地鐵站板式蒸發(fā)冷卻器叉流條件下傳熱傳質特性

蔣 斌,王子云,付祥釗,王 勇

(1.西南科技大學土木工程與建筑學院四川綿陽 621010;2.四川大學建筑與環(huán)境學院,四川成都 610065; 3.重慶大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室重慶 400045)

地鐵站板式蒸發(fā)冷卻器叉流條件下傳熱傳質特性

蔣 斌1,3,王子云2,付祥釗3,王 勇3

(1.西南科技大學土木工程與建筑學院四川綿陽 621010;2.四川大學建筑與環(huán)境學院,四川成都 610065; 3.重慶大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室重慶 400045)

在氣液叉流條件下,采用非接觸式紅外熱成像測溫方法,就不同氣相雷諾數(shù)和液膜雷諾數(shù)對地鐵站板式蒸發(fā)冷卻器液膜傳熱傳質特性影響進行了實驗研究,結果表明：對于確定的被冷卻水溫,在液膜雷諾數(shù)增加的過程中,液膜厚度逐漸增加,進出口溫差逐漸減小,削弱液膜換熱,但雷諾數(shù)上升使得液膜湍動強度增強,強化了液膜換熱,在這2個因素的協(xié)同作用下,存在最佳液膜流動雷諾數(shù),使得液膜的換熱熱阻最小,傳質最強,換熱系數(shù)最大。

地鐵站;蒸發(fā)冷卻;降膜;氣液叉流

地鐵作為城市交通的重要手段,經(jīng)歷了140年的發(fā)展,至今全世界已經(jīng)有60多個國家近200座城市建成地鐵網(wǎng)絡系統(tǒng),近年來,中國大力發(fā)展軌道交通,鼓勵地鐵建設。為了給乘客提供舒適的環(huán)境,排出地鐵站內熱源產(chǎn)生的熱量,目前,地鐵站空調系統(tǒng)都是在地鐵站臺地面上安裝冷卻塔,實現(xiàn)空調系統(tǒng)冷卻水降溫。如此設置存在以下的負面影響：1)破壞城市景觀,冷卻塔與周圍環(huán)境顯得極不協(xié)調;2)室外安裝需要與建筑配合協(xié)調承重、補水、供電等問題,增加工程協(xié)調難度。鑒于以上問題,設計地鐵站專用冷卻器替代地面冷卻塔,對解決地鐵站冷卻塔設置問題具有現(xiàn)實意義。

板式換熱器是一種在工業(yè)設備中應用較為廣泛的換熱方式,將板式換熱器與蒸發(fā)冷卻技術相結合,采用全膜流板式蒸發(fā)冷卻器代替地面冷卻塔,可以解決地鐵冷卻塔設置問題。液膜流動的傳熱機理對其換熱性能影響顯著,在過去幾十年,很多學者從理論和實驗上對液膜流動進行了大量研究[1-3]。隨著測量手段的不斷革新,熱成像儀、高速攝像機等先進的測量設備被用于液膜流動研究,幫助研究人員更加準確探究液膜流動傳熱特性[4-6],此外,也有學者采用計算流體力學軟件(CFD)對氣液兩相降膜流動進行了研究[7-9],但大部分研究為氣液順流或逆流[10-12]。就實際應用而言,全膜流板式蒸發(fā)冷卻器安裝在排風道水平段內施工難度最小,最具可行性,因此,有必要對氣液叉流條件下液膜傳熱特性進行研究。

在氣液叉流條件下,采用非接觸式紅外熱成像測溫方法,就不同氣相雷諾數(shù)和液膜雷諾數(shù)對全膜流板式蒸發(fā)冷卻器液膜傳熱傳質特性影響進行了實驗研究,為該設備的設計研發(fā)提供了重要參考依據(jù)。

1 實驗裝置和數(shù)據(jù)采集

1.1 實驗裝置

實驗裝置示意圖如圖1所示。實驗中降膜工作流體為液態(tài)水,液態(tài)水經(jīng)過預熱水箱加熱到預設溫度后,由增壓水泵經(jīng)過LZB玻璃轉子流量計(量程100-1 000 L/h,最小分度值20 L/h)輸送至布液管,整個輸水管道用20 mm厚橡塑保溫材料保溫,以減少管道延程熱量損失。圖2是多孔布液管的結構尺寸,長度為200 mm。為保證液體初始分布均勻,多孔布液管沿長度方向平均排布7個直徑為6 mm的小孔,小孔下方為三角形接液槽。尺寸為150mm× 200 mm的不銹鋼板與豎直降膜板成約40°角,形成三角形區(qū)域,構成布液器。布液器下邊緣與降膜板留有寬1mm的狹縫,液態(tài)水可以從狹縫流出,貼附著降膜板向下流動,降膜板為600 mm×200 mm的不銹鋼板。

預熱水箱和被冷卻水箱均采用1.2 mm不銹鋼板焊接制作,外表面采用20mm橡塑板保溫,分別提供不同溫度的降膜水和被冷卻水。

根據(jù)《高低速風洞氣動與結構設計》[18]搭建了閉口低速直流式風洞實驗臺,風洞動力裝置為CF-11離心風機,具體參數(shù)為：流量5 100m3/h,全壓1 000 Pa,功率2.2 kW,轉速1 450 r/min,風機進口前端裝有流量調節(jié)閥,可以調節(jié)不同風量。將整個降膜實驗件放置在閉口低速直流式風洞中,在氣液叉流條件下對該設備熱質傳遞進行實驗,保持被冷卻水溫度為37℃。

圖1 實驗裝置示意圖

圖2 布液管結構圖

1.2 數(shù)據(jù)采集

為了避免在降膜板正面布置熱電偶給液膜流動帶來擾動,在降膜板背面沿液膜流動方向上等距布置5個熱電偶,對降膜板壁面溫度進行測量。由于不銹鋼板的導熱系數(shù)很高,可以近似認為不銹鋼背面溫度即為降膜板壁面溫度。液膜溫度采用ThermaCAMP30紅外熱成像儀進行非接觸式測量。

液膜和被冷卻水流量采用LZB-25玻璃轉子流量計測量。流量計參數(shù)為：量程100～1 000 L/h,最小分度值20 L/h,被測液體溫度范圍-20～120℃。空氣溫度、速度、相對濕度采用智能環(huán)境測試儀測量。智能環(huán)境測試儀參數(shù)為：0.0～60.0℃,± 0.5℃;0.10～30.0 m/s,±0.015 m/s;2.0%～98.0%RH,±2.0%RH。

1.3 數(shù)據(jù)處理

降膜板壁面平均溫度Tw、液膜溫度TL按照下式計算：

式中,為沿液膜流動方向上壁面溫度測量值,℃,為沿液膜流動方向上對應壁面溫度測量點的液膜溫度測量值,℃,該溫度值需要借助紅外熱成像處理軟件ThermaCAMReporter 8.2獲取。

液膜平均傳熱系數(shù)hL：

式中,mL為單位寬度上液膜流量,kg/(m?s);cp為水的定壓比熱,J/(kg?K);L為降膜板長度,m;TL,in,TL,out為降膜水進、出口溫度,℃;Tw為降膜板壁面平均溫度,℃;TL為液膜平均溫度,℃。

氣相雷諾數(shù)和液膜雷諾數(shù)ReL[19]：

式中,R為空氣流道水力半徑,m為氣相速度, m/s;υG為氣相運動粘度,m2/s;μL為水的動力粘度,Pa?s。

2 結果與討論

在板式蒸發(fā)冷卻器傳熱傳質過程中,液膜吸收換熱板片熱量,再由液膜通過導熱和蒸發(fā)傳質方式傳遞給濕空氣,由外掠濕空氣帶走,包括液膜顯熱和潛熱交換,對影響這一氣液熱質交換過程的影響因素進行了實驗。

2.1 液膜和降膜板壁面溫度變化

圖3為液膜與被冷卻水流動方向相同時, ThermaCAMP30紅外熱成像儀測量的液膜溫度隨液膜雷諾數(shù)變化。左起依次為：降膜板實物圖,不同雷諾數(shù)下液膜溫度紅外成像圖,溫度標尺。由圖可知,液膜雷諾數(shù)較小時(圖3a),液膜很薄,沿流動方向上溫度上升較快,在降膜板下邊緣處,溫度可達到32℃。隨著液膜雷諾數(shù)的增大,液膜出口溫度逐漸減小,這勢必影響到液膜換熱性能。

圖3 液膜溫度變化

圖4 液膜進出口溫差隨雷諾數(shù)的變化

圖4為液膜進出口溫差隨雷諾數(shù)的變化,可以看出,隨著液膜雷諾數(shù)的增加,液膜進出口溫差逐漸減小。液膜雷諾數(shù)增大時,液膜流動速度逐漸增大,液膜迅速流過降膜板,減少了在壁面上的停留時間,單位體積的液膜所吸收的熱量也減少,在降膜板下邊緣出口處的溫度降低。此外,隨著外掠空氣雷諾數(shù)ReG的增加,液膜進出口溫差不斷增大,ReG= 5 073時,進出口溫差為5.2℃平均;ReG=21 730時,進出口溫差為5.9℃平均。這主要是因為外掠空氣雷諾數(shù)增大平均時,加快了液膜表面的對流換熱,使得液膜進出口溫差增大。

2.2 液膜流動雷諾數(shù)對換熱面積的影響

當液膜流量較小時,液膜流動雷諾數(shù)較小,液膜厚度也越薄,在表面張力的作用下,液膜向著最小體積收縮,液膜覆蓋面積減小。液膜流動雷諾數(shù)增加時,液膜的覆蓋面積逐漸增大,但隨著雷諾數(shù)的增加,液膜覆蓋面積的增加速度逐漸減小,無量綱面積曲線逐漸變得平緩,圖5清晰的表明了這點。

液膜在叉流空氣的外掠下,沿著空氣流動方向發(fā)生偏轉,使得降膜板被液膜所覆蓋面積減少,增加了直接裸露在空氣中的降膜板面積,不利于液膜換熱。由圖 5可知,隨著外掠空氣雷諾數(shù)增大,液膜覆蓋面積有所減小;當外掠空氣雷諾數(shù)較大時(約大于1 800),空氣雷諾數(shù)對液膜覆蓋面積的影響變的很小,不同雷諾數(shù)時無量綱液膜面積曲線基本重合。

圖5 無量綱液膜覆蓋面積隨液膜流動雷諾數(shù)的變,Ta=8℃,φa=90%.

2.3 液膜流動雷諾數(shù)對換熱系數(shù)的影響

熱量從降膜板通過水膜表面蒸發(fā)轉移的過程中,金屬板的熱傳導性最強(不銹鋼導熱系數(shù)k=10～30 W/(m?K)),水膜的導熱性能最差(k= 0.6W/(m?K))。因此,水膜厚度對傳熱的影響很大。水膜太厚,由于水的導熱性能很小,阻止了熱量的傳遞;水膜太薄,在壁面熱流和外掠空氣的協(xié)同作用下,液膜很快就蒸發(fā)殆盡,在壁面上形成干斑,惡化壁面換熱。基于上述分析,對于確定的被冷卻水水溫,必然存在最佳液膜流量,即最佳液膜流動雷諾數(shù),使得液膜的換熱熱阻最小,換熱系數(shù)最大。

圖6是液膜換熱系數(shù)hL隨液膜流動雷諾數(shù)ReL的變化情況。可以看出,液膜換熱系數(shù)隨著液膜流動雷諾數(shù)的增加,先逐漸增大,增大到最大值后,開始逐漸減小,這與前述理論分析相吻合。在雷諾數(shù)增加的過程中,液膜厚度逐漸增加,進出口溫差逐漸減小,削弱了液膜換熱,但雷諾數(shù)上升使得液膜湍動強度增強,其對換熱的強化作用超過了液膜厚度增加對換熱的削弱。隨著雷諾數(shù)進一步增大,液膜厚度繼續(xù)增厚,熱阻增大,此時,液膜厚度對換熱的削弱大于湍動增強對換熱的強化,雷諾數(shù)的增加不利于換熱。由于上述原因,研究發(fā)現(xiàn),存在最佳液膜流動雷諾數(shù),在該雷諾數(shù)下,液膜換熱熱阻最小,換熱系數(shù)最大。就本實驗工況而言,實驗發(fā)現(xiàn),最佳液膜雷諾數(shù)ReL約為1 500左右。

此外,液膜換熱系數(shù)hL隨外掠空氣雷諾數(shù)的增加而增大。外掠空氣溫度為8℃、相對濕度為90%,=13 447時,平均換熱系數(shù)為2 921.49 W/m2?K,ReG=28 015時,平均換熱系數(shù)為3 127.28W/m2?K。

2.4 液膜流動過程中的傳質

根據(jù)牛頓內摩擦定律、傅里葉定律、斐克定律可知,動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞的關系具有類比性。劉易斯實驗得到了劉易斯數(shù)=1條件下,水表面的蒸發(fā)過程中對流換熱系數(shù)h和傳質系數(shù)hm之間存在著簡單的類比關系：

圖6 液膜換熱系數(shù)隨液膜流動雷諾數(shù)的變化,Ta=8℃,φa=90%.

劉易斯因子Lef定義為傳熱斯坦頓數(shù)St與傳質斯坦頓數(shù)Stm的比值：

式中,Sh為舍伍德數(shù),Nu為努塞爾數(shù),ρ為密度, kg/m3,u為速度,m/s。

根據(jù)Chilton-Colburn比擬[15]：

式中,為水利直徑,m,D為質擴散系數(shù),m2/s.

圖7 平均舍伍德數(shù)隨液膜流動雷諾數(shù)的變化.

圖7為平均舍伍德數(shù)隨液膜流動雷諾數(shù)的變化,可以看出,舍伍德數(shù)隨液膜雷諾數(shù)的增大,先增大后減小,這與物理事實相符。液膜流動過程中,舍伍德數(shù)最大時傳質也最強烈,此時水分蒸發(fā)所吸收的熱量最多,液膜換熱系數(shù)也最大。此外,當外掠空氣雷諾數(shù)增大時,平均舍伍德數(shù)增大,空氣雷諾數(shù)的增加,必然造成對液膜擾動的增強,破壞液膜穩(wěn)定性和完整性,影響液膜換熱。鑒于此,實際應用過程中必須充分考慮增加空氣雷諾數(shù)對液膜穩(wěn)定性的影響。

3 結 論

氣液流動方式對地鐵站全膜流板式蒸發(fā)冷卻器傳熱傳質特性的影響十分重要,本文在氣液叉流條件下,就不同氣相雷諾數(shù)和液膜雷諾數(shù)對該冷卻器液膜傳熱傳質特性影響進行了實驗研究,結果表明：對于確定的被冷卻水水溫,在液膜雷諾數(shù)增加的過程中,液膜厚度逐漸增加,進出口溫差逐漸減小,削弱了液膜換熱,但雷諾數(shù)上升使得液膜湍動強度增強,強化了液膜換熱。在這兩個因素的協(xié)同作用下,存在最佳液膜流動雷諾數(shù),使得液膜的換熱熱阻最小,傳質最強烈,換熱系數(shù)最大。因此,在設計研發(fā)地鐵站全膜流板式蒸發(fā)冷卻器時,應該選擇合適的液膜流量,使其傳熱性能最佳。

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(編輯 胡 玲)

Subway Station Plate Evaporative Cooler Heat and Mass Transfer of Falling Film under Gas-liquid Cross-flow Condition

JIANGBin1,3,WANGZi-yun2,FUXiang-zhao3,WANGYong3

(1.School of Civil Engineering and A rchitecture,Southwest University of Science and Technology,Mianyang,621010; 2.College of A rchitecture and Environment,Sichuan University,Chengdu 610065; 3.MOEKey Lab of Three Gorges Reservoir Region's Eco-Environment,Chongqing University,Chongqing 400045)

W ith the influence of the different gas Reynolds num ber and liquid Reynolds number on falling film heat and mass transfer of subway station p late evaporative cooler,the experimentwas carried out by non-contact infrared therm al imaging technology under gas-liquid cross-flow condition.The results indicated that during the increasing of liquid Reynolds number the thicknessof liquid film increased and the temperature difference between liquid film in let and outlet decreased in determined heating water temperaturew hich w eakened the heat transfer of liquid film.However,the increase of liquid Reynolds number strengthened the liquid film turbulence thatenhanced heat transfer.Under the synergistic effect of these twofactors,there was an op timal liquid Reynolds number which minimize thermal resistance and maximize heat and mass transfer coefficient of liquid film.

subway station,evaporative cooling,falling film,gas-liquid cross-flow

TK 124

A

1674-4764(2011)02-0101-05

2010-10-18

國家“十一五”科技支撐計劃項目(2006BA J01A06-3)

蔣 斌(1981-),男,博士,主要從事建筑節(jié)能及兩相流研究,(E-mail)jiangbinustc@yahoo.com.cn。