空气相对湿度对板式蒸发冷凝器传热性能影响的实验研究

简弃非,戴晨影,任勤,张勇

(1.华南理工大学机械与汽车工程学院,广州市 510640；2.广州市华德工业有限公司,广州市 510663)



空气相对湿度对板式蒸发冷凝器传热性能影响的实验研究

简弃非1,戴晨影1,任勤1,张勇2

(1.华南理工大学机械与汽车工程学院,广州市 510640；2.广州市华德工业有限公司,广州市 510663)

为了研究空气湿度对蒸发式冷凝器传热性能的影响，建立了蒸发式冷凝器板外水膜传热性能实验平台。在其他条件不变的情况下，调节空气湿度参数，测试了空气湿度对喷淋水温度、板片表面水膜及填料表面上、下温度等参数的影响。实验结果表明，当进入板片间的空气相对湿度从85%增至90%，水膜温度呈增加趋势，不同位置水膜温度有明显差别，喷淋水的换热量增加，湿空气的换热量减少，板片的平均热流密度和传热系数均随着相对湿度的增加而变小。

板式蒸发冷凝器；相对湿度；传热性能；实验研究

0 引 言

在全球生态环境恶化和化石能源逐渐枯竭的双重压力下,一方面对新能源的研究和利用已经成为全球各国关注的焦点，包括水力发电技术、风力发电和核发电技术等，各国投入力量进行大规模开发和商业化转化；另一方面，对已有的能源消耗设备进行改良，包括在结构、材料等方面进行创新改造，提高其能源利用率来保护环境[1-2]。

蒸发式冷凝器将传统的冷凝器和冷却塔相结合，利用水蒸发吸收潜热来进行传热，拥有传热效率高、节能、结构紧凑和安装方便等优点，被广泛应用在制冷和石油化工等行业[3-4]。吸风蒸发式冷凝器的节能效果取决于环境湿球温度，水膜与金属表面的传热系数大，产生局部负压作用在板片间[5]，其冷凝温度远低于其他形式冷凝器。具体表现为，蒸发式冷凝器冷凝温度要低4～10 ℃，耗水量是水冷式冷凝器的5%～10%，耗电量是其40%，压缩机动力消耗可节约10%以上，循环水量只占水冷式的30%～60%；相比风冷式冷凝器，蒸发式冷凝器冷凝温度要低8～11 ℃，可以保持在35～37 ℃，压缩机动力消耗可节约30%以上[6-7]。

魏高升等[8]提出了一种逆流热质传递过程的数学模型，得到了空气温度、湿度和水温沿流程分布的情况，以及以上参数对板式蒸发式冷凝器换热特性的影响规律。涂爱民等[9]的研究表明，在相对湿度较大的运行环境下，空调系统性能系数仍可达到3.5左右，空气湿球温度对蒸发式冷凝器的排热性能影响明显。钟振兴等[10]对板式蒸发式冷凝器表面的水膜与喷淋水的关系进行了实验研究，证明了适当的喷淋水流量才能充分发挥冷凝器的性能。Qureshi B A等[11-12]根据他人推荐的经验公式，研究了蒸发式换热器的蒸发损失，证实预测值和模拟值结果一致，大部分情况误差低于2%，并进行了热力研究。本文对蒸发冷凝机组在满负荷名义工况下的性能进行测试，采集相应的实验数据，分析进口空气湿度变化对机组传热性能的影响。

1 实验装置

1.1 实验原理

实验系统主要包括了冷凝器主体、风机、冷却水回路、测量系统与监控系统等。蒸发式冷凝器的工作原理见图1，喷淋水自布水器喷出后进入到换热板片，在换热板片表面形成一定厚度的水膜，在重力的作用下流向板片，分别在板片的表面形成水膜(少部分喷淋水在板片与填料间形成水滴)，并与板片进行热量交换，达到将板片内部制冷剂进行降温冷却的目的。

又由于引风机的作用，在2排换热板片之间形成了低压区，在压差的作用下，有2股湿空气气流被吸进，一股来自于冷凝器下部的气液混合物，另一股为冷凝器迎面的湿空气气流，这2股气流在板片间进行汇合，并与板片进行显热交换。同时水吸热蒸发变成水蒸气进入未饱和湿空气中进行潜热交换和质量交换，增加湿空气的湿度，最后通过除湿帘除去湿空气混合物中的水珠，被风机排出。喷淋水完成冷却作用后具有一定温度，进入到板片下部填料进行降温，最后进入到水槽，由循环水泵将集水槽的水送回布水器，循环使用。

图1 蒸发冷凝器原理Fig.1 Principle of evaporative condenser

该蒸发式冷凝器机组采用的是周期性分布的酒窝状换热板片，表1是其具体参数。为了加快喷淋水的冷却速度，会在2块板片间以及板片与集水槽间放入pvc填料，增加了冷却水和冷却空气的接触面积，强化冷却效果[13]。在集水槽和板片间也设置有填料，延缓冷却水在空气间的停留时间，使气流充分通过水膜表面，进一步增强散热效果，提高换热效率。

表1 板片蒸发式冷凝器参数

Table 1 Parameters of plate-type evaporative condenser

1.2 实验测量

主要需测量数据有：实验时间，环境干湿球温度，冷凝器进口空气流速、进出口干湿球温度，喷淋水流量及温度，板片表面水膜及填料表面上、下的温度，冷凝器中制冷剂的进出口温度。

空气的温、湿度采用testo625温湿度仪，温度精度为±0.5 ℃，量程为-10～60 ℃，湿度精度为±2.5%，量程为0%～100%。板片表面喷淋水膜的温度以及制冷剂进出口温度测量采用K型热电偶，布置了3个测点位置进行水膜温度测量，分别安排在上、中、下，见图2。进入板片间的空气气流流速测量采用AVM-05叶轮风速仪，操作温度范围为0～50 ℃，量程为0.3～45 m/s。进口空气流速9个测点均匀分布在空气入口处。如图3所示，这些测点测量的是冷却水从板片间出来，进入水槽前的温度，在填料上下布置有2个测点。

图2 水膜温度热电偶测点Fig.2 Thermocouple measuring points for film temperature

图3 下部填料温度测点Fig.3 Temperature measured points for lower part of filler

实验用的冷却水喷淋进入换热板片，进入每个板片间的流量控制为0.025 kg/s，室内环境空气干球温度27.5 ℃，相对湿度为79%，大气压为101 kPa，风机进行抽风使进入板片间的气流速度为2 m/s。保持实验室内其他条件不变，对实验室内进行喷雾加水可增加环境湿度，通过使用抽湿机和空调机抽湿来降低实验环境湿度。

1.3 数据处理

(1)板片换热面积A为

A=2NA0

(1)

式中：A0为单个板片的换热面积；N为板片数量。

(2)湿空气换热量Qa为

(2)

式中：Ga为风机出风量，m3/h；ρa为定性温度下的空气密度，kg/m3；io，a为出口焓值，kJ/kg；ii，a为进口焓值，kJ/kg。

(3)冷冻水换热量Qw为

(3)

式中：Gw为冷冻水流量，kg/s；Cp,w为水的定压比热容，J/K；To,w为冷冻水出口温度， ℃；Ti,w为冷冻水进口温度， ℃。

(4)喷淋水的换热量Qp为

(4)

式中：Gp喷淋水流量，kg/s；Cp,p为喷淋水的定压比热容，J/K；To,p为喷淋水出口温度， ℃；Ti,p为喷淋水进口温度， ℃。

(5)冷凝器的传热量Qc为

Qc=Qa+Qp

(5)

(6)冷凝器的传热温差

在板式蒸发冷凝器中，湿空气与制冷剂为一次交叉流，根据文献[14]，平均温差可以通过逆流时的对数平均温差求得，即

ΔTm=ψΔT

(6)

式中：ψ为比例系数；ΔT为逆流时的对数平均温差， ℃，其计算式为

(7)

Tmax=Ti,r-Ti,a

(8)

Tmin=To,r-To,a

(9)

式中：Ti，r为制冷剂进口温度， ℃；To，r为制冷剂出口温度， ℃；Ti，a为空气进口湿球温度， ℃；To，a为空气出口湿球温度， ℃[15]。

(7)换热板片的热流密度为

(10)

(8)换热板片的表面传热系数为

(11)

2 实验结果

2.1 相对湿度对水膜温度的影响

进入板片间的空气相对湿度从85%增至90%，水膜的蒸发动力变弱，导致蒸发量变小，潜热交换量随着变小，从而使得水膜温度升高[14]。上部水膜的温度相比下部水膜的温度要低2.5 ℃左右，因为喷淋水自上而下流动，上部的水膜在上部时已与制冷剂进行显热交换温度升高，同样此时自上而下流动的制冷剂也因放热而液化，温度降低，如图4所示。

图4 水膜温度和相对湿度的关系Fig.4 Relationship between relative humidity and water film temperature

2.2 相对湿度对换热量的影响

空气的相对湿度增加，空气中和水膜的水蒸气浓度差变小，蒸发的推动力减弱，导致水膜蒸发受阻而变弱，从板片传到湿空气的热量变小。制冷剂在板片内冷凝，即总的传热量不变时，湿空气的换热量从1 026 kW减少至850 kW，喷淋水的换热量则增大，见图5、6。

图5 喷淋水换热量与相对湿度的关系Fig.5 Relationship between relative humidity and heat transfer mass of spray water

图6 湿空气换热量与相对湿度的关系Fig.6 Relationship between relative humidity and heat transfer mass of wet air

2.3 相对湿度对热流密度及传热系数的影响

板片的平均热流密随着相对湿度的增加从3.749 W/m2减少到3.645 W/m2，传热系数从182.5 W/(m2·K)降至170 W/(m2·K)。相对湿度越大，水膜的温度也升高，使湿空气和水膜的传热传质过程越不利，从而减小了板片的平均热流密度和传热系数，如图7、8。

图7 热流量与相对湿度的关系Fig.7 Relationship between relative humidity and heat flux

图8 传热系数和相对湿度的关系Fig.8 Relationship between relative humidity and heat transfer coefficient

3 结 论

对实验测试平台的测试原理以及实验设备进行了介绍，对板式蒸发冷凝机组进行工况下的性能测试，分别得到湿空气相对湿度与板片水膜温度、喷淋水及空气换热量、板片平均热流密度和传热系数的关系。实验结果表明，当相对湿度处于87%左右时，可以保证180 W/(m2·K)较高的传热系数，并能充分发挥喷淋水及湿空气的换热作用。

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(编辑：蒋毅恒)

Experimental Study on Effect of Inlet-Air Relative Humidity on Heat Transfer Performance of Plate-Type Evaporative Condenser

JIAN Qifei1, DAI Chenying1, REN Qin1, ZHANG Yong2

(1.School of Mechanical & Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China;2.Guangzhou Huade Industrial Co., Ltd., Guangzhou 510663, China)

To study the effect of the relative humidity of air on heat transfer performance, a heat transfer performance test of water film based on evaporative condenser was carried out.The cooling water temperature, the water film temperature of plates and the temperature above and below the surface of filler were investigated by test equipments under the condition that the relative humidity of air was adjusted, and other parameters remained the same.The results show that the temperature of water film increases when the relative humidity of the air between plates increases from 85% to 90%.The temperature of water film at different position is obviously different.With the increase of humidity, the heat transfer mass of spray water increases, while the heat transfer mass of wet air, the average heat flux and surface heat transfer coefficient of plate decreases.

plate-type evaporative condenser; relative humidity; heat transfer performance; experimental investigation

TK 124

A

1000-7229(2015)03-0094-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.03.016

2014-09-28

2014-10-25

简弃非(1963)，男，博士生导师，研究方向为制冷与空调技术；

戴晨影(1989)，女，硕士研究生，研究方向为制冷与空调技术；

任勤(1988)，女，硕士研究生，研究方向为制冷与空调技术；

张勇(1980)，男，工程师，研究方向为空调制冷。