基于濕球溫度的板式蒸發(fā)式空冷器模型及數(shù)值求解

1、基于濕球溫度的板式蒸發(fā)式空冷器模型及數(shù)值求解    摘要： 根據(jù)熱力學和傳熱學理論，建立了板式間接蒸發(fā)式空冷器傳遞過程的基本微分方程組。引入兩個基于濕球溫度差的比熱 和對流換熱系數(shù) 后，推導得到了以空氣濕球溫度為推動勢的等價微分方程組。應用四階-龍格庫塔法求解并分析了一個實例空冷器內各流體的溫度分布和熱工性能。該分析模型為進一步分析蒸發(fā)式空冷器的熱工性能和設計方法提供了理論依據(jù)。     關鍵詞： 板式蒸發(fā)式空冷器 濕球溫度 分析模型 數(shù)值求解      

2、   一 引言    蒸發(fā)式空冷器利用自然環(huán)境中空氣的干濕球溫差取得冷量來冷卻高溫流體，其在制冷、化工、冶金電站等領域中有廣泛的應用，蒸發(fā)式空冷器熱工性能的好壞直接影響到系統(tǒng)運行的效果。板式間接蒸發(fā)式空冷器(如圖1所示)是蒸發(fā)式空冷器的一種典型形式。蒸發(fā)式空冷器具有耗水量少、能耗低等優(yōu)點。        板式間接蒸發(fā)式空冷器冷卻側由于傳熱和傳質過程同時進行，相互耦合，質量的傳遞促使熱量的遷移；同時熱傳遞有強化液膜表面的蒸發(fā)，因此其傳輸機理相當復雜

3、。國內外學者對間接蒸發(fā)式空冷器進行了大量的研究工作。從現(xiàn)有的文獻看，間接蒸發(fā)式空冷器熱質交換的基本理論主要是以Merkel方程為基礎，空氣和噴淋水的總熱交換是以焓差為推動力。Maclaine-cross和Banks1假設空氣焓與濕球溫度呈線性關系，并且忽略水的熱容量以及水膜靜止，從而建立相應的間接蒸發(fā)冷卻線性分析模型。Chen等2提出整個換熱器內水膜表面溫度恒定并等于其平均值的近似假設，雖然模型精度降低，但便于分析計算。應用焓差作為推動力的熱濕交換分析方法， Webb等3 4則給出了冷卻塔，蒸發(fā)式冷卻器和蒸發(fā)式冷凝器三種蒸發(fā)冷卻式換熱器的熱工計算方法。   

4、60;然而由于空氣側同時進行著傳熱和傳質過程，以及濕空氣飽和蒸汽壓和溫度之間的非線性關系使間接蒸發(fā)式空冷器熱工性能分析更加復雜。以溫差為推動勢的空氣-空氣換熱器的熱工性能分析和設計方法都不能直接應用于間接蒸發(fā)空冷器。作者從質量和能量守恒出發(fā)，假設空氣焓與濕球溫度呈線性關系，推導出以空氣濕球溫度差為推動勢間接蒸發(fā)式空冷器的分析模型，該模型的基本微分方程組的形式與以溫差為推動勢的空氣-空氣換熱器的一致。并用四階-龍格庫塔法求解了一個實例的各流體的溫度分布和熱工性能。    二 板式蒸發(fā)式空冷器傳遞過程的基本方程組    

5、;本文以逆流（熱流體與噴淋水）板式間接蒸發(fā)式空冷器為研究對象。物理模型示意如圖2所示。數(shù)學模型做了如下假設：        1. 空冷器內傳熱傳質過程處于穩(wěn)態(tài)，忽略外殼的散熱損失。    2. 各流體熱物性為常數(shù)。流體的狀態(tài)參數(shù)僅沿流動方向變化。    3. 水膜均勻分布，忽略水膜波動和水膜厚度對傳熱和流動的影響，忽略水膜的蒸發(fā)損失；水膜在傳熱壁面上完全潤濕。    4. 忽略空氣中離散水珠對傳熱

6、傳質的影響。    5. 濕空氣的傳熱傳質過程符合劉易斯關系式，即。    6. 濕空氣飽和蒸汽壓與濕球溫度呈線性關系。    取微元體Bdz進行傳熱傳質分析。因此，熱流體側的能量守恒方程為：    （1）    其中，為熱流體側與水膜之間的傳熱系數(shù)，為熱流體側的對流換熱系數(shù)，為壁面熱阻，空氣側壁面的污垢熱阻，為壁面與水膜之間的對流換熱系數(shù)。    因為水膜

7、很薄，可認為氣液界面的濕空氣的飽和溫度等于水膜的溫度，則空氣側水蒸氣的質量守恒方程為：    （2）     其中為空氣側的傳質系數(shù)，為水膜溫度所對應的飽和含濕量。    空氣側的能量守恒方程為：    （3）     其中為水膜溫度所對應的汽化潛熱，為空氣側的對流換熱系數(shù)。    把式和式（2）代入式（3）并化簡得到：   &

8、#160;（4）     因為，因此式（4）可化簡為：    （5）     從式（5）可得到，空氣的干球溫度變化主要取決于空氣和水膜之間的顯熱交換，而潛熱交換對空氣干球溫度的變化幾乎可以忽略。    由于本文忽略水膜的蒸發(fā)損失，所以可認為基本不變，所以水膜的能量守恒方程為：    （6）     綜上，根據(jù)質量和能量守恒導出的板式間接蒸發(fā)空冷器的基本微分方

9、程組由式（1）、（2）、（5）、（6）組成。方程組的未知量有，而方程只有四個不封閉，所以還需要補充條件。三 基于濕球溫度差的傳遞過程的基本方程組推導    根據(jù)假設，濕空氣飽和蒸汽壓與濕球溫度在一定的溫度范圍內成線性關系，因此飽和空氣含濕量可表示為，則： ，     所以飽和線斜率：    由于，    所以可得：    =    上式可重組得到：（7） &

10、#160;   把式（7）微分，并把式（2）、式（5）和式（7）代入式（8），并進一步化簡得到：    （8）     以蒸發(fā)式空冷器空氣進口的干濕球溫度為邊界條件，對式（8）積分得到：    （9）     式（9）表明空氣的干濕球溫度差隨離入口的距離成指數(shù)規(guī)律衰減。    引入兩個以濕球溫度差為推動勢的比熱和對流換熱系數(shù)5：    &

11、#160;和    則根據(jù)假設和上述定義式可推導得到：    （10）    = （11）    由式（8）減去式（5）得到： （12）     把式（10）和式（11）代入式（12）得到：    （13）     同理把式（10）和式（11）代入式（6）并進一步化簡可得到：   

12、0;（15）    綜上，可得到板式間接蒸發(fā)式空冷器以空氣濕球溫度差作為推動勢的傳遞過程的基本微分方程組由式（1）、（13）和（15）組成。根據(jù)已知條件和邊界條件，聯(lián)立方程組（1）、（9）、（13）、（15）可解出熱流體、水膜和空氣干濕球溫度沿流動方向的分布。    四 實例計算和分析    已知板式間接蒸發(fā)式空冷器結構參數(shù)：L×B×H為1.2m×1m×1m，熱流體通道寬度為3mm,空氣通道寬度為4mm。熱流體（為熱空氣）進口溫度70，

13、熱流體質量流量0.8kg/s，冷卻側空氣進口干球溫度為32，進口濕球溫度為24，空氣質量流量0.8kg,干空氣/s。循環(huán)水噴淋溫度為35, 循環(huán)水質量流量1.2 kg/s。熱流體側的對流換熱系數(shù)以及空氣側傳熱傳質系數(shù)和計算方法參考文獻2，壁面與水膜之間的對流換熱系數(shù)參考文獻6，忽略壁面熱阻和污垢熱阻。    經(jīng)估算空氣的濕球溫度將在24-32之間變化，所以取該溫度段的飽和線性斜率并已知條件可計算得到：4.621 KJ/kg,=256.4W/m2K。 用四階-龍格庫塔法求解方程組（16），解得熱流體的溫度分布如圖3所示，水膜和空氣干濕球溫度沿流動方向的分布

14、如圖4所示。空氣干球溫度的上升主要是由于循環(huán)水溫高于空氣干球溫度導致的顯熱交換；而空氣濕球溫度的上升主要是由于空氣與水膜之間的熱質交換導致了空氣焓增加。根據(jù)蒸發(fā)式空冷器效率的定義，根據(jù)計算結果求得該蒸發(fā)式空冷器效率為59.8%。        圖3 熱流體溫度分布 圖4 水膜和空氣干濕球溫度分布     五 結論    根據(jù)熱力學和傳熱學理論，本文建立了板式間接蒸發(fā)式空冷器傳遞過程的基本微分方程組。引入兩個基于濕球溫度差的比熱和對流換熱

15、系數(shù)后，推導得到了以空氣濕球溫度為推動勢的等價微分方程組（16）。該方程組與空氣-空氣換熱器的基本方程組一致，所以該分析模型為進一步分析蒸發(fā)式空冷器的熱工性能和設計方法提供了理論依據(jù)。本文用四階-龍格庫塔法求解并分析了一個實例空冷器內各流體的溫度分布和熱工性能。         參考文獻    1 Maclaine-cross I. L., Banks P. J. A general theory of wet surface heat exchangers and its application to regenerative evaporative cooling. Journal of Heat Transfer. 1991, 103 (8): 578-585    2 Chen P. L., Qin H. M., Huang, Y. J. and Wu H. F. A heat and mass transfer model