大温差冷却水对冷凝器传热系数的影响研究

陈刚 程昕 李惠敏

南华大学城市建设学院

大温差冷却水对冷凝器传热系数的影响研究

陈刚 程昕 李惠敏

南华大学城市建设学院

本文以江河水为冷却水，对典型的壳管式冷凝器的传热系数进行理论计算和分析。得出当冷却水流量恒定，冷却水进水温度为24～28℃，出水温度为37℃时，冷凝器传热系数随进水温度的降低而增大，且增长速度逐渐加快；当低温冷却水流量呈跳跃式减少时，冷凝器传热系数的增长有所下降，但仍远大于通常使用状态下的冷凝器传热系数。

大温差冷却水 壳管式冷凝器 传热系数 冷却水流量

壳管式冷凝器是制冷设备中应用最广的冷凝器之一。目前，提高冷凝器性能的研究主要集中在强化传热方面。强化传热的主要途径有提高传热系数、扩大传热面积、增大传热温差等，其中，提高传热系数是研究强化传热的重点。我国南方地区多河流，较深处的河水温度常年变化不大，始终保持在24～28℃。本文采用江河水作为冷却水，分析在冷却水出水温度为24～28℃、冷却水出水温度为37℃的条件下：①当冷却水流量不变时，不同的冷却水进水温度对壳管式冷凝器传热系数的影响；②当冷却水流量以某一拟定变化关系改变时，不同的冷却水进水温度对壳管式冷凝器传热系数的影响。这两种运行状态与通常使用状态相比，降低了冷却水进水温度、增大了冷却水进出口温差、减少了冷却水流量。

1 壳管式冷凝器传热

冷凝器的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，其传热性能主要体现在传热系数上，传热系数越大，冷凝器的传热热阻就越小，其传热性能越好。

1.1 传热系数

在壳管式冷凝器传热系数的计算中，常用冷凝管的外表面积作为计算传热面积。传热系数k可按下式计算：

式中：当冷凝器型号确定后，内外径d1、d2、两侧的污垢热阻R1、R2及其热导率λ均可直接测取，因此冷凝器传热系数计算的关键就是管程传热系数α1及壳程传热系数α2的计算。

1.2 管程传热系数

对壳管式冷凝器而言，进入冷凝管管束内的冷却水与流经壳程的制冷剂蒸汽进行强制对流换热。影响管程强制对流传热系数的因素有冷凝管的特征尺寸、流体流速、流体物理性质等。由于管内湍流传热机理复杂，管程传热系数可采用经验公式进行计算[1]。

式中：λ为热导率，W/(m·℃）；ρ为密度，kg/m3；μ为流体黏度，Pa·s；cp为定压比热容，J/(m·℃）；ti、to为冷却水进、出口温度，℃。公式中流体的物理性质采用定性温度tm=0.4to+0.6ti[2]下的数值。

1.3 壳程传热系数

本文选取卧式壳管式冷凝器进行计算，该冷凝器的冷凝管由水平管束组成，除第一排冷凝管外，其他各排管的冷凝情况均会受到其上各排管流下的冷凝液的影响，致使其液膜扰动增强。文中，壳程传热系数计算公式是根据水平单管外壁面的层流膜状冷凝传热计算公式推广而得，若冷凝器中有n根冷凝管，则其平均传热系数可用下式计算[1]。

式中：g为重力加速度，g=9.8m/s2；Δt为液膜两侧的温差，℃；r为汽化潜热，J/kg。除汽化潜热取冷凝温度下的值外，其他物性参数取饱和蒸汽温度和冷凝管壁温度算术平均值下的数值。

2 实例分析

冷凝器中的冷却水系统分为定流量系统和变流量系统；其中，变流量系统改变流量的方式又有连续改变流量和跳跃式改变流量。受冷却水泵选用的影响，在通常情况下，定流量系统应用较为广泛。在大型的空调系统中，冷却水泵的台数一般大于一台，且有备有用，型号也不尽相同，不同的冷却水泵开启台数及型号的组合，可以使冷却水流量产生变化。冷却水流量与温度有多种不同组合，本文仅根据经验，选择了某种流量与温度的组合进行分析。本文在实例分析中，针对冷却水流量的两种不同状况进行分析。实例分析一：随冷却水进水温度的降低，冷却水流量恒定；实例分析二：从28℃起，随着冷却水温度的降低，每降低2℃，则冷却水流量减少25%，冷却水流量呈跳跃式变化。

2.1 实例分析一

本文选取某冷凝器的负荷为300kW，由产品样本手册查得具体结构尺寸如下：壳体内径273mm，冷凝管外径19mm，内径17mm。冷凝器共65根冷凝管，呈叉形排列；材质为铸钢材料；制冷剂为R22。在计算中，设定冷却水出水温度为37℃，改变其进水温度，冷却水进水温度的变化范围为24～28℃；冷却水流量恒定，冷凝温度随冷却水进水温度的降低而改变[3]。管程污垢热阻为0.18×10-3m2·K/W、壳程污垢热阻为0.14× 10-3m·2K/W。

通过计算，得出在不同冷却水进水温度下的壳管式冷凝器的传热系数，将计算结果列入表1。

表1 不同冷却水进水温度下的壳管式冷凝器传热系数表

各进水温度下的传热系数值与额定工况下32℃的进水温度所得传热系数值的比较如图1所示。

图1 不同进水温度下的传热系数值与32℃进水温度的传热系数值比较

从表1中可以看出，随着冷却水进水温度的降低，冷凝器的传热系数随之增加；当冷却水进水温度由28℃降低到24℃时，冷凝器传热系数增加了约36%；与进水温度为32℃时相比，最大增加幅度达到124%。从图2中可以看出，冷却水进水温度越低，传热系数越大，其对应的传热系数与进水温度为32℃的传热系数差值也越大。各点数值的变化率体现了传热系数的改变速度，冷凝器传热系数的增加速度随着冷却水进水温度的降低而加快。

2.2 实例分析二

实例分析二中的冷凝器负荷及其他基本参数与实例分析一相同，仅冷却水流量的变化情况按照如图2所示改变，即在冷却水进水温度为24～25℃时，冷却水量变为额定工况冷却水量的50%；冷却水进水温度为26～27℃时，冷却水量变为额定工况冷却水量的75%；冷却水进水温度为28℃时，冷却水量为额定工况冷却水量。在实际工程应用中，冷却水流量的变化可以通过改变冷却水泵开启台数、不同型号冷却泵的开启组合或使用变频水泵来实现[4]。

图2 冷却水流量随温度变化图

通过计算，可得到在不同冷却水流量及进水温度组合下，管壳式冷凝器的传热系数，计算结果列入表2中。

表2 不同冷却水流量及进水温度组合下的壳管式冷凝器传热系数表

从表2中可以看出，冷却水进水温度在24℃～27℃时，尽管冷却水流量有所降低，但冷凝器传热系数仍然是增大的。可以发现当27℃的冷却水流量减少至75%时，冷凝器传热系数虽然比28℃时有所下降，但仍比通常运行状况下的冷凝器传热系数高约44%。冷却水进出口温差加大，在换热量确定的情况下，冷却水流量减少，水系统的管径及其配件的尺寸减小，冷却水水泵功率也减小，可以实现节能目的。

为更清楚地比较分析实例分析一与实例分析二，将计算结果绘入图3中进行对比。

从图3中可以看出，在两个实例中，冷凝器传热系数保持不断增长的趋势。实例分析二在冷却水进水温度为24℃～27℃时的冷却水流量呈跳跃式减少，流量的减少导致冷凝器传热系数的增长也有所波动，其与实例分析一中的传热系数相比，波动幅度均小于16%，远远小于冷却水流量百分比的减少。由此可以看出，当采用低温冷却水时，可以适当减少冷却水流量，从而达到更好的节能效果。

图3 实例分析一、二结果对比图

3 误差分析

本文在计算壳管式冷凝器换热系数时，由于湍流传热机理复杂，采用了经验公式对其进行计算。经验公式与实际工况不尽相同，势必会产生一定的误差：

1）壳管式冷凝器壳侧流体在管束之间与管束呈多种夹角方向的流动，通过折流板缺口时，有部分流体会从折流板与冷凝管之间的空隙流过，同时还会有少量流体从折流板与冷凝器壳体之间的细缝中流过。此外，冷凝管内外流体之间的热交换是藕合在一起的[1]，而通常的换热器计算会假设流动为一维稳态的、冷凝管内外两种流体平行流动、总传热系数k沿轴向均匀不变等。面对如此复杂的流动和换热过程，经验公式进行计算是不够精确的。

2）在经验公式的计算中，某些取值并未经理论检验，而是实践中的近似总结；且在经验公式的总结中，存在了一些假定条件，这些假定条件就是实际工况的简化，与实际的工况有一定差异。这些不可避免因素的存在，都会影响计算的准确性。

4 结束语

本文选择了应用最为广泛的壳管式冷凝器进行理论计算，可得出以下结论：

1）当冷却水流量恒定时，随着冷却水进水温度的降低，冷凝器的传热系数随之增加，增长速度亦随之加快。

2）当冷却水流量减少时，冷凝器传热系数增长减慢，但仍高于通常运行状况下的冷凝器传热系数。

在对冷却水变流量系统的计算中，本文仅选取了某一种温度与流量的组合进行计算，其他组合方式并未做讨论。文章根据冷凝器在实际应用时的某些参数从理论计算的角度对大温差冷却水系统进行分析，对于其在工程应用中的实际运行状况，还需进一步探讨。

[1]董其伍,张垚.换热器[M].北京:化学工业出版社,2008

[2]壳管式换热器(GB151-1999)[S]

[3]李勇,刘宁宁.凝汽器冷却水温度和流量对凝结水过冷度影响的研究[J].汽轮机技术,2009,51(3):210-213

[4]李苏泷.集中空调冷却水变流量问题辨析[J].暖通空调,2005, 35(6):52-54

Ana lys is of She ll-a nd-tube Conde ns e r’s He a t Tra ns fe r Coe ffic ie nt unde r La rge Te m pe ra ture Diffe re nc e Cooling Wa te r

CHEN Gang,CHENG Xin,LI Hui-min
School of Urban Construction,University of South China

This paper using river water as cooling water to theoretical calculation the heat transfer coefficient of shell-and-tube condenser.It works out that heat transfer coefficient of condenser grow fast with the drop of inlet water temperature when the flow of cooling water is constant,the cooling water temperature range between 24～28℃and the outlet temperature is 37℃.When the flow of cooling water drops down,the increase of the heat transfer coefficient slows down,but it’s still larger than normal condition.

large temperature difference cooling water,shell-and-tube condenser,heat transfer coefficient,cooling water flow

1003-0344（2015）02-059-4

2013-12-2

陈刚（1968～），男，教授；湖南省衡阳市南华大学城市建设学院（421001）；E-mail:cg9019@163.com