影响闭式冷却塔热传递的因素

摘要: 以管内流体热量传递为分析方向,研究影响光管管束盘管换热的不同因素,对管内流速、管壁导热系数、喷淋水密度及温度进行了分析讨论,并利用matlab做图显示各因素影响力趋势,得到不同因素对换热过程的影响能力。总结了在今后光管管束盘管换热器的设计过程中应优先参考管内流速、喷淋水密度因素,同时可以忽略管壁导热系数因素,使得在以后的设计过程中能比较直接寻找到优的结构及运行参数。

（一）前言

在实际工程应用过程当中,考虑到对冷却流体纯度(流体中杂质含量)要求的逐步提高以及对环保节水的日益重视,闭式冷却塔广泛应用于能源动力、化工及空调和制冷等行业中。其主要换热部件盘管的换热性能直接影响到整个换热器的工作效率,而传热系数K描述了换热盘管的换热性能。传热系数由冷却水侧换热热阻、管壁和污垢换热热阻以及喷淋水侧换热热阻等串联构成,它的大小将直接影响盘管换热的优劣。本文分析探讨在强化盘管换热的过程中上述因素将如何对传热系数构成影响,以及影响力大小。

（二）盘管热传递过程中影响因素的计算关联式的建立

2. 1　盘管热传递过程分析

的盘管热传递过程(取其中单管为分析微元) :从管内流体经对流换热传递到圆管内壁,经圆管内壁导热传递到外壁,后经喷淋水膜传递到冷却塔内部对流空气,并用空气将热量带出。考虑到在工程实际应用中由于流体中杂质的附着将在管内、外壁产生污垢,所以在分析盘管换热综合系数时管内、外污垢热阻也将计算在内,但是由于其形成原因复杂且热阻较难估计所以不列入影响因素分析过程当中,如图1所示。在换热盘管为光管管束的情况下整个换热过程以管外流体机械径为基准其综合传热系数与各部分热阻的关系为：

 

式中　hi ———管内流体对流换热系数,W / (m2 ·K)。ri、r0 ———内、外管壁污垢热阻,(m2 ·K) /W。d0、di ———盘管外、内管径, mm。h0 ———管外喷淋水对流导热热阻,W / (m2 ·K)。λ———管材导热系数,W / (m·K)。

 

2. 2　各因素关联式的确定

(1) 光管单管内强制对流换热系数, 使用为广泛的关联式为迪图斯- 贝尔特公式:N u = 0. 023Re0. 8 ·Pr0. 3    (1)

其定性温度为进、出口两个截面平均温度算术平均温差(闭式冷却塔在标准工况下运行, 冷却水参数为进口37℃、出口32℃) ,定性温度取内管径di ,普朗特数由定性温度查表,由努谢尔特准则：

 

其适用范围104 ～1. 2 ×105 ,即0. 732 ×10- 2 ≤udi ≤0. 878 ×10- 1 ,将雷诺数、普朗特数代入式(1)求得管内对流换热系数:

　　　　

(2) 光管管束外由喷淋水至上而下流动而在管壁外表面形成水膜,水膜的流动将带走部分盘管释放的热量,同时将剩余热量传递给塔内空气。管外壁与水膜间的对流传热系数由以下关联公式提出 。

　　

管外喷淋水作为循环用水, 起到了很好的节水效果。在循环过程当中由于其经过盘管所带走的热量将在喷淋过程当中充分与空气接触达到良好的热交换,所以在本文中假设喷淋水与盘管接触时的温度总是相同的。

(3)冷却盘管在运行中,由于冷却水、喷淋水中含有杂质,在管内、外壁面沉积附着形成结垢。由于污垢的成分、性质的不同,很难定量其数值在计算过程当中常使用冷却水侧ri = 1. 76 ×10- 4 (m2 ·K) /W, 喷淋水侧r0 = 1. 76 ×10- 4 (m2·K) /W[ 3 ] 。

(4)冷却盘管多由铜管制成, 但考虑到其制造成本的提高和新材料的不断应用。本文将在管材导热系数方面考虑更广范围,比较其对整个盘管的换热影响。

（三）各因素对换热量的影响能力分析

根据前文所述关联式, 光管管束综合传热系数可改写成:

据此知综合传热系数受管内流速、管材导热系数、喷淋水密度及温度和内、外径影响。根据大量的试算结果, 以及在盘管制造、使用的实际情况,盘管的管内流速范围在前文关于管内对流换热的论述中已经确定。通常情况下管材使用铜合金,在本文中为了测试其他种类材料盘管对换热效果的影响, 将管壁导热系数范围扩大到: 80 ～320W / (m2 ·K) 。内、外径范围至0. 01～0. 03m。喷淋密度及其温度,考虑相关试验结果以及冷却塔实际运行过程当中室外空气湿球温度,将其范围分别设定为Γ为0. 01 ～0.1KG/( m·s) , tw r为28～31℃。利用Matlab编程绘图, 在其他因素不变的情况下,改变其中一个由此确定其对综合传热系数(用K综合表示)的影响情况。

3. 1　管内冷却液体流速对K综合的影响

假定盘管管内径分别为: 0. 01、0. 015和0. 02m,其壁厚为0. 0004m, 导热系数为109 (W /m ·K)既黄铜材质, 喷淋水密度及温度设定为0. 1( kg/m·s) , 30℃。在本文对光管单管内对流换热系数关联式应用条件讨论中已给出管内径与管内流速的关系,在与假定管内径匹配的流速范围内,其与综合传热系数关系如图2所示。

从图2 可以看出, 综合传热系数与盘管单管内流速呈现指数式递增关系,同时在假定范围内流速相同的情况下管径越小其综合换热系数越大。这是因为相同管径下流速越大其雷诺数越大,并且管径越小越能增强单管管内的对流换热系数,但当流速超过一定范围后管内流体已经充分发展到湍流阶段,在提高其流速对于管内换热的强化已经起不到重要作用,但是管内流体的阻力将于流速呈平方关系发展,所以较高的流速将影响到盘管的运行能力。据图所知将流速控制在2m / s以下进行调节,将对K综合的变化有比较明显的作用。

3. 2　管材导热系数对K综合的影响

与上例相同分别考虑3组管径, 同样的管壁厚以及喷淋水密度及温度, 在假定流速为1m / s情况下,不同的管材导热系数λ对综合换热系数影响如图3所示。

从图3可以发现在不同的管径下, 管材的导热系数从80～320W / (㎡ ·K) ,其对综合导热系数的影响在区间内不超过10W/ (㎡ ·K) ,相比于流速的影响能力来说盘管管材导热系数对综合换热系数的影响力下降了一个量级,故在今后的盘管设计中可以使用相比现阶段铜管导热系数更低的金属或非金属材料,这样既不会对盘管的传热能力造成很大的影响,同时也可缩减制造成本。

3. 3　喷淋水密度及温度的影响

为了正确比较各个因素之间影响力的大小,对喷淋水密度及温度的分析将保持与上例中大部分假定因素相同,管材导热系数假定为109W / (m·K) ,不同喷淋水密度及温度对综合传热系数的影响如图4、5所示。

从图4可以看出喷淋水密度对综合传热系数呈单向递增的关系且随着Γ;的增大而均匀增加这是因为随着喷淋密度的增加管外壁上的液膜流动速度加快相同喷淋密度时在较小管径管壁上液膜附着时间较短管外壁热量迁移更加迅速直接强化了管外壁的对流换热但是随着外壁面液膜的逐渐堆砌增加了液膜的厚度而较薄的水膜可以减少热量传递给管外对流空气的传热热阻阻碍了热量的进一步迁移所以喷淋密度不宜过大应以保证均匀润湿管壁所需小喷淋密度。

从图5水膜温度对综合传热系数的影响上可以看出随着温度提高管壁与水膜之间的对流换热系数不断增加,这是由于温度升高,水的导热性能逐步增加使得液膜在外壁面形成的流动边界层热量传递性能增强,但是同时也发现在假定的范围内流体喷淋温度的升高对于综合传热系数的增加影响甚微,在相同换热量的基础上由于喷淋水温度的提高导致整个传热过程温差减小,增大了换热面积。所以在考虑喷淋水温时应更加注意其在盘管设计工作中对盘管面积的影响作用。

（四）结论

(1)比较各个因素对K综合的影响, 发现管径越小换热效果都将得到加强,所以在设计过程中可在保证换热面积和冷却流体流量的前提下, 选择较小的管径;

(2)管内流速的变化对综合换热系数K综合的影响较大,尤其当流速小于2m / s时, 流速的改变对K综合的变动起到重要作用;

(3)管材导热系数对整个换热盘管的综合换热系数影响极其有限, 在80～320 (W /m2 ·K)的计算范围内, K综合的增加值在10 (W /m2 ·K)左右。所以在今后的设计中管材导热系数可以忽略其变化带来的影响;

(4)喷淋水密度与温度在分析过程中发现其对K综合的影响不仅涉及到综合传热系数本身, 还制约了整个盘管的设计过程,所以对淋水密度及温度的分析应对K综合和盘管其他运行参数进行综合,这样才能确定优方案。