒸发的水分.依靠灯芯的结构,密度和外形,它的孔隙度在20%90%范围内变化.3.2.2异型管管式换热器强化传热通常可以对光管进行加工得到各种结构的异形管,如波纹管,螺纹管,螺旋槽纹管,横槽纹管,翅片管,针翅管,多孔表面

15、管等,通过这些异形管进行强化传热,提高工作效率,达到节能减排效果.3.2.3管外包覆材料在管式间接蒸发冷却器管外包覆吸水性材料的目的是在换热器管外表面形成均匀的水膜,增加水与换热器的接触面积和接触时间,以此达到强化管外的水,二次空气与管内的一次空气之间的换热,从而提高蒸发冷却器的传热传质效果.通过比较可知,不锈钢网状结构材料,金属纤维织物和丙纶纤维织物是很好的包覆材料,非常适于包覆在管式间接蒸发冷却器的换热管外来增强其传热传质.3.3亲水性涂层处理当前国际上提高金属或塑料管换热器热质交换效率的最佳途径是采用超亲水表面材料17.这是当前国际上最新的提高换热管效率的一种方法,是国际上最前沿最推崇的

16、一种方法.实际工程中,管式间接蒸发冷却器的换热管的管材普遍为金属铝箔,铝箔是非亲水性表面,水在换热管表面不能均匀分布,存在干斑,从而使蒸发效率降低,降温效果很差.可见,换热管的亲水性能和管表面的水膜分布情况是强化传热的核心问题.也就是说,换热管的亲水性做好了,水膜能在管外均匀分布了,那么管式间接蒸发冷却器的效率就提高了.图3是亲水性表面处理前后光管上的液体流动外形图.可见,因为在水与管之间无湿润表面性能,所以液体在未经处理的管外壁形成分散的静止液滴,但是液体在经过亲水性处理的管外壁形成薄的液膜,可以促进蒸发传热陶.(a)未经处理管子表面b)亲水性处理后管子表面图3液体流动外形对比实验表明,对换

17、热表面进行亲水涂层处理,能有效减少凝结水形成的液滴,液膜,液桥对换热的影响.进行亲水处理过的翅片,风压损失可减少40%一50%,风量增加5%10%,换热量增加5%一10%.3.4设计合理布水系统为了提高间接蒸发冷却器的布水均匀性,进而增强换热管外水膜与二次空气之间的传热传质,西安工程大学黄翔教授进行了深入与细致的研究.西安工程大学硕士研究生嵇伏耀提出间歇性供水的概念.通过实验证明间接蒸发冷却器的淋水方式对出口温度有定的影响,间歇性供水比持续性供水的一次空气出口温度降低0.51.2.西安工程大学硕士研究生周斌提出了间接蒸发冷却器二次布水的概念,并且用多层金属网格实现.通过对布水器加装二次布水网格

18、等优化措施,达到了改进布水器均匀布水效果的目的.实验测定表明,加装二次布水网格后,010管径的管式间接蒸发冷却器的冷却效率提高了5%左右,020管径的管式间接蒸发冷却器的冷却效率提高了10%左右.一般而言,管径越大,则换热器效率越低,但在加装二次布水网格后.3.5喷淋水中添加润湿剂在喷淋水中添加润湿剂,再循环喷淋到换热管上,可以降低喷淋水表面张力,在管外形成均匀水膜.表面活性剂可以有效地降低水的表面张力,故常作为润湿剂加到水中以改善其润湿能力.显然,应该选择降低水表面张力能力最强的,效率最高的表面活性剂,也就是一和emc最低的表面活性剂,作为润湿剂19.4结束语本文结合间接蒸发冷却技术和强化传热技术,分析了几种增强管式间接蒸发冷却器传热的行之有效的方法.采用优质管材,对换热管外壁进行特殊结构处理,在换热管外涂敷亲水性涂层,设计合理的布水系统和在喷淋水中添加润湿剂,是几种行之有效的增强管式间接蒸发冷却系统中换热管传热的措施.管式间接蒸发冷却器的管外强化传热的研究,完善了蒸发冷却技术的理论,为开发和研究低能耗,高效率的管式间接蒸发冷