蒸发式冷凝器的性能.doc

1、蒸发式冷凝器的性能 【 Keyword】 Experimental investigation is conducted to study the performance of evaporative condensers/coolers. The analysis includes development of correlations for the external heat transfer coefficient and the system efficiency. The evaporative condenser includes two fined tube heat exch

2、angers. The system is designed to allow for operation of a single condenser , two condensers in parallel, and two condensers in series.The analysis is performed as a function of the water-to-air mass flow rate ratio (L/G) and the steam temperature. Also, comparison is made between the performance of

3、 the evaporative condenser and same device as an air-cooled condensers . Analysis of the collected data shows that the system efficiency increases at lower L/G ratios and higher steam temperatures. The system efficiency for various configurations for the evaporative condenser varies between 97% and

4、99%. Lower efficiency are obtained for the air-cooled condenser , with values between 88% and 92%. The highest efficiency is found for the two condensers in series, followed by two condensers in parallel and then the single condensers . The parallel condenser configuration can handle a larger amount

5、 of inlet steam and can provide the required system efficiency and degree of subcoolings. The correlation for the system efficiency gives a simple tool for preliminary system design. The correlation developed for the external heat transfer coefficient is found to be consistent with the available lit

6、erature data. 【 摘要 】 为了 研究蒸发式冷凝器 /冷却器的性能 ， 进行了实验调查。 分析包括 外部传热系数和系统效率的相关性 的发展 。 蒸发式冷凝器包括两个翅片管换热器 。 该系统 分为 单个冷凝器 ， 平行的两个冷凝器 ， 和两个冷凝器系列 机型 。 这是 一个功能的水 -空气质量流量率比率和蒸汽温度 执行分析 。 此外，蒸发式冷凝器和作为风冷冷凝器 同一设备 的性能作比较。 根据 所收集的数据 分析 发现 系统效率 在低比率和高温时会提高。不同结构的冷凝器系统效率在 97%99%之间。风冷冷水器的效率比较 低，只有 88%92%。 最高的效率 的是两个系列冷凝器，然后

7、是两个平行冷凝器，最后是单个冷凝器。平行结构的冷凝器可以 处理 较大的进气蒸汽量 并且能提供所需的系统效率和一定的过冷度。 系统效率的相关性 给 初步的系统设计 提供一个简单工具。 发现的外部传热系数为开发的相关性必须符合现有的文献数据 。 冷凝器应用广泛， 石油炼油厂 ， 石化厂 ，电力站 ， 化工行业和空调装置 等 。在常规冷凝器冷却液是常用淡水 ， 成本高昂或不容易获得。 然而，在全球规模上有限的淡水资源养护的要求必须使用的丰富的冷却介质，包括海水或周围的空气。利用海水作为冷却介质仅限于低冷凝温度以避免规模 被 60 摄氏度以上的海水污染。并且， 饲料的海水必须去除颗粒物和化学处理，控制

8、规模变型扬天、 除垢 和腐蚀 。 被 排出 的海水有的环境，在一个地方的放电区造成热污染造成不利的影响 。 在常规空调机组，哪里作为散热器使用环境空气凝结的制冷剂蒸气中找到的气冷式冷凝器的应用程序 。 工业规模 中 ，空气冷凝器也用于电厂发电，那里新鲜的水可能无法访问和昂贵 。 蒸发式冷却的使用提高了冷凝器的性能。蒸发效果冷却到温度比空气温度低凝析油。这会增加空气流的热容量从而让使用低质流率低风扇降低能量消耗成为可能。此外，蒸发系统的传热功率比风冷冷凝器高， 这增强了热传输速率，增加的总传热系数的值 。 其结果是，规模较小的换热面积用于在冷凝器中删除相 同的热负荷。蒸发式冷凝器的使用消除了换热

9、管的壳盖 ，这是一个贵在常规冷凝器单位要素，结合一个冷却塔和外部换热器 。 蒸发式冷却塔内单位的安置 ，减少了管路连接和常规单位使用的阀门的空间要求 。 文献 论述 建模和分析 蒸发式冷凝器的文学研究的数量受到限制。 一方面，水气蒸发系统文学研 究 主要 关注 冷却塔和间接蒸发冷却系统的性能与分析 .。 后者与蒸发式冷凝器 有许多相似之处 ，尤其是考虑换热器管外的空气水系统的热质量转移。 因此，间接蒸发冷却器，以及蒸发式冷凝器的文学研究的分析 在以下的讨论中 。 间接蒸发冷却器 科学研究 主要关注是发展能源节 约型空调系统。 这 由 各种组合的冷却塔、 间接和直接蒸发式冷却器和常规机械蒸汽压缩

10、单位 组成 。 韦伯提出一个统一的理论建模的冷却塔、 蒸发式冷凝器和蒸发式冷却器 。 各项的相关性 被用来确定 从水流到空气流的 水流热传递系数和质量传递系数 。 在建模的凝汽器及冷却器单位 ，其他相关性用来确定换热器管内的导热系数。 随后， 为了 分析 冷却塔，流体冷却器 和蒸发冷凝器韦伯和比克雷斯建立了 三种算法和计算机模型 。 该算法 被 发现 可以 准确预测的三个系统， 误差在 3%之内。间接冷却塔模型由 Maclaine-Cros， Banks， Kettleborough 和 Hsieh， Chen 等建立。 这些模型被发现给室外空气应用合理的协议。然而，模型 过冷却的效果预测系统

11、在某些操作期间 ， 包括混合或排气应用程序 。 这动机彼得森发展分析的间接蒸发冷却器数学模型 。 根据实验数据，预测的数学模型进行验证 。 这个对比发现模型在精确预测一些运行操作上的节能性能的限制。这种情况下， 彼得森 提出 从实验数据，以获取必要的设计或性能数据生成的相关性的使用。Kettleborough 提交的间接蒸发冷却器的有效性评价数值模型 。 数值模型计算板、 二次空气和初级空气的温度 。 此外，模型计算电源插座二次空气流 的湿度。由于模型方程耦合和非线性，迭代和数值的解决办法是找到必要确定系统效能 。 间接蒸发冷却器，当与常规空调系统，结合的实验评价 在 彼得森和 hunn 的

12、一 个 小的办公大楼在达拉斯 ， 得克萨斯州 得出。数据分析表明，他的系统效率比传统空调单位高 70%。 这允许 相同性能的空气调节系统减少了 12%消耗。 蒸发式空气预冷系统的进一步评价表明水泵的最大的能源使用组件，而不是空气风扇。 Erens和 Dreyer 测试了 三个数学模型模拟的蒸发式冷却器的性能 。 数学发展的模式基于任一除以冷却器成微分元素或通过考虑冷却器作为一个元素 。 第一和第二个 模型是微分，第三个模型假定单位刘易斯数目、 水温恒定和可以忽略不计的 水膜 热阻 。 结果显示简化的模型评价的小单位，提供准确的结果 ，并且 获取初步设计和评级数据很有用。 另一方面， 详细的模型

13、，适合更准确的业绩预测 。Eren分析了 在间接蒸发冷却管安排的影响。结果表明 光管的性能 通过 使用 可以与管集成或放置管子下面 的 塑料填充 增强。 改进的性能造成的填充材料，在水中停留时间的增加 ， 这将生成较高的传热与传质之间的空气和水的流率。增强性能的冷却水塔类似影响由 El Dessouky 报告关于包装材料的表面粗糙的使用 。 Goswami 等 研究了 增强性能的小型到中型空调机组由空气用来凝聚的制冷剂液体的蒸发冷却 。 研究遵循类似的办法，通过在空调的大型设施和建筑物的单位。蒸发冷却空气的发现是增加驱动力为冷凝过程的温度。反过来，起到节约能源 20%为 蒸发式 冷却空气对系统

14、没有蒸发式冷却器的操作报告。 冷却水塔的模拟包括分析模型 ，也就是， 默克尔数值模型模型 ，即Nahavandi 和 Sutherland 的模型。 这两个模型的比较研究显示 5%到 12%的小差异在他们的预测 。 El-Dessouky 等 开发了一个修改的模型分析和评级的冷却水塔 。 该模型提出了转让单位数目 和冷却塔的有效性的新定义 。 转让单位数目以空气和水的热容量，表示和效力表示为塔冷却范围和平衡的方法的函数 。 该模型还认为对温度的空气 /水蒸气焓非线性依赖性 。 蒸发式冷凝 器 被Goodman Earlymodels 和汤姆森假定为水的流温度恒定 。 这种假设发现生成的系统差预

15、测结果和被淘汰了在研究由帕克和特赖巴尔 。 在他们的模型，他们假定团结、 空气焓对温度、 及水流速可忽略不计变化的线性相关性的刘易斯数目。由帕克和特赖巴尔模型不需要数值解决方案，可以使用一个简单的分析性程序解决。然而，后来由彼得森 等人 引在模型中不一致的问 题 ， 他 修改 了帕克和特赖巴尔模型并验证他们对实验数据的结果。 他们的分析表明， 由 Parker 和 Treybal 提出的水管接口的水侧传热系数的值 很 低 ， 因为模型 预料的 冷凝器负荷的 30%。 从上述调查可以结束数目有限的研究，发现对蒸发式冷凝器的性能。调查表明，需要执行以下。 实验测量的蒸发式冷凝器中的温度配置文件是必

16、要的系统性能和精确的模型，为系统开发中更好地理解。不同的操作条件的蒸发式冷凝器效率的评价。 空气 /水侧的传热系数关联式的发展。蒸发式冷凝器和针对原煤数据验证的精确数学模型的发展。这将执行在后来的研究中。 因此，这个研究的主要目标是通过实验确定 水和气体一定流量比的蒸发冷凝器的运行性能和热负荷。 这涉及到测量轴向温度分布和系统效率和传热系数计算 。 研究还将与空气冷凝器蒸发式冷凝器的性能进行比较。结果和分析让我们更了解在性能的燃油-化建模冷凝器，这是必要和开发和设计更多的效率系统的。 实验仪器和程序 图 1 显示了一个蒸发式冷凝器系统的示意图。如所示，系统由一个金属框架，包括水盆、 水循环泵、

17、 风机、 包装材料、 两个蒸发式冷凝器单位，水喷嘴，站在一边的有机玻璃、 连接管和阀门。 测量设备包括水流量计 和温度热电偶。 该器具的两侧密封与有机玻璃板料，其中有必要防止空气泄漏到系统 ， 系统尺寸分别 为 0.83x0.6x2 米的宽度、 长度和高度。水盆地有 0.83x0.6x 0.32 米的宽度、 长度和高度尺寸 。 此卷是需要在系统中维护几乎恒定的水的温度。水循环从水盆到喷嘴通过水循环泵和流量仪表 ， 循环泵已 最大功率 0.278kw，并提供了2kg/s 的最大流量 喷雾喷嘴系统将水流分成细雾，平均下降直径为 0.0005 米，均匀分布在包装材料 。因此， 水从流向的朝着逆流方向

18、的盆地列顶部的空气流 ， 风机吸了440/350 W 额定输入 /输出功率 ， 风扇将空气流从附近的水流域的侧开口移至列的顶部 ， 吸风机有恒定速度和移动空气 2.767m3或 平均流动率在 2.68kg/s。 如图 1 所示，结构化的包装材料用的分为三层 ， 据 El Dessouky 等报道 这种类型的包装给更高的系统效率比极套状叶或天然纤维。每个层都有相同的截面积为金属框架 ， 这可以防止空气或水 流，这将导致两个流之间的接触面积减少， 从而 减少装置的冷却效率 ， 每层都有 0.1 m，给足够的内部表面面积为空气和水接触的厚度 ， 三个包装层数的使用维护适当水分布及足够的接触面积之间的

19、空气和水流 ， 他两个冷凝器单位有适当管道， 允许单个的凝汽器或在串联或并联的两个冷凝器的操作 。 两个冷凝器相同，并且每个分别有一条路径和 0.83x0.6x0.02 米的长度、 宽度和厚度、 尺寸 ， 每个凝汽器包含单个行的 18 管与 0.011 m 外径和内径的 0.008 m ， 扁薄翅 控制管 束并且 每个 翅0.02x0.6x0.0015 m 在高度、 长度和厚度的尺寸 ， 1m范围内有 394 个翅片， 这项安排使总换热面积 3.672平方米 其中包括换热面积 0.312 m2 管和翅片 3.36 m2。测量设备用来确定计算水和冷凝蒸汽的流率以及大气干湿球温度。 图 1 所示的

20、热电偶 测量位置 ，精确的温度测量仪器温差正负 0.1,水流误差只有 1%。 实验步骤 蒸发冷凝器的操作先在水池注满水再打开水泵和蒸汽阀。通过改变水流率， 蒸汽压力和冷凝器结构来改变系统工况。 在开始操作时， 开始收集数据之前 系统进行 为期1h 的 监测， 所有的温度测量都存储在一个数据记录器在 5 分钟的时间间隔 ，其他数据，包括冷凝蒸汽和循环水的流率，每 12h重复测一次。在所有试验中，流速保持在9660m3/h,或 2.68kg/s，而且水流率稳定在0.44,0.63,0.82 和 0.95kg/s。 在试验发言中使用的蒸汽入口温度是 111.9 和 120.8摄氏度，对应压力为 1.

21、5 和 2bar。 在所有实验中，其中包括蒸发和空气冷凝器，取得完整的入口 蒸 汽 冷 凝 ， 冷 凝 器 流 率 在0.0140.012kg/s 变化。 作为空气冷凝器系统的运作的完成只需保持包装和水盆干和转弯关闭水泵。 其他操作过程和条件空气流率，蒸汽压力和冷凝器结构与其类似。 实验结果与讨论 所收集的数据用来分析性能 -曼斯蒸发式冷凝器、 空气冷凝器 ， 这包括为水的流的轴向温度分布的分析和计算 ， 这被定义为实际能达到的最大金额的热量，可以从紧缩中删除可能到的比率 ，从冷凝器移出的最高热量表现为蒸汽温度冷却到 进入容器 气 流的湿球温度 。 即： C ( T T ) ( H H )=

22、( H H ) C ( T T ) s p s us s us s w s p s wMMMM (1) 应该强调的是蒸汽冷凝蒸发器中是处于饱和状态 。 水流中蒸发式冷凝器的轴向温度配置文件在图 2 中所示为系列中的两个冷凝器 。从 111.9 和 120.8 摄氏度 蒸汽温度 和L/G 获得结 论。 如所示，在水流域，发现了水的最低温度，其值为高于空气的湿球温度 ，水温随水从喷嘴流入塔升高， 最高水温出现下面第二次换热器 。 水温度和冷凝温度增加了在较高的蒸 汽温度及 L/G 增加 ， 应指出的是湿球温度的影响是与被测量的结果相一致 。 在这方面，湿球温度增加结果的凝析油和水的温度增加在系统中

23、 ， 这是差异所造成的小的干、 湿空气湿度 ， 因此，在高湿球温度的水每股流率水流的蒸发量被减少 。 水在蒸发式冷凝器塔流的温度分布的测量的数据是在建模系统特性非常重要 。 可以使用此配置文件来定义传热，热转移计算为是必要的驱动力 。在学术研究中 假设整个列，其值等于湿球温度恒定的水温度 是很普遍的， 这种假设并不符合上述的测量，并通过可能会导致在模型的预测不准确之处 。 中单凝汽器，两个 平行 冷凝器和两个 系 列 冷凝器 中 蒸发式冷凝器、 空气冷凝器的效率每小时变化显示在图 3 蒸发作用提高系统效率，从低于 92%为 到 99%。 以上检查的效率变化显示白天在所有系统的效率下降在中午的时

24、候，发现了最低效率和最高的效率测量在清晨和傍晚时间期间 ， 这种增加是关联到列流动空气的湿球温度下降 。 图 4-6 所示蒸汽温度和 L/G 对蒸发式冷凝器的效率的影响 。 如所示，效率平均是 97.7%、 98.1%和 98.9%为单一的凝汽器、 并行，两个冷凝器和系列中的两个冷凝器 。系列中的两个冷凝器的高效率被造成更大的热转移的区域，允许附加膨凝析油 ， 在 L/G 的结果减少所有系统效率的提高 。 因此，在较高的 L/G 比增加发生在冷却水温度和凝析油温度因此增加和系统效率降低 ，蒸汽温度的影响并不明显 ；然而，在更高的蒸汽温度，更高的效率预期由于传热的驱动力会增加 。 蒸发式冷凝器和

25、空气冷凝器的冷凝温度的比较图 7 中所示为单一的凝汽器、 并行，两个冷凝器和系列中的两个冷凝器 。 如所示， 两个 系列中冷凝器、 两个 并行冷凝器和单一冷凝器为空气系统的冷凝水温度平均值 分别 是 76.9、 86.5 ， 97.2 摄氏度。这些结果的 比较表明蒸发系统是能够消除热比空气系统，这将导致更高程度的过冷度的较大数额。 上述结果显示的冷凝水过冷程度较大，是 73.3 和 90 摄氏度 之间的值 ， 如所示，最大的过冷度获得系列中的两个冷凝器 ， 伴随的均质过程和为相同数量的冷凝潜热的释放能量的比较显示的过冷度的能量是不少于 15%的冷凝能源 。 然而，过冷度的换热面积是相当于所需的

26、冷凝传热面积 ， 这是因为低热能的过冷度也是低整体传热系数与关联 。 冷凝过程，在整体热系数高，以及为冷凝热能正好相反。 传热系数的计算 提出下面的假设，以计算传热系数： 1、 稳定状态的操作 2、 表面是清洁或污垢抗为零 3、 凝汽器表面是清洁或污垢阻力为零 4、 在列中并在凝汽器的外表面上的水和空气流的均匀分布 5、 在列中的水损失是可以忽略不计 6、 进入冷凝器单位的蒸汽流处于饱和状态 7 凝结水过冷度跟随蒸汽冷凝 度变化 热物性的空气和水中的传热系数，其中包括恒定的压力、密度、粘度、和热导率比热，获得的平均气温为流 盘管壳式换热器系列中的运作 允许简单的凝结与两相流和膨与单阶段的两个病

27、例的传热系数的计算 。 第一次换热器在这种情况下执行的冷凝步 ， 它包括蒸汽和其凝析油 ； 第二次换热器只有凝析油 。 下面的两个部分给分析的每个换热器 。 图 8 显示 了一个示意图的温度配置文件在两个换热器和换热器管外的空气 /水系统 。 传热系数与分两个阶段 如图 8 所示，换热器管内的蒸汽凝结在饱和温度 ， Tc， 较低的 过冷 温度 ， Tn。 换热管外，水温度增加从 T1 到 T2 期间蒸汽冷凝然后从 T2 到 T3 期间膨 胀， 然后定义为冷凝热负荷 cuq q q （ 2） 当 csqM （ 3） 并且 C (T T )u s p c uqM （ 4） Tc， Tn 两个热负荷

28、用于定义具有相应的总传热系数 ： c s c c cq M U A LM TD （ 5） C (T T )u s p c u u u uq M U A L M T D (6) 这两个地区的总和等于总传热面积 ： t c uA A A (7) 得 2112(T T )ln (T T ) (T T )c ccL M T D (8) 32( T T )ln ln 1uL M T D R R RP (9) 32cuTTR TT ； 322cTTR TT 得 , , ,1 1 1 11opoc c p i p m o p o FAAU h A A k h A A (10) , , ,1 1 1 11op

29、ou u p i p m o p o FAAU h A A k h A A (11) 以上两个式子 是由管内表面积 决定 ,p i i pA n DZ 管外表面面积 ,p o o p oA n D Z m D d 翅片表面面积 24 iF nDA m BW 翅 片 和管外表面面积 ,o F p oA A A 由上可得 0.951 3.81cohh (12) 定义参数 0.8 0.41 1 p(13) 当地的表面传热系数的计算使用 如下关系 0.81 1ouhh (14) 假设所有质流量都是液态 并 由 著名的迪图斯伯尔方程计算得出 0. 8 0. 40.02 3 (R e ) (P r)uik

30、h D (15) 通过考虑 0.5 为完成冷凝蒸汽的平均价值获得平均传热系数 。 传热系数与单阶段 第二次换热器的热负荷 为 C (T T )p u v uq M U A L M T D (16) 43( T T )ln ln 1L M T D R R R P (17) 其中 43uvTTR TT ； 433uTTR TT (18) 这里（ T3-T4）是水膜温差，过热系数的方程（ 16）有方程（ 11）所得，方程（ 11）（ 16）（ 17）用来 确定外部传热系数 h0。 冷凝和冷却得换热面积 换热面积为冷凝和过冷度的变化中图 10 所示作为函数的水 -空气流动比率 ，数据显示的进口蒸汽温度

31、为 120.8 摄氏度。 更高的冷凝面积是比膨冷凝热负荷较高的结果 ， 此外，减少冷凝面积在较高的值为 L/G 是增加而造成的中的传热系数如图 9 所示 。 另一方面， L/G 比例的增幅时过冷度地区增加被造成的总传热面积强 加的约束 ， 因为冷凝器的总面积是一个常数，它等于冷凝和过冷度传热面积的总和。 实验结果的相关性 蒸发式冷凝器和空气冷凝器的效率数据是作为函数的蒸汽温度 （ Ts）， 湿球温度（ Tn），传热面积（ A），水空气流量配比（ L/G） 相关 。 在平行的两个冷凝器的传热面积是设置为等于单个冷凝器的地区。由给出对蒸发式冷凝器的生成效率相关 229 8 .5 7 1 .7 6

32、2 .0 9 1 00 .2 7 4 .8 3 1 0eswL G TAT (19) 同样，空气冷凝器的效率关系 22 2 3 .0 3 1 .8 1 1 00 .3 1 5 .2 9aswTAT (20) 得到 0. 23 2. 130. 16osh L G T (21) 相关结果显示在图 12 中 差错处理 ,误差分析 在本文中介绍的无量纲组计算误差分析是由 Kline-麦克林托克 程序执行 。 测量不确定度定义 已修复误差的 仪器仪表和在不同的度量标准期间观察到的随机误差根总和广场 。 错误分析包括测量的温度和流量 ，分别可能是 3.1%和 2.45%。 因此，在计算的热传导系数和系统效

33、率的 真实 偏差 分别是 5.3%和 6.59%。 结论 进行实验的调查，以研究蒸发式冷凝器的性能。根 据结果和分析，是作出以下结论。蒸发式冷凝器效率增加 ，较低的 L/G 比率和较高的进口蒸汽温度 时 ， 系统性能显示平行冷凝器安排允许处理最大的入口蒸汽量 。另一方面 系列配置提供了最大程度的过冷度 。 单凝汽器 的性能类似于 两个平行冷凝器。然而，对于相同的蒸汽负载量，单凝汽器在里面列和较低程度的过冷度较高的水温度产生 。 对于相同数量的入口蒸汽，较高的蒸发式冷凝器的散热能力允许使用动力较小的热转移表面面积和风扇比空气冷凝器 。 效率相关性 由 蒸汽温度 ， 换热面积 ， L/G, 和周围

34、的空气湿球温度 表示。 简单与可以提供初步设计数据的相关性 ， 相 关性的水或空气传热系数表示为蒸汽温度和 L/G 的函数 。文学研究符合 相关预测。 术语表 A 传热面积 m2 B 高度 m C 定压比热 J/Kg d 厚度 m D 管径 m G 空气流率 kg/s G 蒸汽质量通量 kg/m2 s h 导热系数 W/m2 H 液体焓 J/kg H00 蒸汽焓 J/kg k 热导 W/m C L 液体流率 kg/s m 翅片数 M 冷凝蒸汽质流率 kg/s n 管数 P 压力 kPa P 比压， 流体压力临界压力，无量纲 Pr 普朗特 数 r (D Cp =k ) q 热负荷 W q 热通量 W/m2 Re 雷诺数 (D VD= ) T 温度 , C U 过热导热系数 , W/m2 C V 速率 m/s W 宽度 m Z 长度 m 管厚 系统效率 潜热 动态粘滞度 翅片效率 密度 蒸气质量分数 下标 a 空气流或空气冷凝器 c 冷凝面积 d 干球活干导热系数 e 蒸发冷凝器 F 翅片 i 内管 液水 lo 液水导热系数 m平均值 o 外管 p 管 s 热蒸汽 t 总传热面积 u 第一 次离开 换热器的过冷的凝结水 v 第 二次离开 换热器的过冷的凝结水 w 湿球或湿导热系数