申江 路坤侖 劉麗 張聰

(天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134)

蒸發(fā)式冷凝器單位傳熱面積最佳風(fēng)量水量配比研究

申江 路坤侖 劉麗 張聰

(天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134)

利用自主設(shè)計的順流式橢圓管型蒸發(fā)式冷凝器性能實(shí)驗(yàn)臺，研究風(fēng)量和水量對其傳熱傳質(zhì)性能的影響。通過改變迎面風(fēng)速和噴淋密度的大小，得出單位傳熱面積最佳風(fēng)量水量配比值為299.9 m3/(h·m2)、0.63 kg/(h·m2)；相對應(yīng)的最佳迎面風(fēng)速和噴淋密度分別是3.28 m/s和0.057 kg/(m·s)；測得干工況運(yùn)行傳熱系數(shù)為正常工況的1/10，充分證明蒸發(fā)式冷凝器主要利用潛熱帶走熱量；并指出在設(shè)計過程中，要綜合考慮整個系統(tǒng)的性能，保證EER達(dá)到最佳值。

蒸發(fā)式冷凝器；風(fēng)量；水量；傳熱傳質(zhì)

國外對蒸發(fā)式冷凝器的研究比較早，目前在一些西方發(fā)達(dá)國家蒸發(fā)式冷凝器已得到了普遍應(yīng)用。隨著20世紀(jì)80年代以來國內(nèi)對蒸發(fā)式冷凝器的研究，蒸發(fā)冷卻技術(shù)在我國也得到了一定的發(fā)展，其應(yīng)用遍布各個領(lǐng)域，主要包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)和公共建筑等[1]。20世紀(jì)60年代，Parker和Mizusbina等[2－3]開展了對蒸發(fā)式冷凝器傳熱傳質(zhì)性能的研究，系統(tǒng)地闡述了蒸發(fā)式冷凝器的傳熱傳質(zhì)機(jī)制，并通過實(shí)驗(yàn)擬合了水膜傳熱系數(shù)αw的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，建立了蒸發(fā)式冷凝器的傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型。近幾年，朱冬生等[4－8]對蒸發(fā)式冷凝器的研究比較多，通過實(shí)驗(yàn)分析了風(fēng)速和噴淋密度對蒸發(fā)式冷凝器傳熱傳質(zhì)的影響。

2001年，Manske總結(jié)了蒸發(fā)冷卻技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的成果，指出濕球溫度、冷凝溫度、風(fēng)量及水量控制是影響蒸發(fā)冷卻效果的最關(guān)鍵因素[9]。蒸發(fā)式冷凝器一般采用蛇形盤管，管內(nèi)為制冷劑，管外為水流的薄膜和空氣，汽、液界面處同時還存在傳質(zhì)過程，這就決定了其傳熱特性十分復(fù)雜。Hasan對橢圓管和圓管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，表明橢圓管的傳熱與流阻性能是圓管的1.93～1.96倍[10]。大量研究結(jié)果表明，管外液膜及其汽、液界面為過程控制熱阻之一，薄液膜的流動形態(tài)、更新速率及分布情況將對整個傳熱性能起重要的作用[11]。文中抓住風(fēng)量和水量兩個關(guān)鍵因素，研究對順流式橢圓管型蒸發(fā)式冷凝器傳熱傳質(zhì)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)裝置是一個單級壓縮流態(tài)隧道速凍機(jī)系統(tǒng)，充注制冷劑R404A，冷凝器為蒸發(fā)式冷凝器實(shí)驗(yàn)臺。系統(tǒng)管路中安裝科氏質(zhì)量流量計和殼管式換熱器，用來測量制冷劑的流量；實(shí)驗(yàn)臺為自主設(shè)計的順流式橢圓管型蒸發(fā)式冷凝器，水泵和風(fēng)機(jī)變頻可調(diào)；噴淋水管安裝玻璃轉(zhuǎn)子流量計測量水量，進(jìn)風(fēng)口上方均勻布置風(fēng)速探頭，取平均風(fēng)速計算風(fēng)量；盤管表面合理布置T型熱電偶，并外層充分包裹保溫材料；為保證庫內(nèi)蒸發(fā)溫度恒定，采用開關(guān)庫門，增減凍品及調(diào)節(jié)電磁閥開度三種方法控制。

在蒸發(fā)式冷凝器中，進(jìn)口處的制冷劑為過熱蒸氣，隨著和管外水膜的熱交換很快變化為飽和蒸氣，氣液共存，而后又變?yōu)轱柡椭评鋭┮后w，換熱不斷變化。由實(shí)驗(yàn)研究表明，過熱區(qū)的換熱量很小，約為5%～7%，故在本課題在研究中近似認(rèn)為冷凝的整個過程為飽和狀態(tài)，制冷劑的溫度為冷凝溫度[12]。

實(shí)驗(yàn)所用多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)采集器(日本橫河儀器有限公司)、多通道風(fēng)速溫濕度測試儀(日本KANOMAX株式會社)、科氏質(zhì)量流量計(上海中隆儀器有限公司)、變頻器(丹佛斯自動控制有限公司)精度均符合測試要求。

實(shí)驗(yàn)用蒸發(fā)式冷凝器外形結(jié)構(gòu)尺寸:1800 mm× 1127 mm×2202 mm(長×寬×高)，其主要包括換熱盤管系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)三大部分。換熱盤管管材采用304不銹鋼管，橢圓管型，外表面鍍鋅，成正三角形排列，管間距橫向50 mm，縱向48 mm，管外徑25 mm，管排數(shù)10，總面積為22.6 m2。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境:室外干球溫度16℃，濕度60%。對實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行干工況、定風(fēng)量變水量及定水量變風(fēng)量三種運(yùn)行方式測試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)篩選分析，水量固定在8.8 m3/h，11.6 m3/h和14.2 m3/h，對應(yīng)噴淋密度分別為0.034 kg/(m·s)，0.046 kg/(m·s)和0.057 kg/(m·s)，能夠較好的反映變化規(guī)律，從小到大改變風(fēng)機(jī)頻率，即改變風(fēng)量(或迎面風(fēng)速)；同樣把風(fēng)量固定在6075 m3/ h，6778 m3/h和7154 m3/h，對應(yīng)迎面風(fēng)速分別為2.94 m/s，3.28m/s和3.46 m/s，從小到大改變水泵頻率，即改變水量(或噴淋密度)。

2.1 迎面風(fēng)速對性能參數(shù)的影響

迎面風(fēng)速是一個非常重要的影響因素，由迎風(fēng)面積和風(fēng)量確定，迎風(fēng)風(fēng)速給定時，單位換熱面積風(fēng)量是一定的。為了更直觀反映冷凝器所需的風(fēng)量，利用換算公式gD＝GD/A換算為單位換熱量的風(fēng)量，其中GD為總風(fēng)量，A為總換熱面積。

圖1和圖2分別給出了總傳熱系數(shù)及水膜傳熱系數(shù)隨迎面風(fēng)速的變化情況。從圖1可以看出，總傳熱系數(shù)K隨著風(fēng)速的增大，開始時快速增大，而后有所減緩，當(dāng)風(fēng)速為3.28 m/s時升至最大，當(dāng)?shù)竭_(dá)峰值后，趨于恒定。K值變化范圍為251～596 W/(m2· K)。分析其原因:開始時水膜和空氣熱質(zhì)交換的劇烈程度隨著風(fēng)速增大而增大，傳熱傳質(zhì)效果隨之增強(qiáng)；風(fēng)速到達(dá)一定范圍后，熱濕交換劇烈程度最優(yōu)，傳熱系數(shù)增大減緩；迎面風(fēng)速繼續(xù)增大，空氣與管外水膜蒸汽接觸時間變短，反而減小了熱濕交換程度，從而K值不會隨著風(fēng)速的增大而持續(xù)增大。由于風(fēng)速和接觸時間的兩者的矛盾性，導(dǎo)致存在最佳迎面風(fēng)速。3.28 m/s為本實(shí)驗(yàn)臺最佳迎面風(fēng)速，換算成最佳單位傳熱面積風(fēng)量gD為299.9 m3/(h·m2)。

圖1總傳熱系數(shù)與迎面風(fēng)速的關(guān)系Fig.1 The relationship between overall heat transfer coefficient and face velocity

圖2 中水膜傳熱系數(shù)受迎面風(fēng)速的影響不大，迎面風(fēng)速較小時，熱質(zhì)交換程度不高，導(dǎo)致其開始時隨風(fēng)速的增大而有所下降。從圖中可以看出噴淋密度對其影響較大。本實(shí)驗(yàn)中αw的變化范圍是1724～1995 W/(m2·K)。

圖2水膜傳熱系數(shù)與迎面風(fēng)速的關(guān)系Fig.2 The relationship between coefficient of water film heat transfer and face velocity

圖3 中能效比EER隨風(fēng)速的增大而增大，與總傳熱系數(shù)隨風(fēng)速變化的趨勢一樣，先快速升高，而后變緩。不同的是在達(dá)到最佳風(fēng)速后，EER的值隨風(fēng)速的增大而變小，其原因是:在未達(dá)到最大值前，冷凝器的傳熱性能帶來的收益占主導(dǎo)地位，而風(fēng)速繼續(xù)增大，風(fēng)機(jī)的功率也隨之增大，導(dǎo)致耗電量升高，使得整個系統(tǒng)的性能降低。設(shè)計者在設(shè)計中不能只關(guān)注冷凝器的性能，還要綜合考慮整個系統(tǒng)的性能。

圖4和圖5為空氣對流傳熱系數(shù)及傳質(zhì)系數(shù)隨迎面風(fēng)速的變化情況，空氣對流傳熱系數(shù)αwa和空氣對流傳質(zhì)系數(shù)αm均隨著風(fēng)速的增大而增大，迎面風(fēng)速增大不僅促進(jìn)水膜-空氣界面的傳熱，還可以增強(qiáng)界面的傳質(zhì)?？諝鈱α鱾鳠嵯禂?shù)主要受空氣流量的影響。

圖3 能效比EER與迎面風(fēng)速的關(guān)系Fig.3 The relationship between EER and face velocity

圖4 空氣對流傳熱系數(shù)與迎面風(fēng)速的關(guān)系Fig.4 The relationship between coefficient of air convection heat transfer and face velocity

綜上可知，迎面風(fēng)速對總傳熱系數(shù)K，熱流密度q，制冷量Qo，空氣對流傳熱系數(shù)αwa，空氣對流傳質(zhì)系數(shù)αm和能效比EER的影響較大，而對水膜傳熱系數(shù)αw影響較小。本實(shí)驗(yàn)臺的存在最佳迎面風(fēng)速為3.28 m/s，對應(yīng)的最佳單位傳熱面積風(fēng)量gD為299.9 m3/(h·m2)。

2.2 噴淋密度對系統(tǒng)性能參數(shù)的影響

另一個影響蒸發(fā)式冷凝器傳熱傳質(zhì)性能的重要因素是噴淋密度。同樣換算為單位換熱面積的水量gw，公式為gw＝Gw/A，其中Gw為總水量，A為總換熱面積。

圖5空氣對流傳質(zhì)系數(shù)與迎面風(fēng)速的關(guān)系Fig.5 The relationship between coefficient of air to circulate heat transfer and face velocity

圖6 給出了總傳熱系數(shù)K隨噴淋密度的變化情況。由圖可知，在實(shí)驗(yàn)所選噴淋密度下，K范圍為318～680 W/(m2·K)，隨著噴淋密度Г的增大而增大。Г＝0.057 kg/(m·s)時出現(xiàn)峰值，而后有所降低。主要由于開始時，噴淋密度的增大改善了冷凝盤管表面的布水效果，有效促進(jìn)了水分在盤管外壁面的吸熱蒸發(fā)，傳熱效果增強(qiáng)。隨著噴淋密度的繼續(xù)增大，外壁面附著的水分越來越多，水膜厚度增大，水膜熱阻也逐漸增大，水膜熱阻逐漸占主導(dǎo)地位，又阻礙了表面熱交換的進(jìn)行，水膜的換熱效果降低，制冷效果變差。制冷量Qo、熱流密度q和能效比EER變化趨勢與K值保持一致，唯一區(qū)別在于EER在經(jīng)過最高點(diǎn)后下降趨勢比K下降快，說明增大水量帶來的換熱效益低于水泵的功耗，得不償失。設(shè)計時應(yīng)綜合考慮整個系統(tǒng)的性能。0.057 kg/(m·s)為本實(shí)驗(yàn)臺最佳噴淋密度，最佳單位換熱面積水量0.63 kg/(h· m2)。

圖7中管外水膜傳熱系數(shù)隨噴淋密度的增大而不斷增大，在實(shí)驗(yàn)所選噴淋密度范圍內(nèi)，水膜傳熱系數(shù)的范圍為1701～2100 W/(m2·K)。隨噴淋密度的增大，α增大的趨勢稍微有所減弱，主要原因是水膜傳熱系數(shù)受噴淋密度和循環(huán)水溫的雙重影響。噴淋密度的增大，熱濕交換劇烈程度增強(qiáng)，而水溫趨于恒定，對水膜傳熱系數(shù)的影響也變?nèi)?，α逐漸由水溫和噴淋密度共同影響慢慢變成僅有噴淋密度的影響，故增大趨勢有所減弱。當(dāng)u＝2.94 m/s，3.28 m/s和3.46 m/s時，水膜傳熱系數(shù)的曲線幾乎重合，再次說明了迎面風(fēng)速對水膜傳熱系數(shù)的影響不大。

圖8給出空氣對流傳熱系數(shù)隨噴淋密度的變化情況，從圖可以看出，隨噴淋密度變化的不大。噴淋密度范圍為0.038～0.068 kg/(m·s)時，空氣對流傳熱系數(shù)的值很穩(wěn)定，基本保持不變。空氣對流傳質(zhì)系數(shù)與之類似。對流傳熱主要受風(fēng)量的影響。

圖6 總傳熱系數(shù)與噴淋密度的關(guān)系Fig.6 The relationship between overall heat transfer coefficient and sprinkle density

圖7 水膜傳熱系數(shù)與噴淋密度的關(guān)系Fig.7 The relationship between coefficient of water film heat transfer and sprinkle density

圖8 空氣對流傳熱系數(shù)與噴淋密度的關(guān)系Fig.8 The relationship between coefficient of air convection heat transfer and sprinkle density

綜上可知，對于結(jié)構(gòu)確定的蒸發(fā)式冷凝器有最佳的噴淋密度，雖然噴淋密度對空氣對流傳熱傳質(zhì)影響不大，但對制冷效率、總傳熱系數(shù)K、制冷量Qo、熱流密度q、水膜傳熱系數(shù)α的影響較大，在噴淋密度為0.057 kg/(m·s)時會出現(xiàn)峰值，即最佳噴淋密度為0.057 kg/(m·s)。這充分說明噴淋密度是影響蒸發(fā)式冷凝器的一個十分重要因素，要想優(yōu)化蒸發(fā)式冷凝器的傳熱性能，就要使蒸發(fā)式冷凝器達(dá)到最佳的噴淋效果。

2.3 干工況運(yùn)行情況下性能參數(shù)分析

只開啟蒸發(fā)式冷凝器的風(fēng)機(jī)，進(jìn)行干工況測試，此時相當(dāng)于一個風(fēng)冷式冷凝器。熱流密度q和總傳熱系數(shù)K都隨著風(fēng)速的增大而升高，變化范圍分別是1.64～1.71 kW/m2和39.79～46.57 W/(m2·K)?？梢钥闯鲈龃箫L(fēng)速能夠提高換熱性能。而其性能大約為全工況運(yùn)行的1/10左右，這充分說明利用水的潛熱換熱的蒸發(fā)式冷凝器比風(fēng)冷式冷凝器換熱效果好。

而研究EER與迎面風(fēng)速的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，能效比EER隨風(fēng)速的增大而增大，到達(dá)峰值后，開始下降，風(fēng)速的增大反而降低了整個系統(tǒng)的性能。主要是隨著在K值增大的過程中，風(fēng)機(jī)功率也增大，K值增大帶來的收益低于風(fēng)機(jī)帶來的能耗，故風(fēng)速不是越大越好。再次說明設(shè)計過程中，不能一味的追求傳熱性能，更要綜合考慮整體的性能。

3 結(jié)論

1)對于結(jié)構(gòu)給定的蒸發(fā)式冷凝器單位傳熱面積存在最佳風(fēng)量和水量。本實(shí)驗(yàn)臺所在測試條件下的最佳單位傳熱面積風(fēng)量和水量為299.9 m3/(h·m2) 和0.63 kg/(h·m2)，對應(yīng)的迎面風(fēng)速和最佳噴淋密度分別為3.28 m/s和0.057 kg/(m·s)，對蒸發(fā)式冷凝器的開發(fā)和設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

2)對比干工況和正常工況，前者的總傳熱系數(shù)約為后者的1/10，證明利用蒸發(fā)潛熱降溫具有較高的傳熱效率。

3)設(shè)計過程中不僅考慮蒸發(fā)式冷凝器的傳熱性能，而且要考慮整個系統(tǒng)的性能，使 EER達(dá)到最佳值。

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Research on Optimal Ratio of Air Volume to Water Mass Flowrate for Evaporative Condenser

Shen Jiang Lu Kunlun Liu Li Zhang Cong

(Refrigeration Key Laboratory of Tianjin，Tianjin University of Commerce，Tianjin，300134，China)

The influence of air volume to water mass flowrate ratio on heat and mass transfer was investigated in the test bench designed by the authors with oval tube evaporative condenser of parallel flow.Through research on the change of wind speed and spray density，it is found that the optimum air volume and water mass flowrate per unit heat transfer area to are 299.9 m3/(h·m2)and 0.63 kg/(h·m2) respectively，and the best face velocity of air and spraying density are 3.28 m/s and 0.057 kg/(m·s)respectively.The heat transfer coefficient measured at dry condition is only 1/10 of the normal working condition，which fully proves that the heat is mainly taken away by the latent in evaporative condenser.It is also pointed out that the performance of the whole system should be comprehensively considered in the process of design to ensure the best EER of the system.

evaporative condensers；air volume；the amount of water；heat and mass transfer

TQ051.5；TB61＋1

A

0253－4339(2014)05－0044－05

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.044

申江，男(1960－)，教授，天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院院長，天津市天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院制冷系，(022)26669745，E-mail:shenjiang＠tjcu.edu.cn。研究方向:食品冷鏈技術(shù)，制冷系統(tǒng)優(yōu)化及節(jié)能技術(shù)等。

2013年10月17日

About the author

Shen Jiang(1960－)，male，professor，dean of Mechanical Engineering School，Tianjin University of Commerce，Dept of Refrigeration Technology，(022)26669745，E-mail:shenjiang＠tjcu. edu.cn.Research fields:food cold chain technology，optimization and conservation technology of refrigeration systems.