污垢對(duì)蒸發(fā)式冷凝器性能的影響

1、污垢對(duì)蒸發(fā)式冷凝器性能的影響分析前言空調(diào)系統(tǒng)和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的大量廢熱需要消除，尋找高效能的熱交換器是當(dāng)務(wù)之急。 ASHRAE210/214標(biāo)準(zhǔn)指出：蒸發(fā)式冷凝器是一種效率最高的換熱器。隨著制冷空調(diào)行業(yè)的蓬勃 發(fā)展，蒸發(fā)式冷凝器已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。本文研究了污垢對(duì)蒸發(fā)式冷凝器換熱性能的影響特性。首先，討論蒸發(fā)式冷凝器的污垢問(wèn) 題，接著利用文獻(xiàn)污垢數(shù)學(xué)模型分析實(shí)際的污垢特性，最后利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定量分析了污垢對(duì)設(shè) 備換熱效率的影響。1.蒸發(fā)式冷凝器的污垢問(wèn)題極度腐蝕、結(jié)垢和生物污染都會(huì)降低設(shè)備的使用壽命。在較為惡劣的環(huán)境下，污垢大大降 低了蒸發(fā)式冷凝器的換熱效率。由于循環(huán)水極易受到污染，美國(guó)學(xué)者

2、Maclod-Smith早在2002 年就提出，即使至今仍沒(méi)有發(fā)生一例因蒸發(fā)式冷凝器而爆發(fā)大規(guī)模軍團(tuán)桿菌病，但是生產(chǎn)商和 使用者還是應(yīng)該特別注意循環(huán)水的品質(zhì)。與冷卻塔相比，蒸發(fā)式冷凝器需要處理的水量小得多， 水處理過(guò)程看似簡(jiǎn)單，但是實(shí)際上由于水的快速循環(huán)導(dǎo)致設(shè)備極易結(jié)垢和加速水箱內(nèi)刺激性氣 味的有機(jī)物增長(zhǎng)，因此面臨著更大的挑戰(zhàn)，如果忽視這些，就會(huì)造成設(shè)備框架以及管束的快速 腐蝕，需要高額的維修成本，甚至需要更換新設(shè)備。在某些情況下，換熱管結(jié)垢層的厚度比較容易測(cè)得，這對(duì)于分析盤(pán)管的污垢特性有一定的 指導(dǎo)意義。但是，這并不能夠直觀的分析出污垢對(duì)設(shè)備換熱性能影響的量化關(guān)系。一般而言， 設(shè)備使用者比較

3、關(guān)心三個(gè)問(wèn)題：（1）腐蝕與結(jié)垢層厚度的關(guān)系；（2）結(jié)垢層厚度對(duì)設(shè)備排熱量 的影響；（3）污垢對(duì)設(shè)備換熱性能的影響。美國(guó)學(xué)者M(jìn)aclod-Smith在2008年研究了蒸發(fā)式冷凝 器換熱盤(pán)管上CaCO3結(jié)垢情況，如圖1所示。他利用實(shí)際排熱量與額定排熱量的百分比表征結(jié) 垢層厚度對(duì)設(shè)備換熱性能的影響。從圖中可以看出，垢層厚度S為2.4mm時(shí)，蒸發(fā)式冷凝器的 排熱量降低了大約55%，而且隨著垢層的增加，排熱量還會(huì)繼續(xù)降低。換熱管水垢是影響設(shè)備 換熱效率和使用壽命的最主要因素之一，即使是換熱管覆蓋一薄層水垢都會(huì)大大降低設(shè)備換熱 性能，同時(shí)導(dǎo)致?lián)Q熱管腐蝕，縮短設(shè)備使用壽命。因此，必須對(duì)噴淋水進(jìn)行軟化處理和確

4、保盤(pán)管全部潤(rùn)濕。換熱管表面水膜的覆蓋率越大， 垢越不容易。目前，洛陽(yáng)隆華傳熱節(jié)能的蒸發(fā)式冷凝器的噴嘴使用一種新型的吊籃式噴嘴，其 特點(diǎn)是：噴淋均勻，不易堵塞，確保盤(pán)管能形成均勻、完整的水膜。蒸發(fā)式冷凝器運(yùn)行中，都 是在綜合考慮循環(huán)水的質(zhì)量和設(shè)備材質(zhì)的基礎(chǔ)上，采用對(duì)結(jié)垢和腐蝕具有抑制作用的化學(xué)藥物 進(jìn)行水處理，但是，一般不推薦使用酸性物質(zhì)來(lái)抑制結(jié)垢，因?yàn)闀?huì)影響設(shè)備的使用壽命。80額定排熱量的百分比200.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4垢層厚度（mm）圖1 CaCO3垢層厚度對(duì)設(shè)備排熱量的影響2.污垢特性模型美國(guó)學(xué)者Khan和Zubair

5、依據(jù)運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備重量的增加，于2009年提出了冷卻塔結(jié)垢時(shí) 的性能系數(shù)門(mén)的數(shù)學(xué)關(guān)系式；美國(guó)學(xué)者Bilal和Syedm鑒于冷卻塔與蒸發(fā)式冷凝器類(lèi)似的特性， 利用相似原理，于2011年推出蒸發(fā)式冷凝器污垢條件下的換熱性能模型（如公式1所示），表 征污垢性能系數(shù)門(mén)與結(jié)垢層厚度5的關(guān)系。 TOC o 1-5 h z 。廣1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 門(mén)=q 1 - expf-C QL2）cl 式中：Q無(wú)垢條件下設(shè)備的排熱量；Q-運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備實(shí)際排熱量；cc2-表征蒸發(fā)式冷凝器污垢特性的常數(shù)；C1-當(dāng)污垢層厚度達(dá)到最大值、，門(mén)的增量；可按公式

6、2取值：門(mén)=nC（2）C2-當(dāng)門(mén)降低到臨界值ncr的63.2%，5的值；（1）式的線性表述為:.%22012年，美國(guó)學(xué)者M(jìn)acleod-Smith利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，確定n=0.76時(shí)，擬合系數(shù) 達(dá)到0.999。圖2是Macleod-Smith利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和污垢模型（方程（1）計(jì)算數(shù)據(jù)所做出的性能系納 與垢層厚度5的函數(shù)曲線圖。從圖2可以看出，5 =2.4mm時(shí)，門(mén)世=0.56。因此，利用方程（2） 得出：C=0.732，將C門(mén)世代入（3）式，可得：C2=0.6另外，圖2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)的兩條曲線幾乎重合，證明利用污垢特性模型分析蒸發(fā) 式冷凝器換熱性能是可靠的。3.蒸發(fā)式冷凝器熱傳質(zhì)

7、數(shù)學(xué)模型利用蒸發(fā)式冷凝器控制體積的微觀模型，其中所做的一切假設(shè)和所應(yīng)用的公式都是建立在 理想模型的基礎(chǔ)上，并且必須考慮水的蒸發(fā)影響。3.1質(zhì)量守恒對(duì)于蒸發(fā)式冷凝器，A為換熱管的外表面積；ma為空氣的質(zhì)量流量，mw循環(huán)水的質(zhì)量流量；W為濕空氣的相對(duì)濕度；則水質(zhì)量守恒可表示為：a可m W + m +5 m wdA = m + mW +5W、dAaw5Awa5A J7(4)簡(jiǎn)化為:(5)w5A5Ama對(duì)于蒸發(fā)的循環(huán)水的質(zhì)量，需要考慮蒸發(fā)式換熱器的質(zhì)量傳遞效率hD。水膜溫度下的飽和 空氣的相對(duì)濕度記作W 盤(pán) 則：mw+，int5 mwdA = mw + hD W. - WM(6)簡(jiǎn)化后，可以寫(xiě)做3.2

8、能量守恒蒸發(fā)式冷凝器中水膜一空氣的熱濕交換面上，持續(xù)發(fā)生著熱質(zhì)交換?？諝忪手涤涀鱤，空氣 的對(duì)流傳熱系數(shù)記作h，水膜溫度為T(mén).t，空氣干球溫度為T(mén)db，水膜溫度下的飽和水蒸氣和飽 和液態(tài)水的比焓分別記彳作hg，血和hf，血，11其過(guò)程可表述為：=m h + h (T - T )dA + h (W- W)a c int dbDs ,int(7)/ 5h ),mh+一 IdAaV5A J _gin嘰 M(8)簡(jiǎn)化后寫(xiě)作： m dh = h (T T )dA + h (W W)(1-h M(9)ac int dbD s ,intg int f int工藝流體的質(zhì)量流量和焓記作m和h，工藝流體的溫度記

9、作T，U是以管束外表面為基 礎(chǔ)，隨著垢層不斷增加的系統(tǒng)的總傳熱系數(shù)，則工藝流體的能量守恒可表示為：+ UT )dA(5h)m h = mh +p-p ppp5A Jp，w，(10)若水的定壓比熱記作c ，工藝流體的定壓比熱記作c ，循環(huán)水溫度下蒸發(fā)的水的比焓 記作hf，w，如果用焓來(lái)表示：Ww5h(5T 5a - cp,JcP，P(10)式和(11)式聯(lián)立并簡(jiǎn)化，得:也叫5Ap，p V 5A JdT = Uos T T M(11)(12)系統(tǒng)總的能量平衡方程為:)5h 5 mdAh +dAm +wf, ww5Af, wV 5A J_V JJ一一PM, p 血(13)mh + 5hdA+m h

10、+m15hh + pdAaL 5A Jwf , wpp5A對(duì)于蒸發(fā)式冷凝器，在熱傳遞過(guò)程中，管內(nèi)制冷劑的焓值變化而溫度保持不變，這是需要注意的。簡(jiǎn)化得：制冷劑的質(zhì)量流量記作mr，制冷劑的焓記作hr，制冷劑的溫度記作Tr， M 1 L rJ 1dT =wmcm dh c T d m dhp, w wr rmw則運(yùn)用(11)(14)(15)水膜熱阻記作R.t，垢層熱阻記作Rf（t）,制冷劑的傳熱系數(shù)記作h .： kt，換熱管內(nèi)徑和外徑分別記作dt is和dt os，循環(huán)水的對(duì)流傳熱系數(shù)記作、： 基礎(chǔ)，U可表示為，1S ，ose換熱管的熱阻記作。以盤(pán)管外表面為 wos1U(t)-dtoi dlnih

11、e, w+ Rint（16）3.3系統(tǒng)總方程美國(guó)學(xué)者Dreyer假設(shè)氣廣七，將(9)式轉(zhuǎn)換為：（17）d h =妃aGh)+1&-h)-(y一舟 1s,intI h c J s,ints,intg,intac是指水-空氣混合物的定壓比熱容;p ,a同濟(jì)大學(xué)許旺發(fā)等人分析了 Le、Le關(guān)系式與Le因子之間的區(qū)別與聯(lián)系，計(jì)算得到了蒸發(fā) 式冷凝器空氣與水熱濕交換過(guò)程的Le因子取值范圍大約在0.51.0時(shí)，Le關(guān)系式導(dǎo)出的冷卻效 率相對(duì)誤差小于2%，如果假設(shè)Le因子取1,則（17）進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：dh =么 G- h dA（18）s ,intma從（5），（7）可以看出，隨著一部分水膜蒸發(fā)，循環(huán)水的質(zhì)量

12、流量是變化的。從（14）可 以看出，盤(pán)管內(nèi)工藝介質(zhì)的熱量只是部分用于加熱（冷卻）水膜。在此假設(shè)下，水膜的溫度和 飽和水蒸氣的溫度相等，即Rint T 0。上述方程描述了蒸發(fā)式冷凝器的熱質(zhì)傳遞過(guò)程，可以利 用 EES（Engineerning Equation Solver）來(lái)求解上述方程組。假設(shè)管內(nèi)工藝流體所能達(dá)到的最低溫度為環(huán)境濕球溫度，則蒸發(fā)式冷凝器的熱效率可以表 述為熱傳遞過(guò)程中，實(shí)際傳遞的熱量與理想狀態(tài)下管內(nèi)工藝流體的最大傳遞的熱量的比值，即:(19)e =廣嘰咖h，廣y calexp表1為利用上述數(shù)學(xué)模型得到的計(jì)算值Q 和實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Q（制冷劑為氨）之間的誤 差百分比。從表中可以看出

13、，排熱量的誤差不足5.0%.因此，上述所建立的蒸發(fā)式冷凝器的數(shù) 學(xué)模型是成立的。表1排熱量Q計(jì)算誤差百分比expcalmakg s-1mw in kg s-1mP kg s-1t,.db inCtwb inCtrCQKWQKWQ t% error1.8792.66715.0025.019.550.0118.2120.72.1370.1160.4580.31517.513.4544.86.987.233.5812.1701.8352.67010.07.45047.2130.6134.32.8332.9232.5006.00025.018.0050.0138.8142.42.5944.分析和討論上

14、述建立的數(shù)學(xué)模型可用于蒸發(fā)式冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算和運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備換熱效率評(píng)估。評(píng) 估設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中結(jié)垢后的效率（ ），需要知道以下條件：（1）進(jìn)口空氣溫度（包括干球溫度t dbn和濕球溫度t wb.n）；（2）制冷劑的溫度tr ； （3）質(zhì)量流量（包括空氣ma，循環(huán)水m,制冷劑m）；（4）排熱量Q ;（5）換熱面積A。對(duì)于蒸發(fā)式冷凝器，當(dāng)t=25； t=18C；rdb, inwb, i nt =50C； Le=1.0； A=9.0m2； m =0.13kgs-i； m =1.89kgs-i； m =2.70kgs-i； C0.250.732；C；=0.6.計(jì)算結(jié)果如表2。WKhan和Zubai

15、r研究表明，與其他因素相比，進(jìn)口空氣的濕球溫度t心對(duì)蒸發(fā)式冷凝器的 換熱效率影響最大。利用污垢特性模型（方程（1）,分析污垢條件下，t對(duì)設(shè)備效率的影響。表2 t心in=18C, q=0.6時(shí)，蒸發(fā)式冷凝器的 f變化率C1排熱量換熱效率變Q (KW)化efc率無(wú)垢有垢無(wú)垢有垢(%)0.25110.56192.9800.93960.752819.880.37110.66179.5730.93960.663929.340.49110.66173.1660.93960.573738.940.732110.66149.1780.93960.400657.36圖3表述的是在不同的tm C1取0.25和0.

16、732；其他參數(shù)與表2中的一致的條件下，蒸發(fā)式 冷凝器的出口空氣的溫度t和性能指標(biāo)門(mén)的關(guān)系。從圖中可以看出，t 越低，t 越低。a, outwb，ina, out這是因?yàn)閠 wbn降低，循環(huán)水溫度隨著降低，蒸發(fā)式冷凝器的傳熱驅(qū)動(dòng)力從而增大的緣故（詳見(jiàn) 公式（7）。在理想條件=0）下，當(dāng)C1 一定，七疆從22C降到16C時(shí)，心從46.99 C降 到46.68C，降低了 0.66%。然而在實(shí)際的污垢條件下，當(dāng)C1=0.25，,只降低0.53%；當(dāng) C=0.732，t 七僅降低 0.28%。性能指標(biāo)圖3 twb，in不同，ta out隨n的變化圖4分別表示了換熱效率施與性能指標(biāo)門(mén)及排熱量Q的關(guān)系。C

17、1和t心和圖3相同，其 他入口參數(shù)與表2中的保持一致。同時(shí)需要注意：計(jì)算的排熱量應(yīng)符合污垢模型（公式（1）， 以保證實(shí)際排熱量的變化趨勢(shì)符合圖1。污垢導(dǎo)致設(shè)備換熱量降低，因此設(shè)備性能指標(biāo)門(mén)增加，圖4 (a)的曲線總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。在無(wú)垢的理想條件=0)下，當(dāng)七疆從22C降到16C時(shí)，施的增加量并不明顯，因此 具體數(shù)值詳見(jiàn)表3?？梢缘贸觯号c進(jìn)口空氣的濕球溫度t禎,相比，循環(huán)水的溫度作為冷卻介質(zhì) 所能達(dá)到的最低溫度，其更能表征蒸發(fā)式冷凝器的效率。從圖3很容易看出，污垢減緩了 t心降低，熱效率增大的趨勢(shì)。圖4(b)表示污垢條件下 f與Q的關(guān)系。設(shè)備換熱量Q 一定時(shí)，twbnn越低，率也越低。這是因?yàn)?/p>

18、：當(dāng)換熱量Q 一定 性能指標(biāo)門(mén)越高；而從圖4 (a)可以看出門(mén)越高降低的最大量可達(dá)27.3% ；當(dāng)C=0.25，t越低，設(shè)備的 wb,in心T6C時(shí),f0.0.3(0.2渙 熱 八、 效 率 0.10.2(0.1(C1=0A=9.).,25.73210)5 i0twb ini=22C6wC1=0-2500.000.10.20.30.40.50.6(如圖 4 (b)， 40kw)時(shí)，t f 越低。當(dāng) C=0.732，t禎廣16C時(shí)，施降低的最大量可達(dá)13.4%。性能指標(biāo)換熱效率0.150.10C1=0.2A=9.05).73；2/ /C1=0.27多n 1:n 20.350.300.250.20twb in=222twb in=20(a)狎的變化情況0.0530401twb in=1Cf twb in=1C5060708090排熱HKW)(b) 隨Q的變化情況圖4不同*wbin，8efc的變化情況表3圖4 （a）和（b）無(wú)垢時(shí)，擊的變化量twb inQ (KW)88(C)efc wbefc1682.3160.09870.336411881.9190.10010.336392079.3330.10110.336382278.5400.10350.33635就蒸發(fā)式冷凝器，污垢降低設(shè)備的排熱量，系統(tǒng)換熱效率降