環境參數對蒸發式冷卻換熱器性能影響的實驗研究

申江 楊萌 張聰 王曉樂

（天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134）

環境參數對蒸發式冷卻換熱器性能影響的實驗研究

申江 楊萌 張聰 王曉樂

（天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134）

本文利用由焓差室控制環境參數的水?水蒸發式冷卻換熱器實驗臺，研究噴淋密度、迎面風速和環境參數對其傳熱傳質性能的影響。當改變噴淋密度和迎面風速時，測得最佳噴淋密度為0.031 4 kg／（m·s），最佳迎面風速為3.22 m／s；在最佳噴淋密度和最佳迎面風速的條件下，改變環境參數，測得濕球溫度從22℃上升至28℃時，總傳熱系數降低約4.2%，傳質系數降低約9.3%；相對濕度從85%降低至55%時，總傳熱系數上升約10%，傳質系數上升約13.7%。

蒸發式冷卻換熱器；傳熱系數；傳質系數；相對濕度；濕球溫度

蒸發式冷卻換熱器是利用盤管表面的液膜與強制流動的空氣進行蒸發式傳熱傳質的一種換熱設備，潛熱傳熱占總換熱量的90%以上。與水冷式制冷機組相比，蒸發式制冷機組系統節能16.3%，節水39.7%［1－6］。國外對蒸發式冷卻技術的研究從二十世紀中期已經成熟，R.Armbruster等［7］建立換熱性能同噴淋水量、迎面風速以及盤管結構和水膜溫度關系的關聯式。近年來國內朱冬生等［8－11］建立了蒸發式冷凝器的實驗臺，從理論和實驗兩個方面進行了傳熱傳質性能研究。

蒸發式冷卻換熱器的工作效率受環境參數的影響很大，N.Gilani等［12］對蒸發式冷卻換熱器在不同的環境條件下，根據熱舒適原則提出幾何和物理特征的理論和實驗研究。朱冬生等［8］研究氣候條件對蒸發式冷凝機組的影響，分析得出一天中空氣參數變化對機組性能的影響差異約為5% ～12%。蔣翔等［13－16］指出，我國各地的氣候條件差異很大，在實際使用設計時，須根據當地的氣候條件變化選擇蒸發式冷卻換熱器的設備技術參數。而此方面的研究略微不足，本文抓住濕球溫度和相對濕度兩個關鍵因素，研究了這兩個因素對蒸發式冷卻換熱器傳熱傳質性能的影響，為此類換熱器的設計提供一定的實驗依據。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置

本實驗在焓差室內搭建水?水蒸發式冷卻換熱器實驗臺，通過焓差室模擬室外環境，研究進風口空氣的濕球溫度和相對濕度對傳熱傳質性能的影響。實驗裝置主要由蒸發式冷卻換熱器和恒溫水箱兩部分組成。實驗臺的系統流程圖如圖1所示。

圖1實驗裝置系統流程圖Fig.1 Experimental device system flow chart

蒸發式冷卻換熱器主要由換熱盤管、噴淋水系統、風系統組成。蒸發式冷卻換熱器的外形尺寸為800 mm×550 mm×1 920 mm（長×寬×高），換熱盤管采用管徑12 mm的紫銅管，管排數為20，換熱盤管呈正三角形排列，橫向間距25 mm，縱向間距26 mm?？紤]實驗成本以及管道的腐蝕、衛生、安全等問題，換熱盤管內工質采用熱水，熱水由恒溫熱水箱供應，電加熱功率為14 kW。

1.2 測試儀器

實驗過程須在換熱盤管表面均勻布置銅?康銅熱電偶，并包裹絕緣保溫材料，采用數據采集器MX100測量溫度；在空氣進出口均勻布置風速探頭，采用KANOXAX多點風速儀測量風速；在空氣進出口采用手持式testo425溫濕度采集器測量空氣參數；采用玻璃轉子流量計測量盤管內熱水流量和噴淋水流量。

實驗環境：設定換熱盤管內熱水進口溫度為（36.5±0.5）℃。研究噴淋密度和迎面風速的影響效果時，設定焓差室內干球溫度為（34±0.5）℃，濕球溫度為（27±0.5）℃；研究進風口空氣濕球溫度和相對濕度的影響效果時，設定噴淋流量為2 500 L／h，風機頻率為38 Hz。

2 實驗數據處理

假設整個實驗過程的總換熱量為盤管內熱水傳到盤管表面的熱量，即：

式中：ci為管內工質的定壓比熱容，kJ／（kg·K）；mi為管內工質質量流量，kg／s；ti1為管內進口工質溫度，℃；ti2為管內出口工質溫度，℃。

總傳熱系數為：

其中換熱溫差：

式中：A0為蒸發式冷卻換熱器總換熱面積，m2；tw為管外水膜溫度，℃。

對于實驗臺的傳質系數，根據空氣質量守恒和能量守恒原理，水膜與空氣界面的傳質系數可表達為：

式中：ma為空氣質量流量，kg／s；Awa為空氣和水膜的換熱面積，m2；h″w為水膜溫度下飽和濕空氣的比焓，kJ／kg；ha1為進口空氣比焓，kJ／kg；ha2為出口空氣比焓，kJ／kg。

3 實驗結果與分析

根據實驗數據處理，選取迎面風速分別為4.07 m／s，3.04 m／s和2.27 m／s三種條件下，分析噴淋密度對傳熱傳質性能的影響；選取噴淋密度分別為0.018 8 kg／（m·s）、0.031 4 kg／（m·s）和0.043 9 kg／（m·s）三種條件下，分析迎面風速對傳熱傳質性能的影響；選取噴淋密度為0.031 4 kg／（m·s），迎面風速為3.04 m／s的條件，分析進風口空氣濕球溫度和相對濕度對傳熱傳質性能的影響。

3.1 噴淋密度的影響

由圖2可知，當噴淋密度小于0.031 4 kg／（m·s）時，總傳熱系數隨著噴淋密度的增大而增大，當噴淋密度大于0.031 4 kg／（m·s）時，總傳熱系數隨著噴淋密度的增大而減小。這是由于噴淋密度較小時，噴淋水不能很好地包裹盤管表面，同時盤管外表面的水膜與空氣的接觸面積較小，盤管換熱性能較差。隨著噴淋密度的不斷增大，盤管表面的布水情況逐漸改善，盤管換熱性能增強。噴淋密度達到最佳值后繼續增大，盤管表面水膜增厚，加大水膜熱阻，盤管換熱性能降低。

由圖3可知，隨著噴淋密度的增大，傳質系數的變化趨勢較為穩定。這是由于當噴淋水量很小時，盤管表面的水膜覆蓋不完整，氣液界面的接觸面積較小，傳質性能較差。當噴淋水量較大時，液膜擾動增大，傳質性能增強，但水膜厚度增大，熱阻也會相應增加，水膜的更新速度加快，水膜溫度降低，這些情況都會降低盤管表面水膜的傳質系數。在整個相互作用過程中，盤管表面的傳質系數的變化較穩定，噴淋密度對傳質系數影響較小。

綜上所述：噴淋密度對傳質系數的影響較小，對總傳熱系數的影響較大，存在最佳噴淋密度使換熱性能最好，噴淋密度的最佳值受到迎面風速的影響很小。本實驗臺的最佳噴淋密度為0.031 4 kg／（m·s）。

圖2總傳熱系數隨噴淋密度的變化Fig.2 The total heat transfer coefficient changes with spray density

圖3傳質系數隨噴淋密度的變化Fig.3 The mass transfer coefficient changes with spray density

3.2 迎面風速的影響

由圖4可知，總傳熱系數隨著迎面風速的增大而增大，當迎面風速達到3.22 m／s時，總傳熱系數增大的趨勢變小，曲線逐漸趨于平穩。原因是隨著迎面風速增大，盤管表面的水膜擾動加強，促進盤管表面的熱濕交換，使傳熱系數增大。風速超過一定值后，導致水膜分布情況惡化，盤管表面水膜與空氣的接觸時間變短，熱交換時間變短，水膜溫度逐漸趨于穩定而不再降低，換熱性能逐漸趨于穩定。

由圖5可知，傳質系數隨著迎面風速的增大而增大，在風速達到3.22 m／s時，傳質系數增加的趨勢逐漸平緩。原因是迎面風速增大使水膜表面的空氣流速度增大，空氣與水膜界面的空氣更新速度加快，降低水膜空氣界面的水蒸氣分壓力，促進傳質。風速超過一定值后，盤管表面水膜與空氣的接觸時間變短，水膜與空氣之間的濕度差逐漸趨于穩定而不再變化，傳質性能逐漸趨于穩定。

圖4總傳熱系數隨迎面風速的變化Fig.4 The total heat transfer coefficient changes with face velocity

圖5傳質系數隨迎面風速的變化Fig.5 The mass transfer coefficient changes with face velocity

綜上所述：迎面風速不斷增大，總傳熱系數、傳質系數增大的趨勢逐漸平緩，風機耗能逐漸增大，使能效比降低。對于給定的蒸發式冷卻換熱器，應在噴淋水能夠很好地包裹盤管表面、運行經濟性的條件下選擇迎面風速。本實驗臺最佳迎面風速為3.22 m／s。

3.3 濕球溫度的影響

由圖6可知，隨著濕球溫度的升高總傳熱系數降低。濕球溫度從22℃上升到28℃，總傳熱系數降低約4.2%。原因是蒸發式冷卻換熱器的傳熱驅動力是管內工質進口溫度和濕球溫度之間的溫度差，濕球溫度升高，二者換熱溫差減小，總換熱量減小。但是水膜的平均溫度升高，氣液界面間的傳熱溫差也減小，在二者的作用下，總傳熱系數的變化趨勢并不明顯。

由圖7可知，傳質系數隨著濕球溫度的升高呈下降趨勢。濕球溫度從22℃上升到28℃，傳質系數降低約9.3%。原因是隨著濕球溫度的增加，相應的空氣的含濕量增加，氣液界面的水蒸氣壓力差降低，空氣吸收水蒸氣的能力降低，同時空氣的進口焓值也升高，水膜與空氣界面的焓差減小，傳質性能降低。

濕球溫度是影響傳熱傳質性能的重要原因，隨著全年的氣候濕球溫度的變化，可以通過噴淋水量和空氣量調節，滿足要求并達到節能的目的。

圖6總傳熱系數隨濕球溫度的變化Fig.6 The total heat transfer coefficient changes with wet bulb temperature

圖7傳質系數隨濕球溫度的變化Fig.7 The mass transfer coefficient changes with wet bulb temperature

3.4 相對濕度的影響

由圖8可知，總傳熱系數隨著空氣入口相對濕度的增大而降低。相對濕度從55%增大到85%，總傳熱系數降低約10%。原因是隨著相對濕度的增大，空氣與水膜界面的水蒸氣分壓力減小，氣液界面水蒸發的潛熱換熱降低。實驗過程中設定濕球溫度為27℃，進口空氣相對濕度增大，相對應空氣的干球溫度降低，顯熱換熱增大，使傳熱性能降低。

由圖9可知，傳質系數隨著相對濕度的增大而降低。相對濕度從55%增大到85%，傳質系數降低約13.7%。原因是空氣的相對濕度增大，空氣中水蒸氣分壓力增大，空氣中水蒸氣的飽和程度也增大，導致空氣吸收水蒸氣的能力降低，盤管表面水的蒸發量減少，傳質系數降低。

對進口空氣的相對濕度的研究得出，蒸發式冷卻換熱器在干旱地區的換熱性能高于潮濕地區。環境濕度較大時可以采用增大迎面風速，帶走飽和空氣，迅速降低水膜空氣之間的水蒸氣分壓力促進換熱。

圖8總傳熱系數隨相對濕度的變化Fig.8 The total heat transfer coefficient changes with relative humidity

圖9傳質系數隨相對濕度的變化Fig.9 The mass transfer coefficient changes with relative humidity

4 結論

本文通過由焓差室控制環境參數的水?水蒸發式冷卻換熱器實驗臺，調整噴淋密度、迎面風速和環境參數的大小，研究了各個參數對其傳熱傳質性能的影響，得到以下結論：

1）存在最佳噴淋密度和迎面風速使總傳熱系數和傳質系數達到最大，因此在不同的環境下，需要調節合適的噴淋密度達到節能的效果，對于本實驗而言，最佳的噴淋密度為0.031 4 kg／（m·s），最佳迎面風速為3.22 m／s。

2）隨著濕球溫度的增大，換熱量、總傳熱系數以及傳質系數降低，隨著全年的氣候濕球溫度的變化，可以通過噴淋水量和空氣量調節，保證換熱器的高效運行。

3）隨著相對濕度的減小，總傳熱系數和傳質系數呈現增大的趨勢，相對濕度從85%降低至55%，設備總傳熱系數約上升10%，傳質系數約上升13.7%，因此蒸發式冷卻換熱器在干旱地區的換熱性能高于潮濕地區。

本文受天津市高等學?？萍及l展基金（2013ZD02）項目資助。（The project was supported by the Tianjin High School Science＆Technology Development Fund（No.2013ZD02）.）

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申江，男，教授，天津商業大學機械工程學院制冷系，（022）26669745，E?mail：shenjiang＠tjcu.edu.cn。研究方向：食品冷鏈技術，制冷系統優化及節能等。

About the author

Shen Jiang，male，professor，Department of Refrigeration Tech?nology，Tianjin University of Commerce，＋86 22?26669745，E?mail：shenjiang＠tjcu.edu.cn.Research fields：food cold chain technology，optimization and conservation technology of refrigera?tion systems.

Experimental Study of Environmental Parameters on the Performance of Evaporative Cooling Heat Exchanger

Shen Jiang Yang Meng Zhang Cong Wang Xiaole

（Refrigeration Key Laboratory of Tianjin，Tianjin University of Commerce，Tianjin，300134，China）

The experiment rig of evaporative cooling heat exchanger is set up for experimental research and the environmental parameters were controlled in enthalpy difference laboratory in this paper.The influences of spray density，face velocity and environmental parameters on the performance of evaporative cooling heat exchanger were experimentally investigated.The optimal spray density and face velocity were found，which were 0.031 4 kg／（m·s）and 3.22 m／s respectively.In addition，the heat transfer coefficient would decrease by 4.2% and the mass transfer coefficient would decrease by 9.3%when the wet bulb temperature was increased from 22℃ to 28℃；the heat transfer coefficient would increase by 10%and the mass transfer coefficient was increased by 13.7%with the relative humidity of inlet air decreasing from 85%to 55%.

evaporative cooling heat exchanger；heat transfer coefficient；mass transfer coefficient；relative humidity；wet bulb tempera?ture

TQ051.5；TK124

A

0253－4339（2017）01－0008－05

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.01.008

2016年3月22日