叉流板式間接蒸發(fā)冷卻換熱器的實(shí)驗(yàn)研究

    摘要：利用自制實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在前期實(shí)驗(yàn)工作的基礎(chǔ)上，對(duì)叉流板式間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)換熱器兩側(cè)空氣的流量比、流量大小對(duì)換熱器的效率有著重要影響。影響趨勢(shì)在干工況與濕工況下又有所不同，這是因?yàn)閾Q熱器中兩流體的熱容量之比發(fā)生了很大變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：干工況下，換熱器的摩擦阻力系數(shù)大于按層流理論公式計(jì)算所得的值，層流向湍流過(guò)渡的雷諾數(shù)為1200左右；噴水情況下二次空氣側(cè)的阻力系數(shù)遠(yuǎn)大于干工況下的阻力系數(shù)，約為干工況下的2.5到3倍之間。分析結(jié)果可以對(duì)換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考和幫助。
    隨著社會(huì)的發(fā)展，空調(diào)技術(shù)在生產(chǎn)與生活中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，其消耗的能源在社會(huì)總能耗中占有相當(dāng)大的比例。因此，開展空調(diào)節(jié)能技術(shù)的研究成為一個(gè)重要課題。間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)是利用水在未飽和二次空氣中蒸發(fā)吸熱，從而間接冷卻一次空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷的。這種方式無(wú)污染、能耗少，在我國(guó)空調(diào)領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了深入的研究。Pescod[2-3]開發(fā)出了一種以銅絲擾流的叉流板式換熱器，隨后又提出一種帶尖狀物的換熱器，并分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Peterson[4]等對(duì)一個(gè)用于新風(fēng)預(yù)冷的板式間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了性能測(cè)試。丁良士[5]等研制出了一種帶弧形表面凸起物的換熱板組成的板式間接蒸發(fā)冷卻換熱器。陳偉琳[6]等對(duì)三種低肋擾流絲網(wǎng)強(qiáng)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。黃翔[7]等從另外的角度入手，設(shè)計(jì)了采用功能性纖維套、鋁箔橢圓管和間歇性供水方式等強(qiáng)化傳熱措施的間接蒸發(fā)冷卻結(jié)構(gòu)。郭新川[8]等提出一種波紋絲網(wǎng)換熱表面并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
  1、實(shí)驗(yàn)介紹
    間接蒸發(fā)冷卻換熱器有兩個(gè)相互垂直的通道，一個(gè)是一次空氣通道，此通道中的空氣不與水膜相接觸，在整個(gè)傳熱過(guò)程中溫度降低，但濕度不變(在不發(fā)生冷凝的情況下)；一個(gè)是二次空氣通道，二次空氣在這個(gè)通道中與水膜相接觸，發(fā)生熱質(zhì)交換，二次空氣濕度增加，溫度降低，通過(guò)兩通道之間的金屬板吸收一次通道側(cè)的熱量。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的換熱器芯體寬高均為400mm，厚度為230mm，每個(gè)通道寬為3mm，一次空氣通道與二次空氣通道均為30個(gè)，換熱器兩邊用聚本乙烯材料的蓋板夾蓋，絕熱效果好，內(nèi)部的換熱板為不銹鋼材料，如圖1。
                 
    實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用部分冷卻后的一次風(fēng)作為二次風(fēng)，一次風(fēng)與二次風(fēng)的風(fēng)量都可以通過(guò)閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)。各風(fēng)道溫度可分別通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)道上的電加熱器功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，溫度統(tǒng)一使用鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量。一次空氣與二次空氣的流量分別由安裝在管道中的電加熱器功率與其兩側(cè)的溫度變化求得，當(dāng)關(guān)閉水平支管上的閥門時(shí)，可達(dá)到一次風(fēng)量與二次風(fēng)量相等的工況。壓力差使用傾斜式微壓計(jì)直接測(cè)量，在分析摩擦阻力時(shí)減去進(jìn)出口的局部阻力。為了降低測(cè)溫誤差及提高流量計(jì)算的準(zhǔn)確性，電加熱器由原來(lái)的光管式改為肋管式，換熱面積大幅提高。該改進(jìn)措施降低了加熱器表面溫度，從而降低了對(duì)測(cè)溫傳感器的輻射影響，同時(shí)提高了加熱器下游斷面氣流溫度的均勻性。
    實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，先將換熱器在不噴水情況下的各種工況數(shù)據(jù)測(cè)出，這樣做的目的一是為了比較換熱器干濕工況性能的差別，二是為了利用干工況下的數(shù)據(jù)得到一次空氣的壓差與流量的關(guān)系式，便于在濕工況下利用熱平衡原理計(jì)算二次空氣流量，因?yàn)樵跐窆r下利用加熱器功率來(lái)計(jì)算二次空氣流量的方法不再適用。
  2、資料整理
    主要對(duì)板式換熱器的阻力特性及其效能的影響因素做出分析。
    2.1換熱器效能的計(jì)算
    計(jì)算方法：根據(jù)文獻(xiàn)[11]將換熱器效能定義為“小熱容量流體的進(jìn)出口溫度差與冷熱流體進(jìn)口溫度差之比”，即效能反映了換熱器里冷熱流體進(jìn)口溫度差的利用率。因此，可采用以下公式來(lái)計(jì)算換熱器的換熱效能：
    當(dāng)一次流體的熱容量較小時(shí)，
                
    因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中二次空氣流量小于一次空氣流量，所以干工況時(shí)二次空氣熱容量較小，采用公式(1b)計(jì)算效率。在濕工況時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[12]采用的方法，二次空氣側(cè)采用濕球溫度計(jì)算效率，其比熱按照焓值對(duì)濕球溫度變化的平均值來(lái)計(jì)算，效率計(jì)算時(shí)采用公式(1a)。
    2.2雷諾數(shù)與摩擦系數(shù)的關(guān)系討論
    雷諾數(shù)采用下式計(jì)算：Re=ude/v(2)
    式中：de——水力當(dāng)量直徑，de=2ab/(a+b)；
                
  3、換熱器的阻力特性分析
                
    實(shí)驗(yàn)換熱器的通道高寬比較大，沿程阻力系數(shù)采用公式(4)計(jì)算，其中值為0.0545。在對(duì)流態(tài)的分析中，仍以文獻(xiàn)[14]中莫迪圖的曲線特征作為參照。
    由圖3可知，在換熱器中，隨著雷諾數(shù)的增加，摩擦系數(shù)先呈下降趨勢(shì)，實(shí)際摩擦阻力系數(shù)比理論計(jì)算的結(jié)果要大，此時(shí)二者相對(duì)誤差值約在50%到80%之間，規(guī)律上看，在雷諾數(shù)為1100之前，摩擦阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而減小，數(shù)據(jù)點(diǎn)的變化近似理論公式的變化趨勢(shì)，應(yīng)為層流情況。在雷諾數(shù)接近1200時(shí)，摩擦阻力系數(shù)陡然增加，對(duì)比莫迪圖，應(yīng)屬于臨界區(qū)的特點(diǎn)，之后，摩擦阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增加而緩慢減小，流態(tài)應(yīng)屬于紊流狀態(tài)。與文獻(xiàn)[15]中的結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)臨界雷諾數(shù)提前，且摩擦阻力系數(shù)相對(duì)較大。如圖4所示，在噴水情況下，二次風(fēng)道的阻力大大增加，約為干工況下的阻力的2.5倍到3倍之間，可以看出，從上而下的水膜與水霧大大增加了二次通道的阻力。
  4、換熱器效率分析
                
    由圖5可以看出，干工況下?lián)Q熱器的效率隨著二次空氣與一次空氣流量之比的增加而減小。而在濕工況下(如圖6所示)，換熱器的效率隨著流量比的增加而增加。這兩種現(xiàn)象都可以用換熱器中兩種流體的熱容量之比來(lái)解釋：干工況下二次空氣熱容量小于一次空氣熱容量，所以流量比的增加使得熱容量比增加，導(dǎo)致?lián)Q熱效率減小；濕工況下二次空氣熱容量大于一次空氣熱容量，故流量比的增加導(dǎo)致了熱容量比的減小，所以換熱效率增加。因此，通道兩側(cè)流體的熱容量比是影響到換熱器效率的重要因素。
                
    圖7示出了干工況下?lián)Q熱器效能隨一、二次空氣流量的變化關(guān)系。在一次空氣流量維持不變的情況下，二次空氣流量的增加將導(dǎo)致效率的降低，這種情況與圖5中流量比的變化與效能的關(guān)系相吻合。在二次空氣流量小于0.06kg/s時(shí)，一次空氣的流量變化對(duì)效能影響很小；大于0.06kg/s時(shí)，隨著一次空氣流量的增加，效能也呈增加趨勢(shì)。在換熱器中，增大較大熱容量流體的熱容量或減小較小熱容量流體的熱容量，都可以增大換熱器效能。在干工況下，二次空氣熱容量小于一次空氣熱容量，故減小二次空氣流量或增大一次空氣流量都可以導(dǎo)致?lián)Q熱器效率的增加。
    圖8示出了濕工況下?lián)Q熱器效能隨一、二次空氣流量的變化關(guān)系。在一次空氣流量不變的情況下，換熱效能隨著二次空氣流量的增加而增加，但其增加的幅度隨著效能達(dá)到較大值而趨緩。原因是二次空氣流量的增加使二次流道側(cè)的蒸發(fā)冷卻效果更好，使換熱板保持較低的溫度。在二次空氣流量不變時(shí)，換熱效能隨著一次空氣流量的增加而減小。從熱容量的角度來(lái)考慮，在濕工況中，二次空氣為熱容量較大的流體，所以增加二次空氣流量或減小一次空氣流量都將導(dǎo)致熱容量比減小，從而使換熱效能增加。
  5、結(jié)語(yǔ)
    實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中所使用的板式換熱器在干工況下的阻力大于用大高寬比的層流理論公式的計(jì)算結(jié)果，理論值與實(shí)驗(yàn)值的誤差介于50%到80%之間。而濕工況下的阻力也遠(yuǎn)大于干工況的阻力，在相同速度時(shí)，濕工況阻力是干工況阻力的2.5到3倍之間。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，換熱器的臨界雷諾數(shù)為1200左右。
    二次空氣與一次空氣之流量比是影響換熱器效率的重要因素，且在干工況與濕工況下的影響趨勢(shì)相反，這說(shuō)明兩流體的熱容量之比對(duì)換熱有著重要影響。
    一次空氣與二次空氣的流量，對(duì)換熱器效率也有重要影響。一方面，在流道尺寸不變的情況下，一次空氣流量的增加導(dǎo)致了流速的增加，減少了換熱時(shí)間，對(duì)換熱起負(fù)面影響。另一方面，二次空氣流量的增加增強(qiáng)了水的汽化過(guò)程，提高了換熱效率。同時(shí)，流量的變化也對(duì)兩通道的熱容量之比產(chǎn)生影響，從而影響換熱效率。