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蒸发式冷凝器传热强化研究
华南理工大学
硕士学位论文
蒸发式冷凝器传热强化研究
姓名:蒋翔
申请学位级别:硕士
专业:化学工程
指导教师:朱冬生
20030501摘要
摘要
随着工农业的发展,我国水资源和能源都非常紧张,节水节能是我国的一项基本国策。工业生产中冷却用水占%以上,冷却用水直接排放会造成热污染、经济和资源浪费,蒸发式冷凝器就是冷却水重复利用的关键设备之一另外,
在
工业过程中,我国生产过程中的耗能现象十分严重,能源危机和水环保促进
了蒸
发式冷凝器的研究和应用。
蒸发式冷凝器的传热方式包括传质带动传热、固体导热、对流换热和冷凝换熟,其传质、传热及流体流动机理十分复杂。蒸发式冷凝器内传质传热及流
体流
动的研究是一个理论难题,至今尚无成熟理论出现,蒸发式冷凝器的设计、制造
及应用都是采用经验参数,理论积累很少。
换热部分是蒸发式冷凝器核心部分,湿球温度对蒸发式冷凝器性能影响很
大。本文建立了蒸发式冷凝器及其关键部件盘管和填料的传质传热模型,分析了
它们的传质传热机理,总结了传质传热方程。测试了现有最先进的和
蒸发式冷凝器的性能,分析了的技术优势在于水膜覆盖率的提高
及填料的使用,而的技术优势在于其高效换热盘管的使用。然后,对
扭曲管做了观察实验研究,它能有效增加盘管外表面水覆盖率,使水膜变薄和形
成二次流增大传热系数,在此基础上,提出了将扭曲管应用于蒸发式冷凝器,分
析了扭曲管应用于蒸发式冷凝器的优点和前景,申请了专利。对新型高效填料的
研究结果表明,填料能降低水温即湿球温度?,研究了各种因素对填料
性能的影响,得到填料经验实验拟合公式。以换热厂家提供的工程数据及使用中
的蒸发式冷凝器现场测试数据为基础,对比了各类蒸发式冷凝器设计方法及设计
标准,提出了一种新的蒸发式冷凝器设计方法,开发了智能化设计软件,可以提
高设计、研究、选型的效率。
关键词;蒸发式冷凝器:传热强化:扭曲管;填料;设计兰要翌三盔兰三主罂圭
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?华南理工大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
日期:跏;年莎月文日
作者签名:
兹翔
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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
年解密后适用本授权书。保密口,在
本学位论文属于
不保密日。
请在以上相应方框内打“”日期:园肿岁年‖月日作者签名:兹
导师签名:
日期:***口;年‖月/彳日华南理工大学工学硕士学位论文
符号说明
一一迎风面长度,
一一传热面积,柳
一一系数一一物质定压比热容,/口
一一空气湿度,姆水/干空气一一迎风面宽度,
一一气体??重力加速度,一一总传热系数,/?一一传热膜系数,/.一一换热盘管排数
.一一长度,珊
一一换热量,材
一一压力,
一一温度,口
口一一热负荷,/一一体积流量度“一一流速,/一一格利雷准数一一淋水量,船
一一普兰特准数一一努塞尔特准数一一雷诺准数
一一皮克列准数一一压降
一一舍伍德准数口一一传热系数,/.?一一温差,?
一一单位宽度淋水量,/
口一一填料润湿率一一动力粘度,/?一?单根盘管淋水量/
一一密度,/’
,一一运动粘度,%一一导热系数,/,一一蒸发潜热,/
?一一空气相对湿度,%占一一液膜厚度,盯??传质系数,。/.玎一一蒸发冷却效率,%下标:
进口
?一一水与空气接触面一一空气
一一出口
卜一一液相
一一固液界面
一未知量
坍一一平均
一一水
一一汽体
一一千空气
一一主流体
第一章绪论
第一章
绪论
.
前言
在近来的生态学复兴过程中,热污染正引起人们很大关注,从环境保护观点来看,
用水冷却化工设备、发电透平机或冷冻和空调设备,随后再把热水直接排放掉是不能
容许的,热工艺用水应该冷却后再排放,或者冷却后再循环。我国水资源非常紧张,
城市缺水现象比较严重,设备能耗较大。冷却用水占工业用水的%以上,冷却用
水直接排放不仅造成热污染,还会造成较大的经济和资源浪费,需要将这些冷却用水
循环重复利用,缓解当前水资源短缺的状况如化工、冶金、大型中央空调、冷冻厂。
另外,我国工业生产过程中的耗能现象十分严重,生产同样的产品,往往得比国外多
消耗几倍的能量,这样就使得我们的产品和国外同类产品相比缺少竞争力。冷却塔、
喷淋塔、蒸发式冷却凝器等就是冷却水重复利用的关键设各,许多工业过程如
化工、冶金、大型中央空调、冷冻厂需要通过蒸发式冷凝器将生产过程产生的热水
冷却后循环使用,蒸发式冷凝器的节能、节水效果不仅在理论上是明显的,在实际应
用中也得到很好的证明,可以说是能源危机和节水环保促进了有关蒸发式冷凝器的研
究和应用。““““。
蒸发冷却技术可追溯到古代,那时河流、海洋、湖泊和池塘等等都是作为供水手
段被利用。随着对水冷却涉及的机械力学及流体动力学的更为深入地研究,在设计中
采取一定方法以减慢水滴重力沉降速度,并提供空气一水两相更大的接触界面面积,
可解决较难的冷却问题,为此产生的?水塔技术曾经极为普遍的应用。蒸发式冷凝
器将换热器和?水塔合二为一,它在国外是一个热门的研究课题,美国和澳大利亚在
此领域的研究非常活跃,发达国家对蒸发式冷凝器的应用正日益普及。二十世纪八十
年代中期,我国开始从国外引进蒸发冷凝器制造技术,目前已有较为成熟的产品投放
国内市场,但引进的技术多为国外专利技术。据笔者收集的资料显示,目前国内只有
上海交通大学和天津大学在此方面傲了一些研究,但尚无与国外技术水平接近的理论
及技术成果出现。
.研究背景
..蒸发研究进展
水在空气中的蒸发是由于空气中水蒸气压力分量未达到饱和,从而存在浓度差
而产生推动力,在质量传递的同时发生热量传递,是一个典型的传质带动传热的过程,
。工业、农业、林业生产中许多过程都和蒸发过华南理工大学工学硕士学位论文
程有很大的关系,蒸发的计算与分析越来越受到人们的重视。对蒸发的研究已有
多年历史,至今已取得一系列成果。
未饱和空气
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钿和盘界层
术
图蒸发过程热湿交换原理示意图
年,道尔顿综合考虑空气温度、湿度、速度对蒸发影响的提出道尔顿定律
后,蒸发的理论计算有了明确的物理意义,也使得蒸发的计算和分析有了依据,道尔
顿蒸发定律对近代蒸发理论的创立有着决定性的作用。
年,波文从能量平衡方程出发,提出了计算蒸发的波文能量平衡法。
这个方法在实际应用中有许多优点,是常规测量中精度较好的方法,长期以来得到了
广泛的应用。但在下垫面很潮湿或平流逆温条件下,由于空气温度和湿度的垂直廓线
不一致,常导致热量与水汽湍流交换系数的不等同性;另外,计算结果往往偏低,精
度下降,早晚时刻或很干燥的天气条件下误差可能更大。
年桑斯威特也和霍尔兹曼利用近地面边界层相似理
论,提出了计算蒸发的空气动力学方法。该法假定边界层内动量、热量和水汽传输系
数相等,而这个假定只是在均匀下垫面条件下才是正确的。用该法计算粗糙下垫面的
蒸发时,由于粗糙下垫面对湍流场的复杂影响。一般会产生较大误差。
以上两种方法虽都有其缺点,但它对了解蒸发的物理过程及其机制、蒸发的动态
变化过程仍然是很有价值的基本方法。
,和桑斯威特同时提出了“蒸发力”的概念及其相应的计算
公式。其中彭曼公式是从能量平衡和空气动力学理论出发建立的综合分析公式,具有
坚实的理论基础和明确的物理意义,至今仍是计算某些蒸发的主要方法。
年,蒙蒂斯,在研究蒸发和蒸腾中引入表面阻力的概念导出了
公式,为非饱和蒸发研究开辟了一条新途径。另~方面,由于粗糙
下垫面对空气动力阻力的影响以及表面阻力准确计算的困难,该方法在应用受到了限
制。
年代初以来,利用遥感信息计算区域蒸发,至今已取得一系列成果”,但遥感
技术的应用还有许多问题有待解决。不过,由于此法能测定面上蒸发,应用前景广阔,
第一章绪论
预期会取得较快的进展。
进入八十年代以来,蒸发研究随着传感器的使用和采集手段的改善以及计算机的
广泛应用,蒸发测量和理论研究工作进展很快,并已应用到各个领域。
..冷凝器的型式及研究进展
冷凝器是制冷机主要热交换器设备之一,在我国制冷机行业中通常把制冷压缩机
称为主机,而把制冷换热器主要指冷凝器与蒸发器及其它设备称为辅机。正确的
操作与使用制冷换热器,可充分发挥和提高制冷机制冷效率。
在制冷系统中,冷凝器是一个制冷剂向外放热的热交换器。压缩机排出的高温、
高压制冷剂气体,经油分离器进入冷凝器,将热量传递给周围介质~般为水或空气,
气态制冷剂因受冷凝结为液态制冷剂。
制冷剂在冷凝器内的冷凝过程一般可分为三个阶段:
过热蒸汽冷却成为干饱和蒸汽:由排气温度下的过热蒸汽冷却为冷凝温度的干
饱和蒸汽。
于饱和蒸汽冷却为饱和液体:干饱和蒸汽在冷凝温度珞下冷凝成饱和液体,这
一过程,就是蒸汽凝结为液体的过程。
饱和液体进一步被冷却为过冷凝液体:由于冷却介质水和空气的温度总