增湿型空冷器喷嘴布置方式及热工特性实验

黄晓庆，张 旭

(同济大学暖通空调及燃气研究所，上海 201804)

由于蒸发式冷却器具有比空冷换热效果好、比水冷节水等显著优点，在石油、化工、冶金、电力、制冷等领域有着广泛应用[1]．由于光管或翅片管式蒸发冷却器制作工艺简单、成熟，密封性好，因此目前工业产品基本上都是采用光管式或翅片管式蒸发冷却器．但光管式蒸发冷却器单位体积传热面积有限，结构不紧凑，占地多，而翅片管式蒸发冷却器翅片间距小，容易积水积垢，因此研发一种紧凑、传热效率高、容易除垢的结构形式是蒸发冷却器发展的趋势[2-5]．板式换热器是一种高效、紧凑的换热设备形式，将板式换热器的优点与蒸发冷却技术相结合，开发板式蒸发冷却器是一个有益的尝试[6]．文献[7]对波纹板式空冷器进行了阻力与传热特性实验研究，文献[8]对板式蒸发冷却器进行了阻力与热工特性的实验研究，关于板式空冷器在工业领域应用的文献还鲜见报道.

笔者对 TF6喷嘴不同布置方式(500,mm×500,mm，500,mm×725,mm，725,mm×725,mm)对空气降温效果与热水降温效果的影响进行比较，选定了较优的布置方式，进行波纹板式空冷器干湿工况传热、阻力与喷雾特性实验研究，得到了空气与水侧阻力降与换热系数关联式，为板式空冷器设计提供依据．通过对喷嘴喷雾降温特性的研究，拟合得到了接触系数与空气质量流速和水汽比关联式．

1 实验系统设计

实验系统包括 4部分：增湿系统、热流体系统、空气系统和测量与控制系统．实验段主要由板式换热器和增湿系统组成．图 1为板式增湿空冷系统实验装置，喷嘴布置间距分别为 500,mm×500,mm、500,mm×725,mm 和 725,mm×725,mm(长×宽，每种布置方式为每排布置 2个喷嘴，共 2排)．图 2为实验装置的原理图，热流体从板换右上侧流入，从左上侧流出；干工况时，板束外直接空气冷却(空气与热流体叉流换热)；湿工况时，板束侧面喷雾开启，喷嘴在空气入口处喷雾，喷嘴距离板束650,mm．

图1 板式增湿型空冷器实验段Fig.1 Plate spray humidification air-cooled heat exchanger experiment rig

图2 实验装置的原理示意Fig.2 Schematic of experimental device

喷嘴类型为TF6，其结构如图3所示．

图3 TF6结构示意Fig.3 Structure diagram of nozzle TF6

2 实验数据拟合关系式的建立

2.1 传热系数与准则式

空冷器干工况运行时，传热系数为

式中：K为总传热系数，W /(m2⋅K)；Q为传热量，由于空冷器两侧换热量测量存在偏差，数据处理时，传热量Q取两侧换热量测量计算值的平均值，即Q = ( Qf+ Qa)/2，W；F为换热面积，m2；Δtm为对数平均温差，℃．

由于空冷器刚投入实验，所以忽略污垢热阻，则传热系数

式中：αf为板束内热水对流换热系数，W/(m2⋅K)；αa为干工况空气的对流换热系数，W/(m2⋅K)；Sp为板片厚度，m；λp为板片的导热系数，W/(m⋅K)．

板束内热水的无因次对流换热系数准则关联式可写为[9]

式中：fNu为热水侧努塞尔数；fRe为热水侧雷诺数；系数C1和指数m为实验拟合数据．

板束外空气的无因次对流换热系数准则关联式可写为

式中：aNu为空气侧努塞尔数；aRe为空气侧雷诺数；系数2C和指数n可通过多次实验数据拟合后确定.

式中雷诺数Re的特征长度为2倍的通道间距即2Sa或 2 Sf，特征速度取通道内流体平均流速，特征温度取流体进出口温度的平均值．

2.2 接触系数

影响增湿降温效果的因素很多，诸如空气的质量流速、喷嘴类型与布置密度、喷嘴孔径与喷嘴前水压、空气与水的接触时间、空气与水滴的运动方向以及空气与水的初、终参数等．但是，对一定的空气处理过程而言，可将主要的影响因素归纳为以下3个方面：空气质量流速的影响、喷水系数的影响和喷嘴结构特性的影响．

为了说明实际过程与水量有限、但接触时间足够充分的理想过程接近的程度，定义接触系数η，可表示为[10]

式中：1t为空气入口干球温度，℃；s1t为空气入口湿球温度，℃；2t为空气出口干球温度，℃．

影响增湿降温效果的因素是极其复杂的，不能用纯数学方法确定接触系数，而只能用实验的方法，对于喷嘴类型及布置方式相同的情况，接触系数可表示为[10]

式中：vρ为空气质量流速；v为空气流速，m/s；ρ为空气密度，k g /m3；喷水量的大小常以处理每千克空气所用的水量，即喷水系数 μ (k g (水) /k g(空 气) ) 来表示；W 为总喷水量，kg/s．

3 不同布置方式降温特性比较

实验工况选用喷嘴布置方式500,mm× 725,mm、500,mm×500,mm 和 725,mm×725,mm 进行比较，以选定更优的布置方式．图 4为 3种布置方式对喷雾前后空气冷却效果的影响比较，其中入口空气干湿球温差为冷却极限，喷水量和雾滴与空气的接触面积紧密相关．随着“入口干湿球温差×喷水量”的增大，空气冷却效果增强，其中 500,mm×500,mm 的布置方式冷却效果最好，725,mm×725,mm 次之，500,mm×725,mm 稍差．从入口空气冷却效果来讲，500,mm×500,mm的布置方式更优．

图 5为 3种布置方式对板换中热水冷却效果的影响比较，其中对数平均温差为热交换的推动力，喷水量与进入板换进行蒸发吸热的未蒸发雾滴量密切相关．随着“对数平均温差×喷水量”的增大，热水冷却效果增强，其中 500,mm×500,mm的布置方式冷却效果最好，725,mm×725,mm 次之，500,mm×725,mm 稍差．从入口热水冷却效果来讲，500,mm×500,mm的布置方式更优．

图4 不同布置方式空气冷却效果比较Fig.4 Air side cooling effect comparison under different nozzle layouts

图5 不同布置方式热水冷却效果比较Fig.5 Hot water side cooling effect comparison under different nozzle layouts

实验结果表明，在空气冷却效果及热水冷却效果方面，布置方式500,mm×500,mm均优于725,mm×725,mm 及 500,mm×725,mm．如果采用更密排的方式，会使相同板换面积上喷嘴数量增加，造价增高．实验证明，喷嘴密度过大时，水苗相互叠加，不能充分发挥各自的作用．当需要较大的喷水系数时，通常靠保持喷嘴密度不变、提高喷嘴前水压的办法来解决．故选定 500,mm×500,mm为更优布置方式进行不同喷嘴阻力、传热和喷嘴降温特性的实验研究．

4 湿工况板式换热器阻力特性

喷嘴类型为 TF6，经实验测定其喷嘴 k系数为3.18(喷嘴流量(L/min) =，其结构如图 3所示，布置间距为 500,mm× 500,mm，如图2所示．

湿工况时，板式空冷器空气侧阻力降随迎面风速增大而增大，如图6所示(TF6×4表示共4个TF6喷嘴进行喷淋，每排 2个，共 2排)，经曲线拟合，空气侧阻力降与迎面风速和板片宽度的关联式为[11]

式中：va为空气侧的迎面风速，m/s；H为空冷器板片宽度，m；Δ pa为空气侧阻力降，Pa．

图6 空气侧阻力降曲线Fig.6 Air side pressure drop fitting curve

图7 中空气侧Rea数与Eua数的关系表明，当板束外空气迎面风速为 3,m/s时达到充分湍流，根据实验数据拟合得到

图 7中，干工况残差均方值为 2.880,97，湿工况残差均方值为0.345,21．

图7 空气侧阻力曲线Fig.7 Air side resistance curve

从图 6及图 7可以看出，湿工况喷嘴 TF6与干工况的阻力降曲线及阻力曲线基本重合，即未蒸发液滴并没有堵塞空气侧流道，导致空气流通截面变小，空气阻力增大．

干工况时，板式空冷器热水侧阻力降随热水流量增大而增大，板式空冷器热水侧的阻力降曲线如图 8所示，根据实验数据拟合得到[12]

式中：fv为流道内热水流速，m/s；L为空冷器板片长度，m；fpΔ为热水侧阻力降，Pa．

图8 热水侧阻力降曲线Fig.8 Hot water side pressure drop fitting curve

5 湿工况板式换热器传热特性

湿工况时，板式空冷器空气侧的努塞尔数aNu随雷诺数aRe的变化关系如图9所示，以2倍空气通道间距a2S为特征尺寸，以空气进出口温度的平均值为特征温度，以板束外通道内空气平均流速为特征速度，整理得到了空气侧aNu与aRe的关联式为

图9 空气侧对流换热系数关联式Fig.9 Correlation expression for air side convection heat transfer coefficient

由图 9可以看出，在相同风量的情况下，湿工况空气侧对流换热系数较干工况有显著提高，在空气侧达到充分湍流后，对流换热系数约为干工况的 8～10倍；在未达到充分湍流时，对流换热系数可达到干工况的8～16倍．

实验结果表明，喷雾一方面降低了入口空气的干球温度，加大了板换的对数平均温差；另一方面，未完全蒸发的水滴在板换内部继续蒸发吸热，大幅度提高了空气侧的换热系数．

干工况时，板式空冷器热水侧的努塞尔数随雷诺数的变化如图 10所示，经曲线拟合得到热水侧fNu与fRe的关联式为

空冷器湿工况运行时，板束内热水对流换热和干工况基本相同，fα的大小取决于热水的雷诺数．

图10 干工况热水侧对流换热系数关联式Fig.10 Correlation expression for hot water side convection heat transfer coefficient

6 湿工况喷雾降温特性

对于喷嘴类型及布置方式相同的情况，接触系数可表示为式(6)的形式．由图 11可以看出，空气质量流速 v ρ= 3 .6kg/(m2⋅s)时，随着水汽比的增加，接触系数增大，即随着喷嘴背压的增大，空气在进入板换前干球温度不断降低，实验结果表明，空气流量为15,552,m3/h、TF6×4喷嘴背压达到0.55,MPa时，空气接触系数约为 1，达到冷却极限(干球温度降至入口空气湿球温度，且喷嘴背压并非越大越好，而是存在一个最佳压力值)．

图11 接触系数随水汽比变化Fig.11 Contact coefficient vs spray water/air mass flow rate

由图 12可以看出，在喷嘴背压为 0.55,MPa时，随着空气流量的增大(1,555.2～25,000,m3/h)，η/µ3.56指数上升．拟合得到接触系数与空气质量流速和水汽比的关联式为

图12 空气质量流速对接触系数的影响Fig.12 Contact coefficient vs air mass velocity

7 实验误差分析

对板式空冷器空气侧换热量aQ进行误差分析.空气侧换热量aQ为

式中：aV为空气体积流量；aρ为干空气密度．则空冷器空气侧的最大相对误差为

空气侧换热量 Qa的最大相对误差EQa为3项最大相对误差之和，即焓差的最大相对误差δΔ ha/Δ ha、干空气密度的最大相对误差δρa/ρa和空气体积流量的最大相对误差δVa/Va之和．

任意选取某一计算工况为：室内大气压力p0= 0 .1MPa(10512.3mmH2O)，室内温度 t0= 3 1.5℃，进口空气干球温度t1= 3 5.1℃，湿球温度 ts1= 2 8.1℃，出口干球温度 t2= 4 2.2℃，湿球温度 ts2= 3 8.7℃，取样风速为 6.1,m/s．可计算得到空气侧焓差的最大相对误差为 E Δha=±4 .02%，干空气密度的最大相对误差为 Eρa= ±0.149%，湿空气体积流量的最大相对误差为EVa= ±0.78%．最后将3项误差相加，得到空冷器空气侧的最大相对误差为 EQa=±4 .949%．虽然未对水侧换热器进行精度分析，但根据实验结果，如果空气侧与水侧换热量的热平衡偏差均符合所规定的±5%的范围内，可以认为空冷器水侧的换热量的测量也具有与空气侧换热量测量相当的精度．

通过对空气侧换热量精度的分析，证明本实验装置和实验方法是可靠的，实验结果能满足工程应用的要求．

8 结 论

(1) 实验结果表明，在空气冷却效果及热水冷却效果方面，布置方式 500,mm×500,mm 均优于725,mm×725,mm 及 500,mm×725,mm，选定500,mm×500,mm为更优布置方式．

(2) 在500,mm×500,mm布置方式及TF6喷嘴喷淋下，得到了波纹板式空冷器阻力降关联式和换热系数关联式，为板式空冷器阻力设计与热工设计提供了依据．

(3) 实验结果表明，喷雾一方面降低了入口空气的干球温度，加大了板换的对数平均温差；另一方面，未完全蒸发的水滴在板换内部继续蒸发吸热，大幅度提高了空气侧的换热系数，并且没有堵塞空气侧流道，导致空气流通截面变小、空气阻力增大．在相同风量的情况下，湿工况空气侧对流换热系数较干工况有显著提高，在空气侧达到充分湍流后，对流换热系数约为干工况的 8～10倍；在未达到充分湍流时，对流换热系数可达到干工况的8～16倍．

(4) 通过对 TF6喷嘴喷雾降温特性的研究，拟合得到了接触系数与空气质量流速和水汽比关联式.

(5) 空气侧换热量的最大相对误差为 3项最大相对误差之和，即焓差的最大相对误差、干空气密度的,最大相对误差和空气体积流量的最大相对误差之和．任意选取某一计算工况，空气侧焓差的最大相对误差为4.949±%．

［1］ 马义伟. 空冷器设计与应用[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998：1-4.

Ma Yiwei. Design and Application of Air-Cooled Condenser[M]. Harbin：Harbin Institute of Technology Press，1998：1-4(in Chinese).

［2］ Hasan A，Sirén K. Performance investigation of plain circular and oval tube evaporatively cooled heat exchangers[J]. Applied Thermal Engineering，2004，24(5/6)：777.

［3］ Heyns J A，Kröger D G. Experimental investigation into the thermal-flow performance characteristics of an evaporative cooler[J]. Applied Thermal Engineering，2010，30(5)：492-498.

［4］ Fouda A，Melikyan Z. A simplified model for analysis of heat and mass transfer in a direct evaporative cooler[J]. Applied Thermal Engineering，2011，31(5)：932-936.

［5］ Zalewski Wojciech， Gryglaszewski Piotr Antoni.Mathematical model of heat and mass transfer processes in evaporative fluid coolers[J]. Chemical Engineering and Processing：Process Intensification，1997，36(4)：271-280.

［6］ 尾花英朗. 热交换器设计手册[M]. 北京：石油工业出版社，1987.

Fleur Hideo. Heat Exchanger Design Handbook[M].Beijing：Petroleum Industry Press，1987(in Chinese).

［7］ 许旺发，张 旭，罗海燕. 波纹板式空冷器阻力与传热特性实验研究[J]. 制冷技术，2007，35(2)：139-142.

Xu Wangfa，Zhang Xu，Luo Haiyan. An experimental study on the thermal and hydraulic characteristics of the corrugated plate air-cooled heat exchanger[J]. Refrigeration Technology，2007，35(2)：139-142(in Chinese).

［8］ 许旺发，张 旭，罗海燕. 板式蒸发冷却器阻力与热工特性实验研究[J]. 同济大学学报：自然科学版，2008，36(6)：823-826.

Xu Wangfa，Zhang Xu，Luo Haiyan. Experimental study on thermal and hydraulic characteristics of plate evaporative cooler[J]. Journal of Tongji University：Natural Science，2008，36(6)：823-826(in Chinese).

［9］ 章熙民，任泽霈，梅飞鸣. 传热学[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2007：135-144.

Zhang Ximin，Ren Zepei，Mei Feiming. Heat Transfer[M]. Beijing：China Architecture and Building Press，2007：135-144(in Chinese).

［10］ 连之伟. 热质交换原理与设备[M]. 2版. 北京：中国建筑工业出版社，2006：210-233.

Lian Zhiwei. Principle and Equipment of Heat and Mass Transfer[M]. 2nd ed. Beijing：China Architecture and Building Press，2006：210-233(in Chinese).

［11］ 许旺发. 板式湿式空冷器湿球温度迁移特性与优化研究[D]. 上海：同济大学暖通空调及燃气研究所，2007.

Xu Wangfa. Transfer Characteristic of the Wet-Bulb Temperature and Optimization for the Plate Wet Air Cooler[D]. Shanghai：Institute of HVAC and Gas，Tongji University，2007(in Chinese).

［12］ 余建祖. 换热器原理与设计[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2006：105-107.

Yu Jianzu. Heat Exchanger Principle and Design[M].Beijing：Beihang University Press，2006：105-107(in Chinese).