大溫差冷卻水對(duì)冷凝器傳熱系數(shù)的影響研究

陳剛 程昕 李惠敏

南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院

大溫差冷卻水對(duì)冷凝器傳熱系數(shù)的影響研究

陳剛 程昕 李惠敏

南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院

本文以江河水為冷卻水，對(duì)典型的殼管式冷凝器的傳熱系數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算和分析。得出當(dāng)冷卻水流量恒定，冷卻水進(jìn)水溫度為24～28℃，出水溫度為37℃時(shí)，冷凝器傳熱系數(shù)隨進(jìn)水溫度的降低而增大，且增長(zhǎng)速度逐漸加快；當(dāng)?shù)蜏乩鋮s水流量呈跳躍式減少時(shí)，冷凝器傳熱系數(shù)的增長(zhǎng)有所下降，但仍遠(yuǎn)大于通常使用狀態(tài)下的冷凝器傳熱系數(shù)。

大溫差冷卻水 殼管式冷凝器 傳熱系數(shù) 冷卻水流量

殼管式冷凝器是制冷設(shè)備中應(yīng)用最廣的冷凝器之一。目前，提高冷凝器性能的研究主要集中在強(qiáng)化傳熱方面。強(qiáng)化傳熱的主要途徑有提高傳熱系數(shù)、擴(kuò)大傳熱面積、增大傳熱溫差等，其中，提高傳熱系數(shù)是研究強(qiáng)化傳熱的重點(diǎn)。我國(guó)南方地區(qū)多河流，較深處的河水溫度常年變化不大，始終保持在24～28℃。本文采用江河水作為冷卻水，分析在冷卻水出水溫度為24～28℃、冷卻水出水溫度為37℃的條件下：①當(dāng)冷卻水流量不變時(shí)，不同的冷卻水進(jìn)水溫度對(duì)殼管式冷凝器傳熱系數(shù)的影響；②當(dāng)冷卻水流量以某一擬定變化關(guān)系改變時(shí)，不同的冷卻水進(jìn)水溫度對(duì)殼管式冷凝器傳熱系數(shù)的影響。這兩種運(yùn)行狀態(tài)與通常使用狀態(tài)相比，降低了冷卻水進(jìn)水溫度、增大了冷卻水進(jìn)出口溫差、減少了冷卻水流量。

1 殼管式冷凝器傳熱

冷凝器的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，其傳熱性能主要體現(xiàn)在傳熱系數(shù)上，傳熱系數(shù)越大，冷凝器的傳熱熱阻就越小，其傳熱性能越好。

1.1 傳熱系數(shù)

在殼管式冷凝器傳熱系數(shù)的計(jì)算中，常用冷凝管的外表面積作為計(jì)算傳熱面積。傳熱系數(shù)k可按下式計(jì)算：

式中：當(dāng)冷凝器型號(hào)確定后，內(nèi)外徑d1、d2、兩側(cè)的污垢熱阻R1、R2及其熱導(dǎo)率λ均可直接測(cè)取，因此冷凝器傳熱系數(shù)計(jì)算的關(guān)鍵就是管程傳熱系數(shù)α1及殼程傳熱系數(shù)α2的計(jì)算。

1.2 管程傳熱系數(shù)

對(duì)殼管式冷凝器而言，進(jìn)入冷凝管管束內(nèi)的冷卻水與流經(jīng)殼程的制冷劑蒸汽進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱。影響管程強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)的因素有冷凝管的特征尺寸、流體流速、流體物理性質(zhì)等。由于管內(nèi)湍流傳熱機(jī)理復(fù)雜，管程傳熱系數(shù)可采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[1]。

式中：λ為熱導(dǎo)率，W/(m·℃）；ρ為密度，kg/m3；μ為流體黏度，Pa·s；cp為定壓比熱容，J/(m·℃）；ti、to為冷卻水進(jìn)、出口溫度，℃。公式中流體的物理性質(zhì)采用定性溫度tm=0.4to+0.6ti[2]下的數(shù)值。

1.3 殼程傳熱系數(shù)

本文選取臥式殼管式冷凝器進(jìn)行計(jì)算，該冷凝器的冷凝管由水平管束組成，除第一排冷凝管外，其他各排管的冷凝情況均會(huì)受到其上各排管流下的冷凝液的影響，致使其液膜擾動(dòng)增強(qiáng)。文中，殼程傳熱系數(shù)計(jì)算公式是根據(jù)水平單管外壁面的層流膜狀冷凝傳熱計(jì)算公式推廣而得，若冷凝器中有n根冷凝管，則其平均傳熱系數(shù)可用下式計(jì)算[1]。

式中：g為重力加速度，g=9.8m/s2；Δt為液膜兩側(cè)的溫差，℃；r為汽化潛熱，J/kg。除汽化潛熱取冷凝溫度下的值外，其他物性參數(shù)取飽和蒸汽溫度和冷凝管壁溫度算術(shù)平均值下的數(shù)值。

2 實(shí)例分析

冷凝器中的冷卻水系統(tǒng)分為定流量系統(tǒng)和變流量系統(tǒng)；其中，變流量系統(tǒng)改變流量的方式又有連續(xù)改變流量和跳躍式改變流量。受冷卻水泵選用的影響，在通常情況下，定流量系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛。在大型的空調(diào)系統(tǒng)中，冷卻水泵的臺(tái)數(shù)一般大于一臺(tái)，且有備有用，型號(hào)也不盡相同，不同的冷卻水泵開(kāi)啟臺(tái)數(shù)及型號(hào)的組合，可以使冷卻水流量產(chǎn)生變化。冷卻水流量與溫度有多種不同組合，本文僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選擇了某種流量與溫度的組合進(jìn)行分析。本文在實(shí)例分析中，針對(duì)冷卻水流量的兩種不同狀況進(jìn)行分析。實(shí)例分析一：隨冷卻水進(jìn)水溫度的降低，冷卻水流量恒定；實(shí)例分析二：從28℃起，隨著冷卻水溫度的降低，每降低2℃，則冷卻水流量減少25%，冷卻水流量呈跳躍式變化。

2.1 實(shí)例分析一

本文選取某冷凝器的負(fù)荷為300kW，由產(chǎn)品樣本手冊(cè)查得具體結(jié)構(gòu)尺寸如下：殼體內(nèi)徑273mm，冷凝管外徑19mm，內(nèi)徑17mm。冷凝器共65根冷凝管，呈叉形排列；材質(zhì)為鑄鋼材料；制冷劑為R22。在計(jì)算中，設(shè)定冷卻水出水溫度為37℃，改變其進(jìn)水溫度，冷卻水進(jìn)水溫度的變化范圍為24～28℃；冷卻水流量恒定，冷凝溫度隨冷卻水進(jìn)水溫度的降低而改變[3]。管程污垢熱阻為0.18×10-3m2·K/W、殼程污垢熱阻為0.14× 10-3m·2K/W。

通過(guò)計(jì)算，得出在不同冷卻水進(jìn)水溫度下的殼管式冷凝器的傳熱系數(shù)，將計(jì)算結(jié)果列入表1。

表1 不同冷卻水進(jìn)水溫度下的殼管式冷凝器傳熱系數(shù)表

各進(jìn)水溫度下的傳熱系數(shù)值與額定工況下32℃的進(jìn)水溫度所得傳熱系數(shù)值的比較如圖1所示。

圖1 不同進(jìn)水溫度下的傳熱系數(shù)值與32℃進(jìn)水溫度的傳熱系數(shù)值比較

從表1中可以看出，隨著冷卻水進(jìn)水溫度的降低，冷凝器的傳熱系數(shù)隨之增加；當(dāng)冷卻水進(jìn)水溫度由28℃降低到24℃時(shí)，冷凝器傳熱系數(shù)增加了約36%；與進(jìn)水溫度為32℃時(shí)相比，最大增加幅度達(dá)到124%。從圖2中可以看出，冷卻水進(jìn)水溫度越低，傳熱系數(shù)越大，其對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)與進(jìn)水溫度為32℃的傳熱系數(shù)差值也越大。各點(diǎn)數(shù)值的變化率體現(xiàn)了傳熱系數(shù)的改變速度，冷凝器傳熱系數(shù)的增加速度隨著冷卻水進(jìn)水溫度的降低而加快。

2.2 實(shí)例分析二

實(shí)例分析二中的冷凝器負(fù)荷及其他基本參數(shù)與實(shí)例分析一相同，僅冷卻水流量的變化情況按照如圖2所示改變，即在冷卻水進(jìn)水溫度為24～25℃時(shí)，冷卻水量變?yōu)轭~定工況冷卻水量的50%；冷卻水進(jìn)水溫度為26～27℃時(shí)，冷卻水量變?yōu)轭~定工況冷卻水量的75%；冷卻水進(jìn)水溫度為28℃時(shí)，冷卻水量為額定工況冷卻水量。在實(shí)際工程應(yīng)用中，冷卻水流量的變化可以通過(guò)改變冷卻水泵開(kāi)啟臺(tái)數(shù)、不同型號(hào)冷卻泵的開(kāi)啟組合或使用變頻水泵來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。

圖2 冷卻水流量隨溫度變化圖

通過(guò)計(jì)算，可得到在不同冷卻水流量及進(jìn)水溫度組合下，管殼式冷凝器的傳熱系數(shù)，計(jì)算結(jié)果列入表2中。

表2 不同冷卻水流量及進(jìn)水溫度組合下的殼管式冷凝器傳熱系數(shù)表

從表2中可以看出，冷卻水進(jìn)水溫度在24℃～27℃時(shí)，盡管冷卻水流量有所降低，但冷凝器傳熱系數(shù)仍然是增大的。可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)27℃的冷卻水流量減少至75%時(shí)，冷凝器傳熱系數(shù)雖然比28℃時(shí)有所下降，但仍比通常運(yùn)行狀況下的冷凝器傳熱系數(shù)高約44%。冷卻水進(jìn)出口溫差加大，在換熱量確定的情況下，冷卻水流量減少，水系統(tǒng)的管徑及其配件的尺寸減小，冷卻水水泵功率也減小，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

為更清楚地比較分析實(shí)例分析一與實(shí)例分析二，將計(jì)算結(jié)果繪入圖3中進(jìn)行對(duì)比。

從圖3中可以看出，在兩個(gè)實(shí)例中，冷凝器傳熱系數(shù)保持不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。實(shí)例分析二在冷卻水進(jìn)水溫度為24℃～27℃時(shí)的冷卻水流量呈跳躍式減少，流量的減少導(dǎo)致冷凝器傳熱系數(shù)的增長(zhǎng)也有所波動(dòng)，其與實(shí)例分析一中的傳熱系數(shù)相比，波動(dòng)幅度均小于16%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于冷卻水流量百分比的減少。由此可以看出，當(dāng)采用低溫冷卻水時(shí)，可以適當(dāng)減少冷卻水流量，從而達(dá)到更好的節(jié)能效果。

圖3 實(shí)例分析一、二結(jié)果對(duì)比圖

3 誤差分析

本文在計(jì)算殼管式冷凝器換熱系數(shù)時(shí)，由于湍流傳熱機(jī)理復(fù)雜，采用了經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)際工況不盡相同，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一定的誤差：

1）殼管式冷凝器殼側(cè)流體在管束之間與管束呈多種夾角方向的流動(dòng)，通過(guò)折流板缺口時(shí)，有部分流體會(huì)從折流板與冷凝管之間的空隙流過(guò)，同時(shí)還會(huì)有少量流體從折流板與冷凝器殼體之間的細(xì)縫中流過(guò)。此外，冷凝管內(nèi)外流體之間的熱交換是藕合在一起的[1]，而通常的換熱器計(jì)算會(huì)假設(shè)流動(dòng)為一維穩(wěn)態(tài)的、冷凝管內(nèi)外兩種流體平行流動(dòng)、總傳熱系數(shù)k沿軸向均勻不變等。面對(duì)如此復(fù)雜的流動(dòng)和換熱過(guò)程，經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算是不夠精確的。

2）在經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算中，某些取值并未經(jīng)理論檢驗(yàn)，而是實(shí)踐中的近似總結(jié)；且在經(jīng)驗(yàn)公式的總結(jié)中，存在了一些假定條件，這些假定條件就是實(shí)際工況的簡(jiǎn)化，與實(shí)際的工況有一定差異。這些不可避免因素的存在，都會(huì)影響計(jì)算的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文選擇了應(yīng)用最為廣泛的殼管式冷凝器進(jìn)行理論計(jì)算，可得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)冷卻水流量恒定時(shí)，隨著冷卻水進(jìn)水溫度的降低，冷凝器的傳熱系數(shù)隨之增加，增長(zhǎng)速度亦隨之加快。

2）當(dāng)冷卻水流量減少時(shí)，冷凝器傳熱系數(shù)增長(zhǎng)減慢，但仍高于通常運(yùn)行狀況下的冷凝器傳熱系數(shù)。

在對(duì)冷卻水變流量系統(tǒng)的計(jì)算中，本文僅選取了某一種溫度與流量的組合進(jìn)行計(jì)算，其他組合方式并未做討論。文章根據(jù)冷凝器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的某些參數(shù)從理論計(jì)算的角度對(duì)大溫差冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行分析，對(duì)于其在工程應(yīng)用中的實(shí)際運(yùn)行狀況，還需進(jìn)一步探討。

[1]董其伍,張垚.換熱器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008

[2]殼管式換熱器(GB151-1999)[S]

[3]李勇,劉寧寧.凝汽器冷卻水溫度和流量對(duì)凝結(jié)水過(guò)冷度影響的研究[J].汽輪機(jī)技術(shù),2009,51(3):210-213

[4]李蘇瀧.集中空調(diào)冷卻水變流量問(wèn)題辨析[J].暖通空調(diào),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.

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1003-0344（2015）02-059-4

2013-12-2

陳剛（1968～），男，教授；湖南省衡陽(yáng)市南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院（421001）；E-mail:cg9019@163.com