板式蒸发式冷凝器传热传质研究

同济大学机械工程学院硕士学位论文蒸发冷却强化电站用板式空冷器传热的研究姓名：胡晓伟申请学位级别：硕士专业：供热供燃气通风及空调工程指导教师：张恩泽;张旭20080301摘要摘要板式换热器是一种高效的传热设备，与管式换热器相比，板式换热器拥有将蒸发冷却用于板式换热器是一种非常好的强化板式换热器传热的方式，究的方法获得了蒸发冷却板式换热器空气侧的换热和阻力情况，并得到了蒸发针对目前工业中板式换热器的应用开发设计仍是按照设计人员的经验和反复计算，这种浪费大量人力延长新型产品开发周期的设计方法，利用计算机的高效计算优势，编制了蒸发冷却板式换热器的设计模拟程序，可以进行蒸发冷却板式换热器的设计，这种设计方法可以在工业中得到应用。

在电站空冷凝汽器的运行中，影响换热器性能的因素很多，不同的组合对换热性能有很大的影响，同时还会影响换热器的投资。

为了得到一种较优的结构组合和运行方式，通过结构优化和运行优化，得到了一个使电站凝汽器较好时，换热器的传热会降低１／３。

最后，本文还通过ＣＦＤ模拟的方法分析了电站斜顶式布置的空冷凝汽器内空关键词：板式换热器，蒸发冷却，空冷凝汽器，传热特性，阻力特性，优着更为优良的特性。

因此在工业生产中板式换热器得到了越来越广泛的应用。

但是由于增加了蒸发冷却使得板式换热器内部的传热和阻力变得复杂。

为了获得蒸发冷却时板式换热器内部的换热和阻力情况，本文通过理论分析和实验研冷却时换热器空气侧传热和阻力的关联式。

地运行的组合方式。

另外在实际运行中，电站空冷凝汽器板片的结垢会严重削弱传热并增大阻力，因此还对污垢的影响进行分析并发现当污垢的热阻增大３倍气侧的气流分布情况，得到了板式换热器布置成不同角度时对换热器内气流分布的影响，找到了对于电站斜项式空冷凝汽器最佳的斜顶角度。

化，气流分布。

ＡｂｓｔｒａｃｔＡｂｓｔｒａｃｔＰｌａｔｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒ（ＰＨＥ）ｉｓａｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｔｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｕｂｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ，ｉｔｃａｒｌｐｒｏｖｉｄｅｍｏｒｅｅｘｃｅｌｌｅｎｔｃａｐａｂｉｌｉｔｙ．ＳｏＰＨＥｉｓｕｓｅｄｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｉｎｍｏｄｅｍｉｎｄｕｓｔｒｙｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．ＥｖａｐｏｒａｔｉｖｅｃｏｏｌｉｎｇｕｓｅｄｉｎＰＨＥｉｓａｇｏｏｄｍｅｔｈｏｄｔｏｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｔｈｅＰＨＥｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ．ＢｕｔｉｔｉｎｃｒｅａｓｅｓｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅｃｏｏｌｉｎｇｉｎＰＨＥ，ｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐｉｎｔｈｅＰＨＥｂｅｃｏｍｅｓｃｏｍｐｌｅｘ．ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｋｎｏｗｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐｉｎｔｈｅＰＨＥ，ｉｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅａｕｔｈｏｒａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｔｈｅｏｒｙａｎｄｄｉｄａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．ＩｔｗｏｒｋｅｄｏｖｅｒｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐｉｎｔｈｅＰＨＥ．Ｍｅａｎｔｉｍｅｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｇａｉｎｅｄｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐｗｈｅｎｉｎｃｒｅａｓｅｓｐｒｉｎｋｌｉｎｇｗａｔｅｒ．ＡｓｔｈｅｍｅｔｈｏｄｆｏｒｄｅｓｉｇｎｉｎｇＰＨＥｕｓｕａｌｌｙｄｅｐｅｎｄｓｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｒｓ’ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅａｎｄａｆｔｅｒｔｈａｔｔｈｅｙｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｉｍｅａｆｔｅｒｔｉｍｅ，ｉｔｔａｋｅｓａｌｏｔｏｆｍａｎｐｏｗｅｒａｎｄｄｅｌａｙｓｎｅｗｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｘｐｌｏｄｅｒｃｙｃｌｅ．ＩｎｔｈｉｓｔｅｘｔｔｈｅａｕｔｈｏｒｐｒｏｇｒａｍｍｅｓａｐｒｏｇｒａｍｍｅｂｙｃｏｍｐｕｔｅｒｔｏｄｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇｗｏｒｋｏｆＰＨＥ．ＵｓｅｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｍｅｗｅｃａｎｄｅｓｉｇｎｔｈｅＰＨＥ．Ｗｈｅｎｔｈｅｃｏｎｄｅｎｓｅｒｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ，ｔｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｆａｃｔｏｒｓｗｉｌｌａｆｆｅｃｔｔｈｅｃｏｎｄｅｎｓｅｒ．Ｔｏｇｅｔａｎｅｘｃｅｌｌｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎａｎｄｒｕｎｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｔｅｘｔａｌｓｏｏｐｔｉｍｉｚｅｓｔｈｅＰＨＥｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｒｕｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ａｆｔｅｒｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｗｏｒｋ，ｗｅｋｎｏｗｗｈｉｃｈｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｌｌｐｒｏｖｉｄｅａｇｏｏｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ＢｅｃａｕｓｅｉｎｔｈｅｒｅａｌｐｒａｃｔｉｃｅｔｈｅｒｅｗｉｌｌｂｅｄｉｒｔａｔｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｐｌａｔｅｗｈｉｃｈｗｉｌｌｗａｋｅｎｔｈｅＰＨＥｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒａｎｄｍａｋｅｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐｌａｒｇｅｒｔｈａｎｕｓｕａｌ，ｉｔ’Ｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏａｎａｌｙｚｅｍｉｓｅｆｆｅｃｔ．ＷｅｆｉｎｄｔＩｌａｔｗｈｅｎｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｂｅｔｈｒｅｅｔｉｍｅｓｏｆｔｈｅｕｓｕａｌ，ｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅＰＨＥｗｉｌｌｆａｌｌ１／３．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｉｎｔｈｉｓｔｅｘｔｔｈｅａｕｔｈｏｒｕｓｅＣＦＤｓｏｆｔｗａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｈｅａｉｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅａｉｒｃｏｏｌｉｎｇｃｏｎｄｅｎｓｅｒｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎｗｈｅｎｔｈｅｃｏｎｄｅｎｓｅｒｌａｙｅｄｉｎｃｌｉｎｅｄ，ａｎｄｆｉｎｄｏｕｔｔｈｅｂｅｓｔａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｔｏｐｏｆｔｈｅｃｏｎｄｅｎｓｅｒｆｏｒｔｈｅＰＨＥ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｌａｔｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅＬｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅｃｏｏｌｉｎｇ，ａｉｒｃｏｏｌｉｎｇｃｏｎｄｅｎｓｅＬｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ａｉｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ⅱ学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的Ｆ－ｔＪ届ＩＩ本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。

板式蒸发空气冷却器传热传质模型分析摘 要： 根据热力学和传热学理论，建立了板式间接蒸发式空冷器传递过程的微分方程组。

引入空气湿球比热wb c 和对流换热系数wb α，推导得到了基于空气湿球温度的数学传递模型。

应用四阶-龙格库塔法求解了高炉循环水用板式蒸发冷却器基于湿球温度的传递模型，得到了热流体、喷淋水、空气干湿球温度的变化规律和各流体的换热强度情况。

该分析模型为进一步分析蒸发式空冷器的热工性能和优化设计提供了理论依据。

关键词：传热传质；板式蒸发空冷器；传递模型；湿球温度蒸发式空冷器利用自然环境中空气的干湿球温差取得冷量来冷却热流体，由于它比空气冷却换热效果好，比水冷节水等显著优点，因此在石油、化工、冶金、电力等领域中有着广泛的应用。

蒸发式空冷器冷却侧空气与喷淋水之间传热和传质过程同时进行，相互耦合，传递机理相当复杂。

目前针对管式和翅片管式蒸发空冷器的研究成果较多[1-3]，然而这些成果大多是基于Merkel 理论，空气和喷淋水的热湿交换以焓差为推动力建立数学模型。

本文建立了基于湿球温度的板式蒸发式空冷器的数学模型，并用四阶-龙格库塔法对一个实例进行数值求解，分析了各流体的温度变化和换热规律。

1传递过程的基本方程组本文以板式蒸发空冷器为研究对象，热流体与空气逆流，喷淋水与空气并流，流体组合如图1所示。

对蒸发式空冷器的传热传质和流动过程做如下假设：1. 空冷器内传热传质和流动过程处于稳态，忽略外壳的散热损失。

2. 各流体热物性参数为常数。

流体的状态参数仅沿流动方向变化。

3. 喷淋水膜均匀分布，忽略水膜波动和水膜厚度对传递和流动的影响，忽略水膜的蒸发损失；水膜在传热壁面上完全润湿。

4. 忽略空气中离散水珠对传热传质的影响。

5. 湿空气的传热传质过程符合刘易斯关系式，即1Le hwpamw =⋅=ααc ，mw α为喷淋水与空气的传质系数，kg ·m -2·s -1；hw α为喷淋水与空图1 逆流板式蒸发空冷器示意图y xzHLBo空气喷淋水shui热流体喷淋水 空气aa a x ,t ,m ww t ,m 水膜壁面dz气的传热系数，W ·m -2·K -1；pa c 为空气比热容，J ·kg -1·℃-1。

蒸发冷却强化电站用板式空冷器传热的研究的开题报告第一部分：研究背景随着经济的发展和人口的增加，人们对能源的需求也越来越高。

其中，煤炭作为重要的能源资源，其在电力生产中的地位不可替代。

但是，在煤炭的燃烧过程中，会产生大量的烟气，其中含有大量的热能，如果不加以利用，将会造成资源浪费和环境污染。

因此，煤电厂必须采取有效的措施来提高热能利用效率和减少环境污染。

空冷器是目前电站中广泛采用的一种热交换器。

它通过与环境空气直接接触，将热量传递到空气中，实现对热量的散布和降温。

空冷器具有结构简单、维护方便等优点，但是在给排水系统的减少、降低水耗的要求下，传统的强制循环水冷系统已经越来越难以适应电站散热的需要，因此，空冷器在电站发电冷却中的应用日益受到关注，并成为各国能源工程领域研究的热点问题。

第二部分：研究意义板式空冷器是一种新型的空冷器，其具有优秀的传热性能、运行稳定、控制方便等诸多优点。

板式空冷器传热的过程很大程度上取决于板片外表面与空气之间的热对流，所以对板式空冷器的结构和传热特性的研究具有十分重要的现实意义。

本研究的主要目的是探究板式空冷器传热机理，进一步优化空气侧结构，提高其传热性能，促进其在电站发电冷却中的应用，减少环境污染，提高资源利用效率，具有重要的理论意义和实际价值。

第三部分：研究内容1.板式空冷器的基本结构和工作原理介绍；2.理论模型的建立，为探究板式空冷器的传热机理提供理论基础；3.利用实验室设备对板式空冷器进行室内实验，得到板式空冷器的传热性能和温度场分布等基本特性数据；4.通过对实验数据的分析和处理，找到板式空冷器的优化方案，并对优化后的板式空冷器进行验证实验；5.最终对优化后的板式空冷器的传热性能进行分析比较，得出板式空冷器的优化结构和传热机理，为其在电站发电冷却中的应用提供理论依据。

第四部分：研究方法本研究主要采用实验和理论相结合的方法，通过实验室室内试验和理论分析来探究板式空冷器传热机理和优化结构。

第38卷,总第219期2020年1月,第1期《节能技术》ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY Vol.38,Sum.No.219Jan.2020,No.1ORC 系统中板式蒸发器传热特性的研究邱长亮,吴俐俊,吴世锋(同济大学机械与能源工程学院,上海　201804)摘　要:蒸发器作为余热回收有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle ,ORC )系统的关键部件之一,其传热性能影响着整个系统的传热效率。

本文以新型全焊式板式换热器为模型,通过加载蒸发相变UDF 进行数值模拟,得出不同的热水流量、热水进口温度、R245fa 流量下的传热和流动特性,并通过计算不同工况下j 因子和f 因子定量评估了蒸发器的综合换热性能。

计算结果表明:提高热水进口流量和R245fa 流量对ORC 系统蒸发器的传热性能有明显的改善作用;随着热水进口流量、热水进口温度以及R245fa 入口流量的增加,热水侧压降和工质侧压降随之增大,热水侧压降整体大于工质侧压降,且热水侧j /f 分别提高了71.6%,-18.1%,73.3%,工质侧j /f 分别提高了29.7%,-13.5%,35.9%。

关键词:蒸发器;数值模拟;气液相变;传热特性;性能评价中图分类号:TK11 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2020)01-0009-07收稿日期　2019-04-20 修订稿日期　2019-06-20基金项目:国家自然科学基金资助项目(51574179)作者简介:邱长亮(1994~),男,硕士研究生,研究方向为高效换热技术。

Numerical Study of Evaporator 's Heat Transfer Characteristics in ORC SystemQIU Chang -liang,WU Li -jun,WU Shi -feng(College of Mechanical and Energy Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China)Abstract :Evaporator is one of the key components of Organic Rankine Cycle (ORC)system for waste heat recovery,and its heat transfer performance affects the heat transfer efficiency of the whole system.In this paper,based on the Mixture multiphase flow model in Fluent,a new type of all -welded plate heat exchanger was used as the evaporator model.By loading a user -defined function (UDF),the variation of heat transfer and flow characteristics of the evaporator were studied under different conditions of hot wa⁃ter flow rate,hot water inlet temperature and R245fa inlet flow rate.And the comprehensive heat transfer performance of evaporator was quantitatively evaluated by calculating j factor and f factor under different working conditions.The results showed that increasing the water inlet flow rate and R245fa inlet flow rate could significantly improve the heat transfer performance of the evaporator in ORC system.The pressure drops of hot water side and R245fa side increased with an increase of hot water inlet flow rate,hot water inlet temperature and R245fa inlet flow rate,the pressure drop of hot water was higher than that of work⁃ing medium.And the j /f of hot water side increased by 71.6%,-18.1%and 73.3%respectively,the j /f of working medium side increased by 29.7%,-13.5%and 35.9%respectively.Key words :evaporator;numerical simulation;gas -liquid phase transition;heat transfer characteristics;Performance evaluation·9· 随着煤炭、石油、天然气等化石能源储量的日剧减少和价格的不断攀升,以及由于能源消耗带来的环境问题,如酸雨、PM2.5和二氧化碳排放等造成的臭氧层空洞等,能源和环境问题已经成为全世界共同关注的重大问题。

板式蒸发式冷凝器的传热实验研究及其在空调中的应用的
开题报告
1.研究背景
空调是现代家庭及商业建筑中必不可少的设备之一，但是传统的空调系统往往存在耗能高、环境污染及维护复杂等问题。

因此，需要对空调系统进行改进和优化。

板式蒸发式冷凝器是一种新型的传热器件，在空调系统中具有广泛的应用前景。

2.研究目的
本研究旨在通过实验研究板式蒸发式冷凝器的传热性能，探索其在空调系统中的优化应用。

3.研究内容及方法
本研究将利用实验室内搭建的板式蒸发式冷凝器传热实验设备，对板式蒸发式冷凝器的传热性能进行研究。

具体实验内容包括：
（1）测量板式蒸发式冷凝器的传热效率和热阻；
（2）分析不同工况下板式蒸发式冷凝器的传热性能变化；
（3）对比板式蒸发式冷凝器与传统冷凝器在空调系统中的能效表现。

4.研究意义
本研究可以为空调系统的优化提供理论基础和实验依据，为更好地实现能源节约和环保提供支持。

同时，研究结果还可以为板式蒸发式冷凝器在工业领域的应用提供参考。

5.研究计划
本研究计划分为三个阶段进行：
（1）实验设备的搭建和测试程序的制定；
（2）实验数据的采集和分析，分析板式蒸发式冷凝器的传热性能和能效表现；
（3）研究结果的总结和分析，撰写论文并完成毕业设计。

板式蒸发器的工作原理
首先，板式蒸发器的工作原理是基于物质的蒸发和冷凝过程。

当液体物质进入板式蒸发器后，通过加热，液体中的部分成分将变成蒸汽，而未蒸发的液体则继续向下流动。

在板层间隙中，蒸汽与液体发生接触和传热，使得液体中的挥发性成分蒸发出来，从而实现液体和气体的分离。

蒸汽则在板层间隙中上升，最终被冷凝器冷却成液体，从而得到所需的产品。

其次，板式蒸发器的工作原理还涉及到传热和传质的过程。

在板层间隙中，蒸汽与液体接触时，热量从蒸汽传递到液体中，使得液体蒸发。

同时，液体中的挥发性成分也会随着蒸汽一起蒸发出来，从而实现了传质的过程。

这样一来，板式蒸发器不仅可以实现液体和气体的分离，还可以实现液体中成分的分离和浓缩。

最后，板式蒸发器的工作原理还与板层间隙的结构有关。

板式蒸发器通常由多个板层叠加而成，板层间隙的宽度和高度对传热和传质过程有着重要影响。

合理的板层间隙结构可以有效地提高传热效率和传质效率，从而提高板式蒸发器的工作效果。

总的来说，板式蒸发器的工作原理是基于物质的蒸发和冷凝过程，涉及传热和传质的过程，同时也与板层间隙的结构有关。

通过合理的设计和操作，板式蒸发器可以实现液体和气体的分离，实现液体中成分的分离和浓缩，从而在化工、制药、食品等领域发挥重要作用。

板式蒸发式冷凝器CFD模拟与实验研究张景卫 朱冬生 吴治将 李元希 蒋翔（华南理工大学化工与能源学院传热强化与过程节能教育部重点实验室，广州 510640）摘 要：通过运用FLUENT软件对板式蒸发式冷凝器板束中气液两相逆流、并流两种操作进行模拟，直观地表征了板束中喷淋水流量、风速及风向对水膜流动的影响，并在此基础上对板式蒸发式冷凝器的三种操作─-逆流、并流、错流进行了传热实验研究，模拟及实验研究的结果显示：空气与水并流比逆流、错流更有利于利用液体薄膜强化传热传质的特性。

关键词：冷凝器 CFD模拟 强化传热 波纹板 板束THE CFD SIMULATION AND EXPERIMENTAL STUDY OF THEPLATE-TYPE EV APORATIVE CONDENSERZhang Jingwei Zhu Dongsheng Wu Zhijiang Li Yuanxi Jiang Xiang(The Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation of the Ministry of Education, School of Chemical and Energy Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640,Guangdong,China)Abstract：This paper presents a simulation of two operations—upwind, downwind with two-phase flowing in the plate bundles of the plate-type evaporative condenser, by means of the FLUENT software, which provide a direct illustration of the influence of the water film flowing on spray water flow、wind velocity、wind direction in the plate bundles. An experimental study of the heat transfer of three operations—downwind、upwind and crosswind operation in the plate-type evaporative condenser is pressed on the base of which. The result of simulation and experimental study demonstrates the advantages of downwind operation over upwind operation and crosswind operation in making use of enhanced heat transfer and mass transfer of fluid film.Keywords：Condenser CFD simulation Heat transfer enhancement corrugated plates plate bundle0 前言利用液膜进行传热传质已经成为动力、化工、制冷、轻工、食品等工业中最重要的单元操作之一。

蒸发式冷却器的传热传质试验研究蒋常建范云良杨强生摘要：对蒸发式冷却器传热传质试验结果的数据处理进行了讨论，重点是它的容积散质系数以及工艺水到水膜的传热系数.介绍了试验台和各测试仪表，给出了对两个试件的测试结果，整理了βxv和K的变化规律，并与计算结果作了分析对比.关键词：蒸发式冷却器；冷却塔；传热传质过程；容积散质系数中图分类号：TK 124 文献标识码：AExperimental Heat and Mass Transfer Study of EvaporativeCoolerJIANG Chang-jian FAN Yun-liang YANG Qiang-sheng School of Power and Energy Eng., Shanghai Jiaotong Univ., Shanghai200030, ChinaAbstract： The data processing method of experimental heat and mass transfer results of evaporative cooler was discussed. It is emphasized to its volumetric mass transfer coefficient and the overall heat transfer coefficient from the processing water to the tube water film. The experimental test rig and measuring device were presented. The variation of the value of βxv and K from the experimental results of two models was deduced. The comparison and analysis between the experimental results and calculated data were introduced.Key words： evaporative cooler; cooling tower; heat and mass transfer process; volumetric mass transfer coefficient在逆流式蒸发冷却器中，工艺水和管外的喷淋水与冷却空气总体上呈逆流流动，可按焓差法或压差法进行计算和设计［1～4］.横流式中空气以横向在管外掠过，与工艺水和喷淋水呈垂直方向流动，它们之间在总体上呈三维流动特性［5］.蒸发式冷却器是把冷却器和冷却塔结合在一起的一种设备，不但使冷却系统大为简化，同时降低了造价和运行费用.这种冷却器通过管外水膜的蒸发和传质来强化传热，其计算原理和开式冷却塔相同，一般采用焓差法进行计算.即以水膜的饱和空气焓h″和主流空气焓h的差值作为推动力.文献［1～3］中讨论了逆流式蒸发冷却器的设计计算方法，其中管内工艺水到管外水膜是常规的传热过程，从水膜到空气则是一个传热传质过程.前者取决于传热过程的总传热系数K，后者与该设备的容积散质系数βxv密切相关.文献［4］中较深入地讨论了下降热液膜进入层流气流的蒸发过程，分别列出了界面和边界条件.本文通过数值求解，并通过试验测得局部壁温分布后进行校核.文献［5］中对横流式蒸发冷却器的设计计算方法进行了深入的分析，并对该试验台改装后进行喷雾强化空气冷却器的实验研究［6］.关于蒸发式冷却器的实验研究，文献［2，3］中有一些讨论.由于传热传质过程与工艺水、喷淋水和冷却空气三者的流量和参数有关，影响的因素较多，有必要作一些深入的工作.本文就两个试验段在试验台上进行了测试，讨论了数据处理的方法，根据测试结果整理了总传热系数和容积散质系数的变化规律，并与文献上推荐的结果作了分析对比.1—可调风门， 2—毕托管， 3—微差压变送器， 4—风机， 5—风箱体，6—喷淋水箱， 7—电加热器8—水泵， 9—回水阀， 10—温度传感器，11—调节阀， 12—温控仪， 13—转子流量计14—倾斜式微压计， 15—喷淋水进水管， 16—喷淋水回水管， 17—均风箱， 18—蒸发冷却器试件19—收水器， 20—配水管， 21—配水箱， 22—热水泵， 23—热水箱， 24—电加热器25—三相调压变压器， 26—微机采集系统图1 试验装置系统Fig.1 Experimental device and system of evaporative cooler 1 试验装置整个试验台由风机和供风系统、工艺水(热水)系统、喷淋水系统以及测量和控制设备组成，如图1所示.试验台组成和各部件的说明可参见文献［6］.试验段由铜管管束组成.共做了两个冷却器的试验段.其中一个为12 mm×1 mm的紫铜光管作为换热表面，每排采用17根管，横向节距28 mm，即S1／d＝2.33.纵向为4排错列，间距30 mm，即S2／d=2.5，管长500 mm.另一个为17 mm×1 mm的低翅片紫铜管束.翅片厚度约0.9mm,翅片间距约2.0 mm，翅片厚度为0.3 mm，翅化系数为1.96.横向节距为46 mm，纵向节距为40 mm.工艺水(热水)在管内流过，管箱的隔板使水侧为四流程布置.为测量水温的变化，在管箱内装有5对铜-康铜热电偶，用来测量进口水温和每流程出口的水温.工艺水系统由热水箱、热水泵、转子流量计以及相应的调节阀门组成.热水箱中布置了9根3 kW的电加热器，分成两组.其中一组直接与电源相连，另一组则经过三相调压变压器加以调节.在试验段进口和出口处分别装有刻度为0.1℃的水银温度计，可对热电偶测量结果进行校核.铜管外的喷淋水为压力配水，配水管由12根12 mm、长500 mm 的铜管组成，在每根铜管的底部开两个 3 mm的喷水孔，对应每个喷水孔下吊一铜制溅水盆，可使水均匀淋水.配水装置的上部为有机玻璃制成的板条状收水器.收水器分成3层，每层17片，空气在空气槽间以Z形通过，除水效果好，未发现飘水现象.为了使蒸发式冷却器有较好的冷却效果，必须使喷淋水均匀流下，确保试验管外有一层均匀的水膜，这样空气流过时因水膜汽化吸热使工艺水得到冷却.该试验台具有独特的配风系统.经用热线风速仪校核，在未安放试验段时，气流在出风口上部截面的速度基本均匀，只是矩形截面的四角流速较平均流速约低10%.为了测量空气在流过试验段前后的干湿球温度，采用一种特制的树枝状采气管，借助风机的抽吸把湿空气吸入，经干球和湿球的热电偶测得空气的干湿球温度.分别测量了试验段下端以及淋水管上方的空气干湿球温度，还测量了大气的干湿球温度和当地大气压力.在试验过程中用5对铜-康铜热电偶用于测量工艺水每流程的进出口温度，且在进水管和出水管处用0.1℃精度的温度计直读.在试验管束每排管中间一根水管的下端各设置一对铜-康铜热电偶，一共有4对，其接点与管壁表面并不接触，测得的是水膜温度.此外，在喷淋水的进水和出水总管上各有一对热电偶测量喷淋水的供水和回水温度.循环的喷淋水量和工艺水(热水)量均用玻璃转子流量计(LZB-50)测得，其量程为0.6～6 m3/h.风量测量是在进风口的收缩喉管处用毕托管测得动压，经西安仪表厂生产的1151DR型微差压电容式变送器，并把4～20 mA的电流转换成4～20 mV输入数据采集系统.蒸发冷却器试件的压力损失用倾斜式微压计测得.各测量点的铜-康铜热电偶(共15对)再加上微差压变送器的一对读数均送往3054A数据采集系统(即3497A数据采集器与HP-85B微机相连)，最后经微机处理和打印结果.工艺水量和喷淋水量的数据则经人工采读后由键盘输入.2 数据处理方法根据测得的干球温度θ和湿球温度τ，可确定其相对湿度为φ=［p″τ-Ap b(θ-τ)］/p″θ(1)式中：p″θ和p″τ分别对应于θ和τ的饱和蒸汽压力；p b为大气压力；A为常数.对于通风式温度计，A=0.000 662.此外还可求得空气的含湿量x、密度ρ(kg/m3)和焓h(J/kg)分别为x=φp″θ/(p b-φp″θ) (2)(3)h=［1.005θ+0.622x(2 501+1.846θ)］×103 (4)由测得的工艺水质流量m*w和它的进出口温度、空气质流量m*a和它的进出口焓值，可分别求得水侧和空气侧的热量以及热平衡误差，即Q a=m a(h2-h1) (5)Q w=m w c p w(tw1-tw2) (6)ε=100×(Q w-Q a)/Q w(%) (7)在测试过程中，工况的稳定是十分重要的，只有在稳定工况下才能确保热平衡误差在8%以下.首先对试验台的各个系统进行反复调试，再对每个工况用数据采集系统监控和测量，待工况稳定后相隔10 min连续测量两次，各主要参数值基本不变才转入下一工况.热平衡误差在10%以上应予以剔除.由焓差法的麦克尔方程，在一段微小容积dV中，水膜的饱和空气焓h″和主流空气焓h之差构成了传热传质的推动力：m w c pw dt=m a dh=βxv(h″-h) (8)式中：βxv为容积散质系数.在冷却塔中βxv常取作淋水密度和空气质速度的函数，对不同的填料分别给出其变化特性.在蒸发式冷却器中，βxv 一般为空气侧雷诺数Re a、水膜侧Re w以及结构尺寸的函数［1～3］.在给定结构尺寸和运行工况的Re a和Re w下，βxv可作为该设备的平均值取作常数.对式(8)从进口到出口进行积分，有(9)式中，Δh m为对数平均焓差.考虑到管外水膜温度为非线性分布，取进出口两点作为计算依据不妥.可把测得的水膜温度取平均值后求得其饱和空气焓值h″m，于是(10)式中，h1和h2可按测得的空气进口和出口的干湿球温度求得.在测量过程中，循环喷淋水的进出口温度近似相等，工况稳定后其偏差在±0.2℃以内.根据测得的各温度工况，可推算管内工艺水和管外水膜之间的平均温差Δt m.由测得的换热量(以水侧为准)和光管外表面积F0，求得总传热系数K=Q w/(F0Δt m).在扣除管内工艺水侧热阻后可求得水膜侧热阻.在考虑翅化系数和翅片效率后即可求得水膜的对流换热系数，并与文献推荐的公式作对比，管内工艺水在紊流工况下的换热可按常规的迪图斯-贝尔特(Dittus-Boelter)公式确定.对于低翅片管束，使水膜侧的传热传质面积有较大增加，其热阻略低于管内侧，有利于强化传热传质.在测量仪表中，热电偶经过标定，并用0.1℃实验室用温度计进行校核，测温误差为0.33%；转子式流量计的精度为1.5级；毕托管和微差压变送器的精度为1.0级.此外，气侧干湿球温度的温差为±2%，水膜温度测量的误差为±1%.因此，实验过程中整理得到的βxv和K值的精度在±10%以内，热平衡误差控制在±8%以内.3 测量结果和分析图2(a)、(b)是低翅片管束的容积散质系数βxv随空气质流速m a和喷淋水量的变化曲线.m a=2～6 kg/(m2.s).喷淋水量在1 000～3 500 L/h，相应的单位宽度冷却水m=50～175 kg/(m.h).定义m=W c/(4N1L).其中：W c 为喷淋水量(kg/h);N1为每排管数；L为管长.从图中可以看出，βxv随m a 增加而迅速增大，随m的增加较为缓慢.当m超过100，则βxv的增加更为缓慢.图中实线为根据现有关联式得出的计算结果，此外，还给出几个试验工况下的结果，用虚线表示.图2(a)中的试验点m=96 kg/(m.h)，图2(b)中的试验点m a=3.8 kg/(m2.s).它比相应工况下的计算值提高约20%～30%.这说明低翅片管束对增强蒸发冷却器的传热传质是有效的.图2 低翅片管束容积散质系数的试验结果Fig.2 Experimental results of volumetric mass transfercoefficient of low finned tube图3(a)、(b)是低翅片管束的传热系数K随工艺水量m w和喷淋水量的变化曲线.m w=2 500～6 000 L/h，相应的水速为0.4～1 m/s，Re=8 000～20 000.从图中可以看出，K值随水速和m值的增加而升高，随水速增加而上升的幅度大一些，这说明工艺水侧的热阻较大.当m值超过100，则K值的增幅更为缓慢.图中实线为根据现有关联式得出的计算结果，此外，还给出几个试验工况下的结果，用虚线表示.图3(a)中的试验点m=96 kg/(m.h)，图3(b)中的试验点m w=4 850 L/h.它和理论计算值的偏差在±5%以内.图3 低翅片管束传热系数的试验结果Fig.3 Experimental results of heat transfer coefficient of lowfinned tube4 结论(1) 蒸发冷却器是一种有效的强化传热传质设备.在许多工业部门中不但可以解决冷却水的循环利用，而且使冷却系统简化，降低造价和运行费用，是一种有发展前途的冷却设备.应深入开展其计算分析和试验研究，才能在各种应用场合下寻求它的优化设计.(2) 讨论了蒸发式冷却器的试验台，以及实验数据的整理方法.对两种试验段的实验结果进行了数据处理，并给出了影响容积散质系数和总传热系数的各种因素.对于翅化系数小的低翅片紫铜管束，流动阻力增加极小，但因水膜侧的换热面积增大，水膜侧的热阻将低于工艺水侧的热阻，使传热得到增强.同时单位容积的传热传质面积显著增加，βxv将增加20%～30%，对强化传热传质十分有利.基金项目：国家教委博士点基金资助项目(9524823)作者简介：蒋常建(1972～)，男，博士生.作者单位：(上海交通大学动力与能源工程学院，上海 20030)参考文献：［1］Finlay I C, Harris D. Evaporative cooling of tube banks ［J］. Int J Refrig, 1984,7(4):214～224.［2］Mizushima T, Ito R, Miyashita H. Experimental study of an evaporative cooler［J］. Int Chemical Engineering, 1967,7(4):22～31.［3］Dreyer A A, Erens P J. Analysis of spray cooled finned tube heat exchanger［J］. H T Engineering, 1992, 13(4):52～71. ［4］Tsay Y L, Lin T F. Evaporation of a heated falling liquid film into a laminar gas stream［J］. Experimential Thermal and Fluid Science, 1995, 11(1):61～71.［5］蒋常建，徐斌，杨强生.横流式蒸发冷却器的热力分析［J］.上海交通大学学报，1997，31(7)：1～4.［6］杨强生，饶钦阳，范云良，等.喷雾强化空气冷却器的实验研究［J］.上海交通大学学报，1999，32(3)：313～317.收稿日期：1998-10-06。

第32卷　第13期2010年7月武　汉　理　工　大　学　学　报J OURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vo l .32　N o .13　Jul .2010DOI :10.3963/j .issn .1671-4431.2010.13.033板式蒸发式冷凝器水膜传热特性研究李元希1,蒋　翔2,吴治将3,朱冬生2(1.广东建设职业技术学院机电工程系,广州510470;2.华南理工大学化学与化工学院,广州510640;3.顺德职业技术学院机电工程系,佛山528333)摘　要:　在板式蒸发式冷凝器性能测试实验平台上,测试了纳米TiO 2亲水涂层、冷却水喷淋密度、进口空气流速和填料等对水膜传热特性的影响。

结果表明,循环冷却水的温度随着进口空气流速的增大而降低;冷却水温不一定和补水温度相等,可能大于也可能小于;纳米TiO 2亲水涂层可有效降低表面张力,促进水膜的均匀分布;在相同的操作条件下,加入填料可有效降低循环冷却水的温度,水温降低了0.8～2.2℃,在高风速时更为明显。

关键词:　板式蒸发式冷凝器;　风速;　填料;　喷淋密度;　纳米TiO 2中图分类号:　T Q 021.3;T B 657.5文献标识码:　A 文章编号:1671-4431(2010)13-0131-04Research on Heat Transfer Performance of Water Film for PlateEvaporative CondenserLI Y uan -x i 1,JIANG Xiang 2,WU Zhi -jiang 3,ZHU Dong -sheng 2(1.Department of M echanical and Electrical Engineering ,Guangdong Construction VocationalT echnolo gy I nstitute ,Guangzhou 510470,China ;2.School of Chemistry and Chemical Engineering ,South China University of Technology ,Guangzhou 510640,China ;3.Depar tment ofM echanical and Electrical Engineering ,Shunde Poly technic ,Foshan 528333,China )Abstract :　T he N ano T iO 2hydro philic coating ,spray cooling w ater density ,inlet air flow velocity and packing fo r the heat transfer characteristics of w ater film are researched based on the performance test ex periment of plate evaporative condenser .T he results show that the cooling w ater temperature is decreased gradually with the increasing of inlet air flow velocity ,cooling water temperature is not necessarily equal to the w ater supplement tempera ture ,may also be more o r less .Nano TiO 2hy -drophilic coating can effectively reduce the surface tension and promote uniform distribution of water film .T he cooling water temperature is decreased effectively from 0.8℃to 2.2℃with the packing inserted ,w hich is more obvious in hig her inlet air -flow velocity .Key words :　plate evapo rative condenser ;　air velocity ;　packing ;　spray cooling w ater density ;　N ano TiO 2收稿日期:2010-02-05.基金项目:国家“863”高技术研究发展专题课题(2007AA05Z200).作者简介:李元希(1964-),男,博士生.E -mail :stanlee2005@液膜蒸发冷却技术具有效率高、流量小、能耗低和结构简单等优点,在动力、化工、制冷、轻工、能源和食品等行业得到了广泛的应用[1]。

郑州大学硕士学位论文第5页1.3.2填料蒸发式冷凝器填料蒸发式冷凝器，以巴尔第摩生产的C X V蒸发式冷凝器为代表，其结构如图1.2所示所示，它将冷凝器和凉水塔合二为一，但在冷凝盘管下部仍然保留一段有填料P V C的热交换层，以降低循环水温。

冷凝器内的空气流在填料热交换层部分主要采用错流形式，在盘管部分则是水流和空气流平行同方向流入，再错流流出。

填料蒸发式冷凝器主要特点表现在以下几个方面:(l)水流与空气流平行进行:水和空气在冷凝盘管表面以相同的方向朝下流动，飘落的水流由于风压的作用，使水膜在光滑的冷凝盘管上被空气流所包裹，循环水最大限度的与冷凝盘管接触，如图 1.3所示，保证水膜完全充分的覆盖管壁，不至于很快剥落，由此消除了由于“干点”而引起的结垢。

(2)盘管表面水流量的增加:填料蒸发式冷凝器独特的结构设计，在水泵功率不增加的情况下，其单位面积盘管上的水流速率是传统蒸发式冷凝器的2倍多，这保证了水流对盘管换热表面的不断冲刷，从而延缓了冷凝盘管的结垢趋势。

(3)蒸发冷却过程主要是发生在热交换填料层上:填料蒸发式冷凝器采用一次和二次传热面相结合的复合流动技术，其主要换热面蛇形冷凝盘管，是蒸发式冷凝器最为重要的部件。

由于在冷凝盘管表面进行的换热主要是显热换热方式，而不是通常的潜热换热方式，进而减少了垢层形成的机会。

二次换热技术发生在填料热交换层上，填料具有很好的耐腐蚀性，热交换水蒸发效率超过80%，进而充分移走一次换热过程中的热量，同时可以大大降低冷却水温，通常冷却水温比传统设计的蒸发式冷凝器要低6℃~8℃，进而提高盘管的单位面积换热量，大大减少结垢的可能性[4]。

(4)C X V型蒸发式冷凝器单侧进风，单侧出风。

旧式蒸发式冷凝器均为四面进风形式，多台冷凝器并联时，台与台之间的间距比C X V型蒸发式冷凝器大，占地面积大:而且在刮大风的时候，旧式的蒸发式冷凝器在四个方向都容易出现过堂风的现象，减少了冷凝盘管表面的有效风量，换热效率随之降低。

板壳蒸发式凝汽器热质传递机理及特性研究的开题报告一、选题背景及意义蒸发器和凝析器是蒸汽动力机械中常用的主要热器件，蒸发器的作用是将液体变成蒸汽，而凝析器的作用是将流体中的蒸汽变成液体。

传统的凝汽器结构种类多，效率较低，易受布置限制，占地面积大等问题。

而板壳蒸发式凝汽器是一种新型的蒸发器结构，其结构简单，具有热质传递面积大、储存容积小、高热传导、低热阻等优点，已经在太阳能电站、热泵、核电站等领域得到了广泛的应用。

因此，对板壳蒸发式凝汽器的热质传递机理及特性进行研究和探索，具有重要的现实意义和应用价值。

二、国内外研究现状综述目前，板壳蒸发式凝汽器热质传递机理及特性研究方面，国内外已经开展了一系列的研究工作。

先后引入了板式换热器的基本结构和工作原理，阐述了热质传递机理及板壳式凝汽器的优点。

国外学者主要研究了板壳式凝汽器内壁的热质传递过程和板壳式凝汽器整体的性能，其研究成果为板壳式凝汽器的应用提供了理论支撑。

国内学者则从板式换热器的理论基础、板式换热器结构的设计、热质传递模型和实验研究等方面展开了研究工作。

三、研究内容和研究方法本研究的主要内容包括：板壳蒸发式凝汽器的基本结构、原理及其特点；板壳蒸发式凝汽器热质传递机理及热力特性的研究；板壳蒸发式凝汽器的参数优化设计；板壳蒸发式凝汽器实验研究。

研究方法包括：文献综述、数值模拟、实验研究等。

四、预期研究结果及创新点本研究将建立一套完整的板壳蒸发式凝汽器热质传递机理及特性研究方法，在热力工程和换热领域具有广泛的应用价值。

预期研究结果包括：研究板壳蒸发式凝汽器的热质传递机理及特性；优化板壳蒸发式凝汽器的工作参数，提高其换热效率；搭建实验平台，验证数值模拟结果，并对板壳蒸发式凝汽器性能进行实验研究。

本研究的创新点主要在于对新型的板壳蒸发式凝汽器热质传递机理和特性进行探究和研究，结果将对板壳蒸发式凝汽器的进一步优化和应用提供科学的理论基础和实验依据。

五、论文框架本论文的框架将包括：绪论、板壳蒸发式凝汽器的基本结构与工作原理研究、板壳蒸发式凝汽器的热质传递机理及特性研究、板壳蒸发式凝汽器参数优化设计与性能实验研究、结论与展望等部分。