基于濕球溫度的板式蒸發(fā)式空冷器模型及數(shù)值求解(1)

1、    基于濕球溫度的板式蒸發(fā)式空冷器模型及數(shù)值求解(1)    根據(jù)熱力學(xué)和傳熱學(xué)理論，建立了板式間接蒸發(fā)式空冷器傳遞過(guò)程的基本微分方程組。引入兩個(gè)基于濕球溫度差的比熱 和對(duì)流換熱系數(shù) 后，推導(dǎo)得到了以空氣濕球溫度為推動(dòng)勢(shì)的等價(jià)微分方程組。應(yīng)用四階-龍格庫(kù)塔法求解并分析了一個(gè)實(shí)例空冷器內(nèi)各流體的溫度分布和熱工性能。該分析模型為進(jìn)一步分析蒸發(fā)式空冷器的熱工性能和設(shè)計(jì)方法提供了理論依據(jù)。 關(guān)鍵詞： 板式蒸發(fā)式空冷器 濕球溫度 分析模型 數(shù)值求解一 引言蒸發(fā)式空冷器利用自然環(huán)境中空氣的干濕球溫差取得冷量來(lái)冷卻高溫流體，

2、其在制冷、化工、冶金電站等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用，蒸發(fā)式空冷器熱工性能的好壞直接影響到系統(tǒng)運(yùn)行的效果。板式間接蒸發(fā)式空冷器(如圖1所示)是蒸發(fā)式空冷器的一種典型形式。蒸發(fā)式空冷器具有耗水量少、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。板式間接蒸發(fā)式空冷器冷卻側(cè)由于傳熱和傳質(zhì)過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，相互耦合，質(zhì)量的傳遞促使熱量的遷移；同時(shí)熱傳遞有強(qiáng)化液膜表面的蒸發(fā)，因此其傳輸機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)間接蒸發(fā)式空冷器進(jìn)行了大量的研究工作。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)看，間接蒸發(fā)式空冷器熱質(zhì)交換的基本理論主是以Merkel方程為基礎(chǔ)，空氣和噴淋水的總熱交換是以焓差為推動(dòng)力。Maclaine-cross和Banks1假設(shè)空氣焓與濕球溫度呈線性關(guān)系，并且忽略

3、水的熱容量以及水膜靜止，從而建立相應(yīng)的間接蒸發(fā)冷卻線性分析模型。Chen等2提出整個(gè)換熱器內(nèi)水膜表面溫度恒定并等于其平均值的近似假設(shè)，雖然模型精度降低，但便于分析計(jì)算。應(yīng)用焓差作為推動(dòng)力的熱濕交換分析方法， Webb等3 4則給出了冷卻塔，蒸發(fā)式冷卻器和蒸發(fā)式冷凝器三種蒸發(fā)冷卻式換熱器的熱工計(jì)算方法。然而由于空氣側(cè)同時(shí)進(jìn)行著傳熱和傳質(zhì)過(guò)程，以及濕空氣飽和蒸汽壓和溫度之間的非線性關(guān)系使間接蒸發(fā)式空冷器熱工性能分析更加復(fù)雜。以溫差為推動(dòng)勢(shì)的空氣-空氣換熱器的熱工性能分析和設(shè)計(jì)方法都不能直接應(yīng)用于間接蒸發(fā)空冷器。作者從質(zhì)量和能量守恒出發(fā)，假設(shè)空氣焓與濕球溫度呈線性關(guān)系，推導(dǎo)出以空氣濕球溫度差為推動(dòng)勢(shì)

4、間接蒸發(fā)式空冷器的分析模型，該模型的基本微分方程組的形式與以溫差為推動(dòng)勢(shì)的空氣-空氣換熱器的一致。并用四階-龍格庫(kù)塔法求解了一個(gè)實(shí)例的各流體的溫度分布和熱工性能。二 板式蒸發(fā)式空冷器傳遞過(guò)程的基本方程組本文以逆流（熱流體與噴淋水）板式間接蒸發(fā)式空冷器為研究對(duì)象。物理模型示意如圖2所示。數(shù)學(xué)模型做了如下假設(shè)：1. 空冷器內(nèi)傳熱傳質(zhì)過(guò)程處于穩(wěn)態(tài)，忽略外殼的散熱損失。2. 各流體熱物性為常數(shù)。流體的狀態(tài)參數(shù)僅沿流動(dòng)方向變化。3. 水膜均勻分布，忽略水膜波動(dòng)和水膜厚度對(duì)傳熱和流動(dòng)的影響，忽略水膜的蒸發(fā)損失；水膜在傳熱壁面上完全潤(rùn)濕。4. 忽略空氣中離散水珠對(duì)傳熱傳質(zhì)的影響。5. 濕空氣的傳熱傳質(zhì)過(guò)程符

5、合劉易斯關(guān)系式，即。6. 濕空氣飽和蒸汽壓與濕球溫度呈線性關(guān)系。取微元體Bdz進(jìn)行傳熱傳質(zhì)分析。因此，熱流體側(cè)的能量守恒方程為：（1）其中，為熱流體側(cè)與水膜之間的傳熱系數(shù)，為熱流體側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)，為壁面熱阻，空氣側(cè)壁面的污垢熱阻，為壁面與水膜之間的對(duì)流換熱系數(shù)。因?yàn)樗ず鼙?，可認(rèn)為氣液界面的濕空氣的飽和溫度等于水膜的溫度，則空氣側(cè)水蒸氣的質(zhì)量守恒方程為：（2） 其中為空氣側(cè)的傳質(zhì)系數(shù)，為水膜溫度所對(duì)應(yīng)的飽和含濕量?？諝鈧?cè)的能量守恒方程為：（3） 其中為水膜溫度所對(duì)應(yīng)的汽化潛熱，為空氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)。把式和式（2）代入式（3）并化簡(jiǎn)得到：（4） 因?yàn)?，因此式?）可化簡(jiǎn)為：（5） 從式（5）

6、可得到，空氣的干球溫度變化主取決于空氣和水膜之間的顯熱交換，而潛熱交換對(duì)空氣干球溫度的變化幾乎可以忽略。由于本文忽略水膜的蒸發(fā)損失，所以可認(rèn)為基本不變，所以水膜的能量守恒方程為：（6） 綜上，根據(jù)質(zhì)量和能量守恒導(dǎo)出的板式間接蒸發(fā)空冷器的基本微分方程組由式（1）、（2）、（5）、（6）組成。方程組的未知量有，而方程只有四個(gè)不封閉，所以還需補(bǔ)充條件。    三 基于濕球溫度差的傳遞過(guò)程的基本方程組推導(dǎo)根據(jù)假設(shè)，濕空氣飽和蒸汽壓與濕球溫度在一定的溫度范圍內(nèi)成線性關(guān)系，因此飽和空氣含濕量可表示為，則： ， 所以飽和線斜率：由于，所以可得：=上式可重組得到：（7）

7、 把式（7）微分，并把式（2）、式（5）和式（7）代入式（8），并進(jìn)一步化簡(jiǎn)得到：（8） 以蒸發(fā)式空冷器空氣進(jìn)口的干濕球溫度為邊界條件，對(duì)式（8）積分得到：（9） 式（9）表明空氣的干濕球溫度差隨離入口的距離成指數(shù)規(guī)律衰減。引入兩個(gè)以濕球溫度差為推動(dòng)勢(shì)的比熱和對(duì)流換熱系數(shù)5： 和則根據(jù)假設(shè)和上述定義式可推導(dǎo)得到：（10）= （11）由式（8）減去式（5）得到： （12） 把式（10）和式（11）代入式（12）得到：（13） 同理把式（10）和式（11）代入式（6）并進(jìn)一步化簡(jiǎn)可得到：（15）綜上，可得到板式間接蒸發(fā)式空冷器以空氣濕球溫度差作為推動(dòng)勢(shì)的傳遞過(guò)程的基本微分方程組由式（1）、（13）

8、和（15）組成。根據(jù)已知條件和邊界條件，聯(lián)立方程組（1）、（9）、（13）、（15）可解出熱流體、水膜和空氣干濕球溫度沿流動(dòng)方向的分布。            摘 根據(jù)熱力學(xué)和傳熱學(xué)理論，建立了板式間接蒸發(fā)式空冷器傳遞過(guò)程的基本微分方程組。引入兩個(gè)基于濕球溫度         本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原作者，請(qǐng)不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參

9、考學(xué)習(xí)之用，否者后果自負(fù)，如果此文侵犯您的合法權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系我們。四 實(shí)例計(jì)算和分析已知板式間接蒸發(fā)式空冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)：L×B×H為1.2m×1m×1m，熱流體通道寬度為3mm,空氣通道寬度為4mm。熱流體（為熱空氣）進(jìn)口溫度70，熱流體質(zhì)量流量0.8kg/s，冷卻側(cè)空氣進(jìn)口干球溫度為32，進(jìn)口濕球溫度為24，空氣質(zhì)量流量0.8kg,干空氣/s。循環(huán)水噴淋溫度為35, 循環(huán)水質(zhì)量流量1.2 kg/s。熱流體側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)以及空氣側(cè)傳熱傳質(zhì)系數(shù)和計(jì)算方法參考文獻(xiàn)2，壁面與水膜之間的對(duì)流換熱系數(shù)參考文獻(xiàn)6，忽略壁面熱阻和污垢熱阻。2K。 用四階-龍格庫(kù)塔法求解

10、方程組（16），解得熱流體的溫度分布如圖3所示，水膜和空氣干濕球溫度沿流動(dòng)方向的分布如圖4所示?？諝飧汕驕囟鹊纳仙魇怯捎谘h(huán)水溫高于空氣干球溫度導(dǎo)致的顯熱交換；而空氣濕球溫度的上升主是由于空氣與水膜之間的熱質(zhì)交換導(dǎo)致了空氣焓增加。根據(jù)蒸發(fā)式空冷器效率的定義，根據(jù)計(jì)算結(jié)果求得該蒸發(fā)式空冷器效率為59.8%。    圖3 熱流體溫度分布 圖4 水膜和空氣干濕球溫度分布    五 結(jié)論根據(jù)熱力學(xué)和傳熱學(xué)理論，本文建立了板式間接蒸發(fā)式空冷器傳遞過(guò)程的基本微分方程組。引入兩個(gè)基于濕球溫度差的比熱和對(duì)流換熱系數(shù)后，推導(dǎo)得到了

11、以空氣濕球溫度為推動(dòng)勢(shì)的等價(jià)微分方程組（16）。該方程組與空氣-空氣換熱器的基本方程組一致，所以該分析模型為進(jìn)一步分析蒸發(fā)式空冷器的熱工性能和設(shè)計(jì)方法提供了理論依據(jù)。本文用四階-龍格庫(kù)塔法求解并分析了一個(gè)實(shí)例空冷器內(nèi)各流體的溫度分布和熱工性能。參考文獻(xiàn)1 Maclaine-cross I. L., Banks P. J. A general theory of wet surface heat exchangers and its application to regenerative evaporative cooling. Journal of Heat Transfer. 1991, 1

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