管式間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中強化管外傳熱傳質(zhì)方法分析

管式間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中強化管外傳熱傳質(zhì)方法的對比分析

樊麗娟  黃翔  吳志湘

  (西安工程大學(xué),陜西西安　710048)

    摘要：從強化傳熱的理論出發(fā),以管式間接蒸發(fā)冷卻器為研究對象,就如何開發(fā)和研究低能耗和高效的管式間接蒸 發(fā)冷卻器,闡述了幾種強化傳熱傳質(zhì)的方法。通過對比分析,采用親水鋁箔管材,在管外包覆吸水性纖維織物或網(wǎng)狀結(jié) 構(gòu)材料,在換熱管外涂敷有機無機復(fù)合親水膜,是幾種行之有效的增強管式間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中換熱管傳熱傳質(zhì)的措 施。經(jīng)過強化傳熱傳質(zhì)優(yōu)化設(shè)計的管式間接蒸發(fā)冷卻器,冷卻效果好,具有廣闊的應(yīng)用前景。

    關(guān)鍵詞：管式間接蒸發(fā)冷卻器;強化傳熱傳質(zhì);親水鋁箔;多孔陶瓷;波紋管;吸水性材料;親水涂層

    中圖分類號：TB6　   文獻標(biāo)識碼：A

    1　前言

    隨著空調(diào)的普及以及空調(diào)節(jié)能問題的日益突 出,蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)正以其節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟等 優(yōu)點在住宅和大型建筑中得到越來越多的應(yīng)用。 間接蒸發(fā)冷卻器是蒸發(fā)冷卻空調(diào)的核心裝置,蒸 發(fā)冷卻技術(shù)的發(fā)展依賴于間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的突 破和進展。而管式間接蒸發(fā)冷卻器是間接蒸發(fā)冷 卻技術(shù)的最普遍的表現(xiàn)形式,間接蒸發(fā)冷卻技術(shù) 的突破和進展取決于管式間接蒸發(fā)冷卻器效率的 提高。

根據(jù)蒸發(fā)冷卻原理,水的蒸發(fā)是冷卻降溫的 前提。管式間接蒸發(fā)冷卻器管外側(cè)實現(xiàn)的是水與空氣直接接觸,空氣等焓冷卻過程,被冷卻的水通 過間壁吸收管內(nèi)一次空氣的熱量。也就是說,管 外側(cè)的傳熱傳質(zhì)效果直接影響到一次空氣的溫 降,也將決定了換熱器的效率。設(shè)法增強管外空 氣與水的傳熱傳質(zhì),就能提高管式間接蒸發(fā)冷卻 器的效率。所以管式間接蒸發(fā)冷卻器的管外強化 傳熱傳質(zhì)的研究具有很高的價值與意義。國內(nèi)外 對強化傳熱傳質(zhì)進行的研究取得了豐碩的成果, 目前已有的強化傳熱傳質(zhì)技術(shù)不下百余種[1、2]。 強化管式間接蒸發(fā)冷卻器的管外傳熱傳質(zhì)的方法 也很多,如對管外進行特殊設(shè)計、設(shè)計合理的布水 方式、在噴淋水中添加潤濕劑等。本文以管式間 接蒸發(fā)冷卻器為研究對象,重點從對管外進行特殊設(shè)計出發(fā),闡述了幾種強化傳熱傳質(zhì)的方法,研 究了如何強化管式間接蒸發(fā)冷卻器的傳熱傳質(zhì)性 能,為開發(fā)和研究低能耗、高效率的管式間接蒸發(fā) 冷卻器奠定了基礎(chǔ)。

    2　換熱器強化傳熱理論原則

    2.1　增大傳熱面積F

    擴展傳熱面積是增加傳熱效果現(xiàn)在使用最多 的方法,是通過合理地提高設(shè)備單位體積的傳熱 面積來達到增強傳熱效果的目的,如在換熱器上 大量使用單位體積傳熱面積比較大的翅片管、波 紋管、板翅傳熱面等材料,通過這些材料的使用, 單臺設(shè)備的單位體積的傳熱面積會明顯提高,充 分達到換熱設(shè)備高效、緊湊的目的。

    2.2　增加對數(shù)平均溫差Δtm

    加大換熱器傳熱溫差Δtm是加強換熱器換熱 效果常用的措施之一。但是,增加換熱器傳熱溫 差Δtm是有一定限度的,不能把它作為增強換熱 器傳熱效果最主要的手段,使用過程中應(yīng)該考慮 到實際工藝或設(shè)備條件上是否允許。依靠增加換 熱器傳熱溫差Δtm只能有限度的提高換熱器換熱 效果。

    2.3　提高傳熱系數(shù)K

    從傳熱系數(shù)的計算公式:

    傳熱系數(shù)K值與管內(nèi)外換熱系數(shù)αi(αo)、管 內(nèi)外污垢系數(shù)ri(ro)、換熱管直徑、壁厚、材料有 關(guān),而主要因素取決于αi、αo、ro、ri,即提高管內(nèi)外 換熱系數(shù)αi(αo)、降低管內(nèi)外污垢系數(shù)ri(ro)。 提高αi和αo可以從流體的流動狀態(tài)入手:一 是適當(dāng)增加流體的流速;二是設(shè)計適當(dāng)?shù)慕孛鏍?態(tài),實現(xiàn)湍流和程度較高的紊流,使流體不斷沖擊 破壞邊界層。

    降低ri和ro可以從減少管內(nèi)外結(jié)垢入手。因 為在換熱器的運行中由于溫度及其他條件的變 化,流體中的一些污垢會增大換熱器的總熱阻。 降低熱阻需從以下幾個方面考慮:適當(dāng)提高流速、 改變流動路徑形狀、選不易腐蝕的光滑材料。 綜上所述,提高對數(shù)平均溫差受到實際工藝 或設(shè)備條件的限制,選擇高對數(shù)溫差會使能耗增 加,因而不是最佳途徑;加大換熱器的換熱面積可以有效地強化傳熱傳質(zhì),但勢必造成設(shè)備體積增 大及成本的增加,因而是有一定限度的;最理想的 辦法就是提高傳熱系數(shù)K,它可以通過提高管內(nèi) 外換熱系數(shù)αi(αo)、降低管內(nèi)外污垢系數(shù)ri(ro) 來實現(xiàn)。

    3　強化傳熱傳質(zhì)方法

    3.1　選用優(yōu)質(zhì)管材

    3.1.1　親水鋁箔

    親水鋁箔的主要性能指標(biāo)是親水性,用水滴 在鋁箔表面的接觸角的大小來表示。與普通鋁箔 相比,水滴在親水鋁箔表面的接觸角很小,可以形 成均勻水膜,從而增大了蒸發(fā)表面,促進了蒸發(fā)傳 熱。因此使用親水鋁箔的換熱器,不僅能大大提 高熱交換效率,減少空調(diào)器體積,而且可以節(jié)省能 源,延長空調(diào)器的使用壽命[3~6]。

    為了得到水在親水鋁箔表面的鋪展情況,采 用JC2000A靜滴接觸角/界面張力儀測試了幾種 親水鋁箔。通過測試得知水在親水鋁箔表面的接 觸角約為60°(如圖1所示),用它來做間接蒸發(fā) 冷卻換熱器的換熱管,可以滿足要求。

                                   圖1水在親水鋁箔表面分布示意

    另外,親水鋁箔由于表面光滑,容易沖洗,所 以不易滋生細菌,耐腐蝕性能也很高。而且親水 鋁箔在我國已經(jīng)大量生產(chǎn),所以成本較低。因此, 親水涂層鋁箔已成為空調(diào)器升級換代必不可少的 關(guān)鍵材料之一。

    3.1.2　多孔陶瓷

    多孔陶瓷最大的結(jié)構(gòu)特征就是多孔性,多孔 陶瓷的孔結(jié)構(gòu)特征與陶瓷本身的優(yōu)異性能結(jié)合, 使其具有均勻的透過性、發(fā)達的比表面積、低密 度、低熱導(dǎo)率、低熱容以及優(yōu)良的耐高溫、耐磨損、 耐氣候性、抗腐蝕性和良好的剛度、一定的機械強度等特性。由于具有這些優(yōu)良特性,多孔陶瓷可 以作為蒸發(fā)冷卻的一種可用材料[7]。

    陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)比纖維的導(dǎo)熱系數(shù)高,但比 金屬的導(dǎo)熱系數(shù)低。這種水平在空調(diào)應(yīng)用中處理 熱/質(zhì)傳遞是很好的。還有陶瓷的孔隙度對需要 傳遞的水分保留是足夠的。帶有低孔隙度的陶瓷 是更好的,因為它有更小的蓄水能力,能夠增強顯熱交換。

    當(dāng)多孔陶瓷應(yīng)用于間接蒸發(fā)系統(tǒng)時,可與同 種材料制成的薄膜結(jié)合起來以避免水分的滲透。 在硬度方面,大多數(shù)的多孔陶瓷具有50~ 400Gpa的楊氏模數(shù),適合用作換熱器板。多孔陶 瓷在潮濕條件下是耐用的,與同種材料制成的固 體膜具有很高的兼容性。多孔結(jié)構(gòu)在潮濕條件下 可能會滋生細菌,因為小孔隱藏在結(jié)構(gòu)內(nèi)部,增大 了清洗/衛(wèi)生的困難。在成本方面,它大約是同種 材料金屬板價格的兩倍。

    3.2　對換熱管進行特殊處理

    3.2.1　燈芯效應(yīng)

    傳統(tǒng)金屬熱交換器主要有鋁、銅或它們的合 金制成,形狀可以是板式和管式。這種表面有相 對很小的毛細作用,很難保持住水分進行蒸發(fā)冷 卻作用。為了提高表面的毛細作用,可以考慮在 板或管的一面用多孔材料代替光滑的表面。這時 就要考慮一些多孔結(jié)構(gòu)的金屬,也就是具有燈芯 結(jié)構(gòu)的金屬、金屬泡沫或金屬絨[1]。

    燈芯效應(yīng)可能是以下結(jié)構(gòu)中的一種,例如燒 結(jié)點、微孔、網(wǎng)眼、凹槽或須狀,把它們制成管/板 式保存蒸發(fā)的水分。依靠燈芯的結(jié)構(gòu)、密度和外 形,它的孔隙度在20%~90%范圍內(nèi)變化。

    最近幾年,基于銅或鋁的高傳導(dǎo)泡沫材料已 經(jīng)用于熱交換器。這些泡沫材料包含敞開的胞狀 結(jié)構(gòu),通過氣體或液體流過泡沫材料,同時冷卻或 加熱泡沫材料,使得胞狀結(jié)構(gòu)中的熱量排除,氣體 或液體增加。由于這種敞開的多孔結(jié)構(gòu),大量的 水包含于其中,允許水分轉(zhuǎn)移。這種泡沫材料可 以用不同的方式制作,例如融化、粉化、濺射和沉 淀。每一種方法適用于典型的密度范圍、孔眼大 小和孔眼布局,因此導(dǎo)致孔隙度在30%~80%的 范圍內(nèi)。目前,在恒定孔隙度80%的情況下,微 孔的尺寸在4.5~0.5mm范圍內(nèi)已經(jīng)得到實現(xiàn), 因此,孔隙度、外形和結(jié)構(gòu)費用是相互關(guān)聯(lián)的。 金屬絨是另一種多孔金屬,主要是由銅、鋁和 它們的合金制造的。基于金屬纖維長度、直徑和密度,孔隙度在30%~95%范圍內(nèi)變化。研究發(fā) 現(xiàn)一種銅絨的孔隙率是0.95,這種銅的導(dǎo)熱系數(shù) 降為1.0~2.7W/(m·K)。

    在硬度方面,銅和鋁都適合用作換熱板,因為 它們都能達到足夠的楊氏模數(shù),從70~140Gpa, 適合定型和維持形狀穩(wěn)定。銅和鋁都很耐用并且 和同種固體金屬的兼容性也很好。在細菌滋生風(fēng) 險方面來說,利用燈芯效應(yīng)(燒結(jié)點、微孔、網(wǎng)眼、 凹槽或須狀)制成的金屬比金屬泡沫材料和金屬 絨好得多,因為這種板上的小孔是暴露的,而不是 隱藏的,這就有利于隔層的清洗/衛(wèi)生處理。在造 價方面,鋁是很好的選擇,因為鋁要比銅便宜得 多。

    3.2.2　波紋管

    波紋管是一種雙面強化傳熱傳質(zhì)的管型,內(nèi) 外壁被軋成波紋凸肋,其內(nèi)壁能改變流體邊界層 的流動狀態(tài),外壁能增大傳熱表面和擾動,達到雙 面強化傳熱傳質(zhì)的目的[8、9]。

    其一,由于波紋管截面的周期性變化,使得流 體液膜的流動是在反復(fù)改變軸向速度和壓力梯度 下進行的,處在規(guī)律性的擾動狀態(tài),使得湍流程度 加劇,而液膜的湍流和附加的擾動沖刷了流體的 邊界層,使得邊界層減薄,降低傳熱熱阻,使流動 工質(zhì)在較低的流速下就能實現(xiàn)紊流,強化了傳熱; 其二,波紋管具有極好的自潔能力,由于液體湍 流,不斷沖刷內(nèi)壁,使得污垢很難形成,大大較少 了污垢熱阻,強化了傳熱[10、11];其三,結(jié)構(gòu)緊湊, 具有熱補償能力,可在較大溫差下操作:由于換熱 系數(shù)較高,在同樣換熱條件下,結(jié)構(gòu)緊湊,節(jié)省材 料,占地面積小[12]。

    波紋管換熱器加工制造工藝成熟,可大量推廣應(yīng)用。

    3.2.3　管外包覆材料

    在管式間接蒸發(fā)冷卻器管外包覆吸水性材料 的目的是在換熱器管外表面形成均勻的水膜,增 加水與換熱器的接觸面積和接觸時間,以此達到 強化管外的水、二次空氣與管內(nèi)的一次空氣之間 的換熱,從而提高蒸發(fā)冷卻器的傳熱傳質(zhì)效果。 棉纖維織物為親水性纖維,吸水能力和保水 能力很高,但導(dǎo)濕性能、導(dǎo)熱性能和耐腐蝕性都很 差;滌綸纖維織物為疏水性纖維,具有吸水快干的 特性,導(dǎo)熱系數(shù)一般,耐腐蝕性能較好;異形纖維 Coolplus織物,是對普通滌綸纖維進行改性后得 到的,吸濕快干,導(dǎo)熱系數(shù)一般,耐腐蝕性能較好;丙綸纖維織物的吸濕性很小,幾乎不吸濕,一般大 氣條件下的回潮率接近于零。但它有芯吸作用, 能通過織物中的毛細管傳遞水蒸氣,但本身不起 任何吸收作用,導(dǎo)熱系數(shù)較大,具有較好的耐化學(xué) 腐蝕性,對酸和堿抵抗性能良好;金屬纖維織物含有少量金屬成分,吸濕快干,導(dǎo)熱系數(shù)大,耐腐蝕 性能較好;不銹鋼網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料保水能力很好,蒸 發(fā)效果最好,導(dǎo)熱系數(shù)最大,耐腐蝕性能很好。通過比較可知,不銹鋼網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料、金屬纖維織物和丙綸纖維織物是很好的包覆材料,非常適于包覆在管式間接蒸發(fā)冷卻器的換熱管外來增強其傳熱傳質(zhì)。

    浸濕以后的纖維表面很容易滋生細菌,因此 纖維不是蒸發(fā)冷卻的完美材料。在造價方面,纖維制品相當(dāng)便宜,因此頻繁的替換是可行的,這可 以克服壽命短和易污染的缺點。

    3.3　親水性涂層

    3.3.1　納米親水涂層

    TiO2表面經(jīng)紫外光照射后表面具有超親水特 性。通常情況下,水滴滴在TiO2薄膜表面,接觸 角比較大。在紫外光的照射下,TiO2的帶價電子 被激發(fā)到導(dǎo)帶,在表面生成電子空穴對,電子與 Ti4+反應(yīng),空穴則與表面橋氧離子反應(yīng),分別生成 Ti3+和氧空位,空氣中的水解離子吸附在氧空位 中,形成表面羥基,表面羥基可以進一步吸收水 分,形成物理水吸附層。這樣在Ti3+缺陷周圍形 成了高度親水的微區(qū),而表面剩余區(qū)域仍為疏水 性。由于水滴尺寸遠遠大于親水面積,故宏觀上 TiO2表面表現(xiàn)出親水性,水被親水微區(qū)吸附,從而 擴展浸潤表面。隨著光照時間的延長,接觸角不 斷減小,甚至到達0°。停止紫外光照射,表面羥 基被空氣中的氧所取代,將會重新回到疏水狀 態(tài)[13\]。

    這種納米親水薄膜的局限性在于:當(dāng)TiO2薄膜失去紫外光的照射時,將會失去親水性,回到疏水狀態(tài),不能長時間穩(wěn)定地保持親水性。而在管式間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中,換熱管多處于黑暗狀態(tài), 所以這種納米涂層不適合用在管式間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中來提高其親水性。

    3.3.2　親水膜

    親水涂膜按材料分類有三種:(1)無機物質(zhì) (如:水軟鋁石、水玻璃等),這種材料由于水潤濕 性好,因而接觸角小,親水持續(xù)性好,但因處理條 件嚴格,耐蝕性不夠理想;(2)有機樹脂(親水性樹脂和表面活性劑合用),初期的親水膜由于并 用表面活性劑,確保了水潤濕性和低接觸角,但因 表面活性劑的持續(xù)性差,現(xiàn)在基本上不再使用; (3)二氧化硅、有機樹脂和表面活性劑合用,這種 處理劑的親水性是利用具有和水玻璃類似結(jié)構(gòu)的 無機高分子二氧化硅的親水性和保濕性,并考慮 到二氧化硅不能單獨成膜的特點,加進了有機樹 脂作為粘合劑,同時為了降低接觸角又加入了具 有潤濕性的表面活性劑,使三者結(jié)合,起到了親水 作用[14~16]。

    早在1988年前西德就報道了一種由底、中、 面三層組成的復(fù)合涂層體系,效果不錯。日本 Tanaka及Imai各自研制的有機無機復(fù)合親水涂 膜均具有良好的親水性和耐蝕性,但涂料中的硅 酸鹽致使涂膜發(fā)出似泥的臭味。而Bunji等研究 的雙層復(fù)合親水涂膜則具有良好的親水性、成型 性和無臭味性[17、18]。

國內(nèi)對鋁箔親水涂層的研究起步晚,中南大 學(xué)、北京試劑研究所、東北大學(xué)等單位對親水涂料 作過初步探討和一些研究,但都集中于對有機親 水涂層的研究。對有機無機復(fù)合薄膜的研究很 少。

    筆者以實驗的方法驗證了有機無機復(fù)合薄膜 在提高鋁箔表面親水性方面的有效性。制備了一 種以改型硅酸鈉為基料的溶液,經(jīng)這種溶液處理 后,鋁箔表面形成薄膜,親水性有了很大提高,水在鋁箔表面可以完全鋪展,也就是接觸角幾乎為 0,如圖2所示。

    為了得到薄膜耐水性的好壞,將試樣在去離 子水中浸2min后干燥6min為一個干濕循環(huán),如此經(jīng)150次干濕循環(huán)后,再測量涂膜的親水性。 通過實驗得知,該薄膜持續(xù)親水性很好,經(jīng)150次 干濕循環(huán)后水在鋁箔表面的接觸角并沒有顯著提 高。

    4　強化傳熱傳質(zhì)方法的對比分析

    比較親水鋁箔和多孔陶瓷兩種管材得知,兩 種都可以用在間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中,但就換熱系 數(shù)來說,親水鋁箔高于多孔陶瓷,更重要的是,親 水鋁箔已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn),成本較低,而多孔陶瓷大 約是同種材料金屬板價格的兩倍,因此制作換熱管優(yōu)選親水鋁箔材料。

    對比三種對換熱管特殊處理的方法可知,三 種方法都可以增強傳熱,但是燈芯結(jié)構(gòu)和波紋管 制作工藝復(fù)雜,不容易成形,成本高;而纖維織物 和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料相當(dāng)便宜,因此頻繁的替換是可 行的,這可以克服壽命短和易污染的缺點,其中不 銹鋼網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料、金屬纖維織物和丙綸纖維織 物是很好的包覆材料,非常適于包覆在管式間接 蒸發(fā)冷卻器的換熱管外來增強其傳熱傳質(zhì)。 通過分析,納米TiO2親水涂層只有在紫外光 照射下才具有親水性,不適合用在管式間接蒸發(fā) 冷卻系統(tǒng)中;有機無機復(fù)合親水涂膜具有良好的 親水性和耐蝕性,不需要光照,所以非常適合在換熱管外表面采用。

    總的來說,采用親水鋁箔管材,在管外包覆吸 水性纖維織物或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料,在換熱管外涂敷有機無機復(fù)合親水膜,是幾種行之有效的增強管 式間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中換熱管傳熱傳質(zhì)的措施。

    5　結(jié)語

    為了提高管式間接蒸發(fā)冷卻器的傳熱傳質(zhì)性 能,本文從強化傳熱的理論出發(fā),就如何開發(fā)和研究低能耗和高效的管式間接蒸發(fā)冷卻器,闡述了幾種強化傳熱傳質(zhì)的方法。

    通過對比分析得出,采用親水鋁箔管材,在管 外包覆吸水性纖維織物或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料(不銹鋼 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料、金屬纖維織物和丙綸纖維織物是很好的包覆材料),在換熱管外涂敷有機無機復(fù)合親水膜,是幾種行之有效的增強管式間接蒸發(fā) 冷卻系統(tǒng)中換熱管傳熱傳質(zhì)的措施。并通過實驗的方法驗證了這一結(jié)論。經(jīng)過強化傳熱傳質(zhì)優(yōu)化 設(shè)計的管式間接蒸發(fā)冷卻器,冷卻效果好,具有廣 闊的應(yīng)用前景。

    管式間接蒸發(fā)冷卻器的管外強化傳熱傳質(zhì)的 研究,完善了蒸發(fā)冷卻技術(shù)的理論,為開發(fā)和研究低能耗、高效率的管式間接蒸發(fā)冷卻器奠定了基 礎(chǔ),進一步推廣了蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用。

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