蒸发冷却器的传热性能及其设计方法

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1、。讲座。蒸发冷却器的传热性能及其设 计方法编者按?本文从六个方面进行阐述,即一、概述?二、蒸发式冷却器的传热机理?三、蒸发式冷却器的基本传热方程式和热量衡算?四、传热膜系数和传质 系数的计算?五、蒸发式冷却器的设计和设计例题?六、蒸发冷凝器的传热性能和设计方法?文章内容丰富篇幅较长?本刊分三期连续发表供大家学习参考。一、概述在工业生产 中,尤其是在化学工业、石 油工业 中,常常需要将热的液体或气体冷却到一定温度,有时还需要将蒸汽冷凝下来,然后 再冷却。常用 的冷却剂 为空气或水。用空气作冷却剂时,不需要特殊的预处理,但是空气 的传热膜系数很小,因而需要用更大的传热面积,故空冷 器只对于高温流体

2、的冷却较为有利?因此时温差较大?。用水作冷却剂时,应该考虑到在我国东北、华北 和西北 这一片广大的“三 北”地区是缺水地区且水质不好,必须预 处理 和建立高大笨重的凉水塔以提高水的利用率。即使在水源丰富的南方,也要对水进行预处理,以清除其中的泥沙和易结垢的可溶性盐类,也要建立凉水塔。近来还有在冷却器顶部安装小型凉 水塔,塔内有轻质玻璃钢或 塑料作为填料。这种装置虽然不必建立高大笨重的凉水郭宜枯李淞平谭福广吟秋沈?主月瑶泵塔,但仍然要建立一些小型凉水塔?此外,冷却水要一直加热到最终温度,才用泵打到凉 水塔中,冷却后循环使用,这就不能使冷却温度降得太低,因而减小 了传热的温度差推动力。如果把冷却器

3、和凉水塔组合在一起,就构成了所谓蒸发式冷却器,其示意 图如图?。由图?可见,热的工 艺流体走管内,从上至 下,通常 有?排、? ?排或? ?排?视工艺 流体的传热量而定?,平行地并列若干列管排。在传热管最上方喷下冷却水,使水成膜状覆盖在管子外表面上。在管排的下部 吸入空气,与水直接接触。热流体释出夕夕硬硬几几几暇暇禅尸小八八尸尸抉执鲁奋奋 、?嘴砂 ,、 ? ? ? 一一一、 吸吸一一一一一?、 七七一一一二二二 乍乍乍 ? ? ?曰? ? ? ?一一?一飞飞? ? ? ?一气一犷 ? ? ?工艺流体排污图?蒸发冷却器示意图一?一热量 通过管壁传给水膜。而水与空气接触时,由于 空气尚未饱和,因

4、而一部分水蒸发至空气中,蒸发所需 的潜热取自冷却水?又因水温高于气温,故有显热传给空气。因此,在整个蒸发冷却器中,水温几乎保持不变。但是,如用水冷式冷却器,则出口水温要比进口水温高? ? ? ?之多。可见,采用蒸发式冷却器时,与水冷式冷却器相比,将使工艺流体冷却到更低的温度。由此看来,在蒸发冷却器 中,冷却水将工艺流体的热量传给空 气,同时又损失一小部分水变成蒸汽,随空气 一 同排出,因此归根到底,全部 热量是由空气带走的。为了防止液滴被带出,故装有除沫器。此外,由于水是循环使用的,为了避免水中可溶性物质不断增浓,须不定期地排污。补充的新鲜水量?蒸发水量加排污水量?只占用水总量?一?,而用水总

5、量 的绝大部分是循环水。采用水冷式冷却器时,如果以取出热量 ? ? ? ?为例,设水的温升 为? ?例如,冷却水入口为? ? ?,出口为? ?,则需要水量为? ?。若采用蒸发式冷却器,则需要补充的冷却水为? ? ?此处? ? ?为水在? ?时的汽化潜热,? ? ?表示排污水量占蒸发水量 的? ?。由此可见,蒸发式 冷却器的用水量只有水冷式的? ? ? ? ?二?。因此,采用水冷式冷却器而又未使用凉水塔回收时,若改用蒸发式冷却器,则其最大的优 点是节约用水。由于用水量大为降低,水泵的动力消耗也降低了,即使 考虑到风机所耗动力,总动力消耗仍然 是较低的。显然用以净制水的费用也相应地降低了。如果采用

6、水冷式冷却器而又用凉水塔回收水时,则改用蒸发式冷却器可以节省另建凉水塔的费用。若工艺流体是需要冷凝的蒸汽?例如冷冻剂氨、氟利昂或油类蒸汽、水蒸汽等?,则此设备称为蒸发式冷凝器,其结构和操作原理与前述蒸发式冷却器是一致的。? ? ? ?曾以空冷式冷凝器与蒸发式冷凝器冷凝饱和水蒸汽为例 作 经 济比较,认为采用后者是有利的?见表?。蒸发冷却?冷 凝?器早在? ?年 代时国外就已使用了,由于 它具备上述优点,一应用日冷凝透平蒸汽采用空冷式冷凝器和蒸发式冷凝器的经济比较表?动力 ?马力?风机水泵合计安装面积传热管表面积裸管?,?外表面?,?管侧压力降? ? ?空冷式蒸发 式? ?刀? ?月土? ? ?

7、 ? ? ?,? ?,? ? ? ?几? ? ?几? ?一? ?一管的尺寸管的型式送风量? ?价格 ?估计值?甲? ? ,外径?飞翅片管续表飞甲?裸管?,? ?仇? ? ?美元? ?,? ? ?,? ? ?美元? ?月? ?注?表?的设计条件?待 冷凝的蒸汽量?街?。?水蒸汽压力? ?二?设计时的干球温度? ?韶?设计时的湿球温度? ? ?一伯明翰线 规?、? ?一英尺 ?、?卜英寸?一磅?小时益普遍。我国在引进设备中也有少量这种装置,但无论从它的结构,传热机 理和设计方法而言都不是十分复杂的。目前,我国应用这种装置还很不普遍,只有大连冷冻机厂小批量生产,且已向国内少数工厂 和香港一些工厂出售

8、,效果很好。整个设备是一个长方形箱子,可高架于设备的?方,故不占地面,我们已与该厂协作研究其传热机理和设计方法,从而可以进行系列化生产,深信这种节水、节电、节省地 面以及节省清洗所需要的劳动力的装置,必将在我国得到广泛的应用。二、蒸发式冷却器的传热机理在蒸发式冷却器内任一高度处各流体的温度和热恰分布如图?所示。试由此图研究其传热机理,管内高温的工艺流体由管中心至管内壁传热,其相应的传热膜系数为玩,然后管壁导热,再由外壁主管壁表面上附着的水膜给热,其相应的传热膜系数为?。如分别考虑内壁 面 和外壁面上附着的污垢热阻,则从管内流体至水膜的总传热系数?。?以管外表面为基准?为?管壁冷却?空气、? 长

9、鸳闪日?。?。?各?。? ? ?气 二? ?一二二,?二, ? ?一? ? , ,?十?二,? 二, ?十? ?。红乙?一?人?二?,?月?、?气址?五?。、? ?一管的外径和内径,。,几一平均管径?二? ? ?邝?,? 、?式 中, 图?管内外流体温度和热始分布图?一胡、,二加。二二?气?。 ?、? ?一目只?夕?仪幼于“曰仪灯勺夕口为殆男狡一一不?二了一一? 压? ?各一管壁厚度,?一?一入一管材的导热系数,? ?一管内流体的传热膜系数,? ? ?一管外水膜的传热膜系数,? ? ? ?。一总传热系数,? ? ?就这一部分传热来说,与一般间壁换热是完全相同的,其传热方程式为?,?一? !?式

10、中,?一单位容积 中管壁的传热面 积,?,?一管内流体的温度,?一水膜温度,?一蒸发冷却器 的截面 积,?“?一蒸发冷却器的有效高度?最上和最下两排管的中心距离?,?。但是水膜表面 和淋下 的水滴还与空气相接触,前已指出,水从工艺流体吸取热量,同时水又向空气传递潜热和显热,因此,在整个设备中,从上 至下 的水温变化只有?左右。此外,由于水是循环使用的,故器顶的喷淋水温度等于器底水池中的水温。空气与水之间传递 的热量为?一?二?费一?一?一?一?二?一?、?式中等号 右侧第一项表示 空气获得的潜热传递,是 由水蒸发 至空气中而传递 的?等号右侧第二项 表 示空气获得的显热传递,是由于水温高于气温

11、的温度差 为推动力而传递的。两项之 和 即为空气获得的 热量?。式 中负号是由于增量d z向下为正值,而空气是向上流动获得热量 的。式中, KO声一空气与水之间的容积传质系数, kg/m3h;a一单位容积中空气与水的接触 面积, mZ/m3,(注,a和K。;无法分别单独测定,故合并为K。沪由实验测得) x劳一水 温 下饱和空气的湿含量, kg/kg干 空气; x一空气的湿含量, kg/kg干 空气;tA一空气的温度,;r一水在温度t时的汽化潜热, koal/kg;h o沪一空气与水之间的容积传热系数,k ca l /m3. h;其余符号 同前。对空气一水 系统而言,遵从Lewi s法则,即h

12、o:a /K。声之C, ( Cp为空气比热),将其代入式(3)中,经整理后得:dQ=一Ko;a (x芳一x) Sdzr一KO: Cp(t一t、) Sdz=一K。;a (x苦r+C, t)一(x r小CptA)S dz因为(x气+C挤)二i肠,为在水温t时饱和空气的热烩;(x r+CptA)=i,为 空气的热烩。于是空气一水系统的传热方程式又 可写成:dQ=一Koga (i关一i) S dz(4)蒸发式冷却器设计问题的关键在于分别求得:l )管内工艺流体冷却的传热膜系数, h:;一46一管外冷却水的传热膜系数, h们3 )水一空气系统的容积传质系数, KO沪。另一个问题是如何将管内流体至管外水膜

13、之间总传热系数U。与水一空气之 间同时传热和传质的容积传质系数KO声这二者的关系联系起来。酒井克已3根据空气水传质和传热的类似关系导 出一个求单 位 面积热 负 荷q式Koa l/mZh的方程式,可用以进行设计,这 一公式在形式上较为简单,但在实际应用时,作了一 些简化的假定,例如取固定不变的水膜厚度,确定水滴 的大小和落下的 时间等,不能普遍适 用,并且也很难测定。此 外 这些数值还 应与 风速有关,似乎并未计及。、尔琴、笃郎川弩咯钱热充程式、钱做方程式以及热惬 孰衡算式食共,共提出一套设计方法,但整个设计过程较繁,应用 不便。P。3 e帅e汕昼5、“也是先求出从工 艺流体到水膜之间的传热系

14、数U。和相应 的传热面积,然后考虑空气与水之间的同时传热和传质的传热膜系 数,再与U。合 并为 总传热系数,由此又求出另一 些相 应 的传热面积,最 后 再 用 图 解法求这 两组传热面积的共同点(即两曲线交点),由于计算时,需要按不 同水温平行地计算几套 数据,因而计算量较大,应用不便。尾 花英朗7比较系统地提出蒸发冷却器的设计方法,他 根 据传热方程式、传质 方程式和热量衡算式得出一组 微分 方程式,并作出解析解法以求得传热面积A或设备的有效高度Z,另外,还提供一系 列热效率对传热单元数的图(即E一N T U图),利用此图可以不必用解析法就可以迅 速求得A或Z值,但遗憾的是,对于冷 凝过

15、程,除了提供簇贫侣侧朋微分方程式以外,既没有解析法求解的公式,也没有提供完备的E一N T U图,本文作者参考有关文献1一8中经验式、经验数据和图表,结合研究工作中有关结论以及大连冷冻机厂结构设计中所用的一 些参数作出数值解和整个工艺设计程序,供设计者参考。T: W七 t名tl吸WC三、蒸发式冷却器 的基本 传热方程式和热量衡算橇橇箭, ,、,、 款款户户坏. . . l州. . . . . .了 +d l, ,寡扮、.、 在前一节图2中已将管内外流体的温图3蒸发冷却器有效高度的温度和热姑分布图度和热烩分布加以描述,这里,为便于说明问题,按整个蒸发冷却器的有效高度中各流体的温度或热恰变化作图,如 图3所示。在蒸发冷却器有效高度中任意取一微元d z进行分析,则有如下基本 微分方程式:管内流体失去的热量为WC dT=一Uoa, ( T一t)S dz(5)管外冷却水失去的热量 为一47一一Koga ( i关一i) Sdz+Uoa,( T一t)S dz