板式蒸發(fā)式熱水器性能研究

板式蒸發(fā)式熱水器性能研究

蒸發(fā)式換熱器是一種高效的換熱設(shè)備。它具有節(jié)水、節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于民用建筑、工業(yè)建筑、食品、制藥、化工等領(lǐng)域。國內(nèi)外學(xué)者對蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)行了大量研究。傳統(tǒng)的管式蒸發(fā)式冷凝器存在布水不均、結(jié)垢難以清理等問題。AlaHasan等對比了圓管和橢圓管蒸發(fā)式冷卻器的性能,在相同的工況下,橢圓管蒸發(fā)式冷卻器可將噴淋水的阻力降低50%以上,但換熱性能也下降了10%。李志明等人提出了板式換熱管片及以此為基礎(chǔ)的蒸發(fā)式冷凝空調(diào)機(jī)組,利用平面液膜蒸發(fā)式冷凝技術(shù),采用金屬板片作為基本蒸發(fā)換熱單元,具備空氣阻力小,布水均勻,換熱效率高,易于維修保養(yǎng)等優(yōu)勢,并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。目前,關(guān)于板式蒸發(fā)式冷凝器的研究報(bào)道較少,且多為實(shí)驗(yàn)研究。李元希等就空氣相對濕度和濕球溫度對板式蒸發(fā)式冷凝器性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,并通過對比實(shí)驗(yàn)表明,在38℃的冷凝溫度下,板式蒸發(fā)式冷凝器的熱流密度比管式蒸發(fā)式冷凝器大30.5%。鐘振興等人通過實(shí)驗(yàn)的方法說明板式蒸發(fā)式冷凝器在汽液并流時(shí)性能最好、逆流次之、叉流最差。李元希、黃河等通過實(shí)驗(yàn)說明在一定的板片結(jié)構(gòu)下,存在最佳的入口風(fēng)速和噴淋密度,并擬合出水膜與空氣之間的傳質(zhì)系數(shù)關(guān)系式。吳治將等基于VOF算法,建模考察了空氣流向及板片結(jié)構(gòu)對水膜流動(dòng)的影響,結(jié)果表明空氣與水膜順流流動(dòng)時(shí),水膜厚度被削薄,有利于強(qiáng)化換熱。但文獻(xiàn)的研究未涉及制冷劑、冷卻水與空氣之間的傳熱傳質(zhì)機(jī)理。建立板式蒸發(fā)式冷凝器傳熱傳質(zhì)的數(shù)學(xué)模型,通過數(shù)值模擬的方法,分析換熱器內(nèi)流體的參數(shù)分布,以及流體入口狀態(tài)對換熱性能的影響,為板式蒸發(fā)式冷凝器及其冷水機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。1模型的構(gòu)建1.1制冷劑支管吸收板片板式蒸發(fā)式冷凝器中發(fā)生的是制冷劑,空氣和水的三元流動(dòng)傳熱傳質(zhì)過程,如圖1所示。制冷劑蒸氣從頂部的制冷劑支管進(jìn)入板片中間的狹長通道,沿著板片內(nèi)部路徑,繞開焊接點(diǎn),蜿蜒向下流動(dòng),并逐漸被冷凝為過冷液體從板片底部匯入下集管。噴淋水從上部的布水盤流下,順著板片從兩側(cè)向下垂直降膜流,不斷吸收板片壁面來自內(nèi)部制冷劑的熱量;同時(shí),空氣從側(cè)面掠過平板兩側(cè)表面,與噴淋水發(fā)生傳熱傳質(zhì),帶走噴淋水的熱量。1.2簡化傳熱傳質(zhì)過程板式蒸發(fā)式冷凝器可抽象成如圖2所示的物理模型,空氣的流動(dòng)方向平行于x軸,制冷劑和水的流動(dòng)方向平行于z軸,板片的疊放方向?yàn)閥軸。這里近似認(rèn)為制冷劑、水和空氣三種流體在y軸方向上狀態(tài)不發(fā)生變化,取單個(gè)板片進(jìn)行分析,將傳熱傳質(zhì)過程簡化成二維問題。建立數(shù)學(xué)模型過程中,采用了如下假設(shè):1)傳熱傳質(zhì)過程在穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行;2)忽略液膜熱阻;3)制冷劑、空氣和冷卻水流動(dòng)均勻;4)氣—液界面處的空氣和冷卻水處于平衡狀態(tài);5)忽略冷卻水流量沿流動(dòng)方向的變化。冷卻水在豎直方向流動(dòng)過程中與空氣發(fā)生質(zhì)量傳遞,質(zhì)量流量發(fā)生變化,但單次循環(huán)的變化值很小,并且冷卻水與空氣之間傳熱的驅(qū)動(dòng)力為二者的溫差,傳質(zhì)的驅(qū)動(dòng)力為含濕量差,而冷卻水表面飽和空氣的含濕量由冷卻水溫度決定,即冷卻水溫度是冷卻水與空氣之間的熱質(zhì)交換的主要影響因素,而冷卻水流量的影響則不大,可以忽略。根據(jù)能量守恒定律、質(zhì)量守恒定律和傳熱傳質(zhì)方程式,推導(dǎo)出板式蒸發(fā)式冷凝器傳熱傳質(zhì)計(jì)算的微分方程組。1板片的能量守恒方程根據(jù)能量守恒定律,控制體內(nèi)制冷劑、冷卻水和空氣三種流體的能量變化之和為零,即能量守恒方程:式中:L,H為板片的長度、高度,m;mw,ma,mr為單個(gè)板片上水、干空氣、制冷劑的質(zhì)量流量,kg/s;hw,hr為水、制冷劑的比焓,J/kg;ha為空氣的比焓,J/kg干空氣。2空氣與冷卻水的傳熱傳質(zhì)面積計(jì)算根據(jù)質(zhì)量守恒定律,空氣含濕量的變化等于冷卻水質(zhì)量的變化,即質(zhì)量守恒方程:式中:da為空氣含濕量,kg水蒸汽/kg干空氣。式中:dw為水膜表面飽和空氣的含濕量,kg水蒸汽/kg干空氣;Fw,a為單個(gè)板片上空氣與冷卻水的傳熱傳質(zhì)面積,m2。式中:βw為由于水膜波動(dòng)及水滴飛濺造成的面積修正系數(shù),取1.5;F為單個(gè)板片的外表面積,m2。kam為空氣與冷卻水的傳質(zhì)系數(shù),kg/(m2.s),按照下式計(jì)算:式中:D為水蒸氣和空氣的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù),m2/s;ρa(bǔ)為空氣密度,kg/m3;4制冷劑側(cè)換熱系數(shù)kr蒸發(fā)式冷凝器運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,冷卻水進(jìn)口溫度與出口溫度相同?？烧J(rèn)為冷卻水的汽化潛熱全部隨水蒸氣進(jìn)入空氣。空氣與冷卻水的熱量傳遞方程為:式中:tw,ta為冷卻水、空氣的溫度,℃;rw為水的汽化潛熱,J/kg。式中:cpa為空氣的比熱容,J/(kg.℃)。制冷劑與冷卻水的熱量傳遞方程為:式中:tr為制冷劑的溫度,℃;Fr,w為單個(gè)板片上制冷劑與冷卻水換熱面積,m2;kr,w為制冷劑與冷卻水的換熱系數(shù),W/(m2.℃)。式中:δwall為板片厚度,m;λwall為板片導(dǎo)熱系數(shù),W/(m.℃)。制冷劑側(cè)換熱系數(shù)kr由下式計(jì)算:式中:λr為液態(tài)制冷劑的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m.℃);μr為液態(tài)制冷劑的動(dòng)力粘度,Pa.s;ρr為液態(tài)制冷劑的密度,kg/m3;ts為制冷劑飽和溫度,℃;twall為壁面溫度,℃。冷卻水側(cè)換熱系數(shù)kw由下式計(jì)算:式中:kw,kw1,kw2為分別為全局,進(jìn)口段和發(fā)展段的換熱系數(shù),W/(m2.℃);H1,H2分別為液膜流動(dòng)進(jìn)口段和發(fā)展段的長度,m。進(jìn)口段長度可按下式計(jì)算:式中:Γ為單位濕周長度的冷卻水流量,kg/(m·h);m為流過單面板片的冷卻水流量,kg/h;B為豎直壁寬度,m。發(fā)展段的長度即為豎直壁總長度與進(jìn)口段長度之差進(jìn)口段的平均換熱系數(shù)為:發(fā)展段的平均換熱系數(shù)與降膜雷諾數(shù)有關(guān):式中:Prw為水的普朗特?cái)?shù);λw為水的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);μw為水的動(dòng)力粘度,Pa.s;νw為水的運(yùn)動(dòng)粘度,m2/s;cpw為水的定壓比熱,J/(kg.℃);Reu為完全層流的界限雷諾數(shù);δ為水膜厚度,m。62燃料和水的熱量傳輸7板式蒸發(fā)式冷凝器模型根據(jù)文獻(xiàn)給出的最小噴淋速率計(jì)算公式,反算得到液體沿垂直平面膜狀流動(dòng)的最小液膜厚度為δmin=0.16mm,當(dāng)δ<0.16mm時(shí),冷凝器板片無法完全潤濕。定義潤濕比:未潤濕的板片與空氣直接換熱,換熱方程為:式中:F為板片外表面積,m2;kr,a為制冷劑與空氣的換熱系數(shù),W/(m2·℃)。板片和空氣之間的換熱系數(shù)ka由下式計(jì)算:式中:λa為空氣的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);Rea為空氣雷諾數(shù);Pra為空氣普朗特?cái)?shù)。方程(3)、(8)、(10)、(21)和(23)為控制方程?？諝鉅顟B(tài)參數(shù)的由方程(8)和(23)根據(jù)潤濕比加權(quán)平均確定。在分析板式蒸發(fā)式冷凝器的傳熱傳質(zhì)特性時(shí),制冷劑、冷卻水和空氣的流量及入口參數(shù)是已知的初始條件,傳熱傳質(zhì)過程中的制冷劑溫度、制冷劑焓值、冷卻水溫度、冷卻水焓值、冷卻水表面飽和空氣含濕量以及空氣的溫度、含濕量和焓值均為未知。其中,制冷劑焓值與溫度的關(guān)系可由制冷劑物性方程求出;冷卻水的焓值及表面飽和空氣含濕量由冷卻水溫度確定;空氣的溫度、含濕量和焓值互不獨(dú)立,根據(jù)任意兩個(gè)參數(shù)可計(jì)算得到另外的參數(shù)。因此,四個(gè)方程有四個(gè)未知量,即制冷劑出口溫度、冷卻水溫度、空氣出口溫度和焓值。方程組封閉,可以求解。對板式蒸發(fā)式冷凝器模型劃分網(wǎng)格,如圖3所示,用平行于坐標(biāo)軸的網(wǎng)格線將冷凝器沿x軸和z軸方向劃成m等分和n等分,網(wǎng)格線的交點(diǎn)為節(jié)點(diǎn),用(i,j)標(biāo)示,其中0≤i≤n,0≤j≤m。對方程(3)、(8)、(10)、(21)和(23)采用差分方法離散化處理,建立離散方程組如下:1.3狀態(tài)參數(shù)的計(jì)算式(26)~(30)是描述板式蒸發(fā)式冷凝器傳熱、傳質(zhì)過程的離散方程組。該方程組的求解步驟如下:1)確定板式蒸發(fā)式冷凝器的結(jié)構(gòu)尺寸;2)已知z=0平面上制冷劑與水的狀態(tài)參數(shù)和節(jié)點(diǎn)(0,0)處空氣的狀態(tài)參數(shù),可以求出每一個(gè)節(jié)點(diǎn)(1,j),即z=1平面上制冷劑與水的狀態(tài)參數(shù);3)已知x=0平面上空氣的狀態(tài)參數(shù)和節(jié)點(diǎn)(0,0)處制冷劑與水的狀態(tài)參數(shù),可以求出每一個(gè)節(jié)點(diǎn)(i,1),即x=1平面上空氣的狀態(tài)參數(shù);4)以上一步的計(jì)算結(jié)果為條件,重復(fù)步驟2)和3),即可得到板式蒸發(fā)式冷凝器中制冷劑、水和空氣的分布參數(shù),以及各流體的出口狀態(tài)。1.4模擬結(jié)果對比選取如表1所示的工況點(diǎn),將前述模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。冷卻水溫度、制冷劑出口溫度及換熱量的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比見表2。由表2可見,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差不超過10%,吻合較好,說明建立的數(shù)學(xué)模型能夠較準(zhǔn)確地描述板式蒸發(fā)式冷凝器的傳熱傳質(zhì)過程。2結(jié)果和分析2.1設(shè)計(jì)工況及密度板式蒸發(fā)式冷凝器由40片長550mm、高625mm的板片并聯(lián)構(gòu)成,板間距20mm,冷卻水循環(huán)噴淋。設(shè)計(jì)工況見表3。其中,空氣質(zhì)量流速為空氣流向上單位截面積的流量;冷卻水噴淋密度為冷卻水噴淋方向上單位截面積的質(zhì)量流量。以表3的工況作為模型的輸入?yún)?shù),進(jìn)行數(shù)值計(jì)算可得到板式蒸發(fā)式冷凝器內(nèi)流體參數(shù)的二維分布。2.2結(jié)果分析1空氣溫度和含濕量分布冷卻水的溫度分布由冷卻水與制冷劑的顯熱交換及冷卻水與空氣的全熱交換決定。由圖4可見,冷卻水溫在豎直方向上先上升再下降,最高溫度為38.9℃,出現(xiàn)在距頂端約1/3壁高處的空氣出口側(cè)。冷卻水溫上升段主要受制冷劑放熱影響,在水平方向差別不大,冷卻水溫下降段制冷劑處于兩相區(qū),溫度保持在冷凝溫度不變,冷卻水溫受側(cè)流的空氣影響,水平方向上差別明顯。由于冷卻水循環(huán)噴淋,故冷凝器頂端和底端的冷卻水溫相同,循環(huán)水溫為32.6℃?？諝獾臏囟确植加衫鋮s水與空氣的顯熱交換決定。由圖5可見,在板片的頂端與底端,空氣溫度在水平方向逐漸下降;在板片中部,空氣溫度在水平方向逐漸上升?？諝獬隹诘钠骄鶞囟葹?5.4℃。對照圖4和圖5可見,空氣的溫度分布與冷卻水的溫度分布密切相關(guān)?？諝獾暮瑵窳糠植加衫鋮s水與空氣的潛熱交換決定。由圖6可見,空氣的含濕量沿水平方向逐漸增大。在距頂端約1/3壁高處附近,空氣含濕量的變化趨勢尤為顯著。這是由于在該處冷卻水溫度高,冷卻水表面飽和空氣與主流空氣的水蒸氣分壓力差較大,潛熱交換劇烈的緣故。2冷卻水噴淋密度在了解了板式蒸發(fā)式冷凝器工作時(shí)流體的參數(shù)分布后,改變冷卻水和空氣的流速和溫度,分析流體進(jìn)口狀態(tài)對換熱效果的影響。參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍見表4。每個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí),其他參數(shù)保持在設(shè)計(jì)工況不變。計(jì)算結(jié)果如圖7~10所示。圖7和圖8是板式蒸發(fā)式冷凝器的熱流密度隨冷卻水噴淋密度和進(jìn)口空氣流速的變化情況。由圖7可見,板式蒸發(fā)式冷凝器的熱流密度隨冷卻水噴淋密度的增大而增大,增長趨勢逐漸平緩,當(dāng)達(dá)到2.3kg/(m2·s)后,熱流密度不再隨冷卻水噴淋密度的增大而變化。冷卻水噴淋密度較小時(shí),水膜不能很好地潤濕壁面,冷卻水與空氣發(fā)生熱質(zhì)交換的有效面積就小,未潤濕的壁面直接與空氣換熱,換熱效率低。當(dāng)冷卻水噴淋密度增大到足以使水膜完全潤濕壁面后,繼續(xù)增大噴淋密度并不能起到強(qiáng)化換熱的作用。因此冷卻水噴淋密度應(yīng)根據(jù)蒸發(fā)式冷凝器的結(jié)構(gòu)及換熱需求設(shè)計(jì)選取最優(yōu)值,而非越大越好。由圖8可見,板式蒸發(fā)式冷凝器的熱流密度隨進(jìn)口空氣流速的增大而增大。進(jìn)口空氣流速增大,破壞冷卻水膜表面的邊界層,有利于空氣與冷卻水膜之間熱質(zhì)交換的進(jìn)行。由圖9可見,隨著進(jìn)口空氣濕球溫度的上升,熱流密度呈現(xiàn)降低的趨勢。并且濕球溫度越高,下降的趨勢越明顯?？諝獾臐袂驕囟仍礁?水蒸氣分壓力越大,空氣與冷卻水膜表面飽和空氣的水蒸氣分壓力差就越小,潛熱交換的動(dòng)力越小,導(dǎo)致冷卻水蒸發(fā)散熱量減少,熱流密度降低。由圖10可見,在不同的冷凝溫度下,進(jìn)口空氣的干球溫度對板式蒸發(fā)式冷凝器的熱流密度影響甚微。進(jìn)口空氣的干球溫度相同時(shí),冷凝溫度越高,熱流密度越大。這是因?yàn)樵谙嗤倪M(jìn)口空氣狀態(tài)下,冷凝溫度越高,板壁兩側(cè)流體的換熱溫差就越大,熱流密度也就越大。3板式蒸發(fā)式冷凝器熱流密度模擬結(jié)果根據(jù)能量守恒、質(zhì)量守恒及板式蒸發(fā)式冷凝器中制冷劑、冷卻水與空氣之間的傳熱傳質(zhì)過程,建立了能夠描述板式蒸發(fā)式冷凝器中熱質(zhì)交換過程的二維數(shù)學(xué)模型。對離散方程組