传热传质过程报告.docx

传热传质过程报告.docx

《传热传质过程报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传热传质过程报告.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

传热传质过程报告

传热传质过程报告

,蒸发冷却的原理与应用

能动学院建环0902周丽3090204030摘要:

蒸发冷却技术广泛应用于石油、化工、能源、制冷、空调及冶金等工程领域，研究、发展和应用蒸发冷却技术将带来巨大的经济和社会效益。

关键词:

蒸发冷却数学模型工程应用

引言:

蒸发冷却作为传质冷却的一种，原理简单，传热传质效果好，应用广泛。

夏天天气炎热，下过一场雨或者往地面上洒水，温度会降低，这就是自然界中最常见的蒸发冷却。

正文:

蒸发冷却技术内容介绍

1、直接蒸发冷却（DirectEvaporativeCooing，简称DEC）:

利用循环水在填料中直接与空气充分接触（由于填料中水膜表面的水蒸汽分压力高于空气中的水蒸气分压力，这种自然的压力差成为水蒸发的动力。

水的蒸发使得空气和水的温度都降低，而空气的含湿量增加，空气的显热转化为潜热，是等焓降温过程。

第1页共12页

2、间接蒸发冷却（IndirectEvaporativeCooing简称IEC）:

将直接蒸发冷却得到的冷湿空气或循环球的冷量通过非接触式换热器传递给待处理的空气，实现空气的等湿降温。

间接蒸发冷却过程有两种形式:

一种是将一部分空气进行直接蒸发冷却处理（常称为二次空气）后（空气温度降低-再将这部分空气通过热交换器冷却需要处理的另一部分空气（常称为一枚空气）（进行减湿降温处理一次空气送至室内，二次空气排出。

另一种常用的形式是将水直接喷淋在二次空气侧（使之进行直接蒸发冷却（需要处理的空气流经壁面温度较低的一次空气侧，实现等湿降温。

围2为过程焓湿图，可见温度为的空气由间接蒸发冷却设备处理后沿t0

等湿线温度下降，与热湿比线交于送风点O。

图中L点为空气露点。

利用间接蒸发冷却系统处理空气（空气处理前后的温度差一般不会超过空气处理前干湿球温度差的80,。

间接蒸发冷却可以用于很多地区。

在集中空调系统中常用的一种形式就是在过渡季节（直接将冷却塔提供的冷却水送入空气处理机组的表冷器。

直接蒸发冷却模型的建立及求解

问题的描述及说明本文所研究的直接蒸发冷却系统包括填料、风机、水泵、集水箱、布水器等,如图1所示。

循环水从填料顶部通过布水器淋洒,在填料表面形成下降的水膜。

被处理的空气在风机的作用下通过填料,在气流通道中与水膜发生热湿交换,空气被冷却、加湿。

填料采用的是蒙特空气处理设备（北京）有限公司的GLASdek介质,该介质是由一种基于玻璃纤维的复合材料制成的吸水性,

第2页共12页

图1直接蒸发冷却系统示意图

及抗腐蚀性能良好,阻燃性好,利于防火,其结构如图2所示,特殊的波纹角度可以控制水流与空气交叉流动,以提供水流与空气间最大的接触表面积,减小流动阻力。

图2GLASdek介质填料

图3所示为简化后的物理模型

x方向表示空气的流动方向,y方向表示填料的宽度方向,z方向表示从上到下水流的方向。

空气沿着x方向在填料通道内流过时被冷却加湿。

通过对物理模型的传热传质过程的分析,特作如下简化假设:

第3页共12页

（1）忽略空气、水与外界的换热,空气进行绝热加湿;

（2）空气的温度及含湿量不沿Z方向发生变化,空气的流动换热是二维的;（3）淋水量较少且淋水均匀,填料吸湿性强,蒸发量也少,所以认为水膜为静止的、稳定的且温度恒定;

（4）水膜很薄,淋水量只要满足润湿整个填料表面即可,故而忽略其厚度;（5）水-气表面无滑移;

（6）直接蒸发冷却系统在稳定工况下运行。

基于以上假设,直接蒸发冷却过程中空气的流动、传热及传质过程可以按二维问题来处理,计算区域如图4所示。

x方向取填料的厚度（用δ表示）,y方向取填料宽度的一半（用表示B1/2,B1为填料宽度）。

图4计算区域及边界示意图

控制方程及边界条件:

空气质量守恒方程:

（u）,（）,,,，,mv,x,y

式中:

u———x方向空气速度分量,m/s;

v———y方向空气速度分量,m/s;

3mmv———质量源项,即空气与水的质交换率,kg/（?

s）。

由于水分蒸发进入空气中,使得质量守恒方程中出现了质量源项,并将对其他方程带来影响。

空气动量方程:

x方向:

22,,,,,（uu）（uv）uup,,

（2）+=μeff（+）--Suu22,,,,,xyxxy

第4页共12页

y方向:

22,,,,,（ρρuv（ρρv）vvp（3）+=μeff（+）--Svv22,,,xyy,,xy

:

μeff———湿空气的有效粘性系数,kg/（m?

s）,认为空气作湍流式中

运动;

P———湿空气压力,Pa;

Suu———x方向动量方程源项,由质量源项产生;Svv———y方向动量方程源项,由质量源项产生。

空气能量守恒方程:

22,（uT）,（vT）,T,T1,,（4）+=Γeff（+）-qv22,x,yCp,x,y

式中:

T———湿空气温度,K;

Γeff———有效扩散系数,W/（m?

s）,认为空气流动为湍流换热;Cp———湿空气的定压比热,J/（kg?

K）;

———能量源项,即空气与水膜的热交换率,W/m3。

qv

空气中水蒸气质量守恒方程:

22,（uf）,（vf）,f,f,,（5）+=Γeff（+）-mv22,x,y,x,y

式中:

f———空气含湿量,kg/kg（a）;其他同前。

湿空气状态方程:

=p/RmaT（6）

Rma式中:

———湿空气的气体常数,J/（kg?

K）。

mv基于应用较广的Merkel模型[1],质量方程源项和能量方程源项qv的计

算式分别如下:

mv=Ka（fsw-f）（7）

fsw式中:

———水温条件下饱和空气的含湿量,kg/kg（a）;

3mKa———基于含湿量差的容积传质系数,kg/（?

s）;qv=Ka（hsw-h）（8）

hsw式中:

———水温条件下饱和空气的焓,J/kg;h———湿空气的焓,J/kg;

第5页共12页

容积传质系数Ka集中代表了填料对热质的交换性能的影响。

分析表明,它与填料材质及构造、淋水密度、空气质量流速以及气与水物理性质等因素有关。

通过因次分析得出,在保证均匀淋水的条件下,空气与水在填料表面进行热质的交换时的Ka是下列因素的函数[2]:

mnK=Agq（9）a

式中g———空气质量流速,kg/（m2?

s）;

q———淋水密度,kg/（m2?

s）;

A、m、n———实验常数,与填料种类有关。

在水量较小的情况下,淋水量对冷却效率有明显影响,但流量增大到一定程度后淋水量继续增加,冷却效率基本不变,反而会增大空气流动的阻力。

因此,淋水量到达一定数值就可以了,主要应考虑布水均匀,且能与填料很好地接触,以保证填料表面充分湿润[3]。

在本文所研究的直接蒸发冷却系统中,我们假定淋水密度已经达到一定数值,使得整个填料层已经充分润湿,故而不再考虑淋水密度对容积传质系数的影响。

而空气质量流速的大小可以直观地用迎面风速的大小表示出来。

因此,我们根据蒙特公司的蒸发式加湿降温接触介质产品手册[4]中的数据,用最小二乘法进行拟合,得出GLASdek填料的Ka计算式:

0.65K=20.4,v（10）a

对于不同的填料,由于其结构和特性的不同,Ka的计算式也不相同。

对于不同填料的直接蒸发冷却系统,该数学模型都是适用的。

公式（2,5）中有效粘性系数μeff和有效扩散系数Гeff采用零方程湍流模型[5]中的方法来确定:

μeff=Гeff=C,u0y1（11）

式中C———实验常数,此处取为0.06;

u0———空气进口速度,m/s;

y1———水膜间距,m。

针对图4所示的计算区域,控制方程的边界条件如下:

u0T0f0

（1）空气入口边界（x=0）:

u=,v=0,T=,f=;

T,u,fB1

（2）对称面（y=/2）:

v=0,,0,,0,,0;,y,y,y

T,f（3）填料与壳体接触的固体边界（y=0）:

u=0,v=0,,,0;,y,y

u,v,T,f（4）空气出口边界（x=δ）:

。

0,,0,,0,,0,x,x,x,x

第6页共12页

数值结果及分析

文献的直接蒸发冷却器的效率定义为:

tip1,tip2（3.1,1）E,tip1,tws1

空气水间的换热过程，总能达到热的平衡，因此:

（3.2,2）ms（hs2,hs1）,mpCp（tip1,tip2）

根据定义的饱和湿空气比热公式

dhh,hs2s1C,,（3.2,3）wbdtwbstwbs2,twbs1

可以得到:

Cmax（3.2,4）tip2,tip1,（twbs2,twbs1）minC

Cminmpcp这里:

称之为热容比或称之为水当量比,Cmaxmscwb

将公式（3,4）代入空气换热效率公式

t,tip1ip2NTUp,,,e,p（3.2,5）,1（）tip1,tw

可得:

Cmaxtwbs2,twbs1,,（）Cmintip1,tw

间接蒸发冷却分析

间接蒸发冷却既有直接蒸发冷却又有热交换，在间接蒸发冷却器中被处理的

空气在没有增加湿度的情况下明显的被冷却了。

目前间接蒸发冷却的型式主要有

第7页共12页

板式间接蒸发冷却器和管式间接蒸发冷却器两种，板式间接蒸发冷却器的优点是换热器换热效率较高，体积相对较小,但是由于其流道窄小，因而流道容易堵塞，尤其在空气含尘量大的场合，随着运行时间的增加，换热效率急剧降低，流动阻力增大，并且布水不均匀、浸润能力差，换热器表面结垢、维护困难。

管式间接蒸发冷却器流道较宽，不会产生堵塞，流动阻力小，布水相对比较均匀，容易形成稳定水膜，有利于蒸发冷却的进行。

管式间接蒸发冷却器数学模型综述

数学模型的建立

间接蒸发冷却器热质交换数学模型虽然各不相同，但都是建立在传热传质的基本原理上，将一个复杂的间接蒸发冷却过程分解为一次空气、二次空气和水三者之间的热质交换。

通过对这三部分的热平衡及湿平衡的分析，建立起数学模型并对其进行求解。

为了便于研究间接蒸发冷却器的性能，从实际目的出发，必须对其作出相应的简化假设。

假设:

（1）换热器和外界没有热交换;

（2）忽略沿壁面纵向的热传导以及沿流动方向流体内部的热传导;（3）质量流量和入口热力状态均匀一致;（4）满足刘易斯关系式;然后根据这些假设建立数学模型。

数值结果及分析

间接蒸发冷却器的热工计算主要集中在求解机组的冷却效率以及一次空气的出口状态参数等问题上。

一种新型简便的间接蒸发冷却器的计算方法，该数学模型首先定义基于湿球温度的饱和湿空气定压比热，用以计算湿空气的焓及焓

第8页共12页

差，之后运用ε,NTU传热单元数法分别计算一次空气的换热效率ε和二次空p气与水膜的热湿交换效率ε，然后建立基于ε和ε的间接蒸发冷却器的冷却效sps率公式。

间接蒸发冷却器的效率定义为:

t,tdp1dp2（3.2,1）E,tdp1,twbs1

一次空气和二次空气间的换热过程，总能达到热的平衡，因此:

（3.2,2）ms（hs2,hs1）,mpCp（tdp1,tdp2）

根据定义的饱和湿空气比热公式

dhh,hs2s1C,,（3.2,3）wbwbwbs2wbs1dtt,t

可以得到:

Cmax（3.2,4）tdp2,tdp1,（twbs2,twbs1）minC

Cminmpcp这里:

,称之为热容比或称之为水当量比Cmaxmscwb

将公式（3,4）代入一次空气换热效率公式

t,tdp1dp2NTUp,p,,e,（3.2,5）1（）,tdp1,tw

可得:

Cmaxtwbs2,twbs1p,（3.2,6）,（）Cmintdp1,tw

将二次空气的热湿交换效率公式

第9页共12页

代入等式（3.2,6）

可得:

（3.2,7）

最后将等式（3,7）代入一次空气换热效率公式（3,5）可得:

（3.2,8）

更进一步，假设一次空气的换热效率为100%，二次空气与水膜的焓效率为100%，即在理想的状态下，间接蒸发冷却器的效率为:

（3.2,9）

建立的管式间接蒸发冷却器冷却效率和一次空气换热效率及二次空气,水膜热湿交换效率的关系式，通过分别计算一次空气侧的换热效率和二次空气侧的热湿交换效率，可以根据关系式求出间接蒸发冷却器的效率。

公式（3,9）给出了管式间接蒸发冷却效率的一种简便的算法，式中饱和湿空气定压比热C可以wb通过查表获得，因此只有一次空气和二次空气两个变量，也就是说，间接蒸发冷却器的冷却效率主要与一次空气和二次空气的流量比有关，而一次空气

[9]和二次空气的流量是容易控制和测量的。

并且已有研究表明，在二次空气与一次空气的质量流量之比小于0.8时，随着二次空气流量的增加，间接蒸发冷却器的冷却效率有所增加，这是因为二次空气流量增加，壁面水膜的传热和表面蒸发得到加强，蒸发量越大，二次排风带走的热量就越多，从而提高了间接蒸发冷却器的热交换效率。

第10页共12页

工程实际应用及最新进展:

1（2011年，由.北方工业大学建筑工程学院的陈伟娇和特灵空调系统（中国）有限公司的楼胜芳及日本名古屋工业大学水谷章夫三人研究成果:

北方工业大学科研基金项目《保水性铺装材料表面蒸发冷却效果的室内实验研究》发表在期刊《建筑科学》2011年27卷第六期上，这是蒸发冷却的新应用。

保水性铺装是一种通过表面蒸发冷却来有效降低铺装表面温度的方法,可以缓解城市热岛现象。

保水材料的种类不同,效果各异,若进行室外蒸发冷却实验会受到气候条件的制约。

该文分析了开粒度沥青表面铺装材料和具有吸水/保水性沥青表面铺装材料的表面蒸发冷却效果。

2.直接蒸发冷却通风降温在地铁高架车站的应用。

西安地铁3号线高架车站采用直接蒸发冷却通风降温方式，在地铁高架车站中采用该通风温降方式可较好的改善站内环境、提高乘客的舒适感。

通过初投资和运行能耗计算分析表明,在初投资不高的情况下可产生良好的社会经济效益。

通过工程实例的应用分析研究可知,直接蒸发冷却通风降温方式在与西安气候条件相近的我国北方大多数城市地铁高架车站应用也是合适可行的。

3.蒸发冷却技术应用于大型汽轮发电机的,得出定子浸润式、转子开放管道式蒸发冷却方案应用于大型汽轮发电机在技术上是可行的;同时对汽轮发电机转子绕组开放管道式蒸发冷却技术。

4.新型蒸发冷却式通风外墙,复合墙体内空气与水两种流体域的流动传热,与常规的建筑墙体相比,利用水的蒸发冷却对外墙内表面进行降温的复合通风外墙结构具有很好的隔热效果,蒸发冷却式通风外墙只能采用水层位于通风空气层内侧的结构形式通过提高空气入口速度,可以达到更好的隔热效果而通风机的安装位置和送风方向的选择相对自由,水层厚度与空气层厚度对墙体稳态热工性。

体会:

传热传质的过程非常复杂，人们至今仍不能完全掌握它。

蒸发冷却作为一种典型的热质交换过程，在工程中广泛应用，在暖通空调领域有着重要的地位，我们应当充分认识这一点，在总结前人的基础上，推陈出新，以期更好的了解传热传质过程并应用于实际工程中。

参考文献:

第11页共12页

1,邢永杰（金属孔板波纹填料的热湿交换性能研究:

[学位论文]天津:

天津大学，1998

2,胡益雄（间接蒸发片却在住宅空调中的应用制冷，1992

（2）:

62,65

3,黄翔（蒸发冷却新风空调集成系统[J]（暖通空调，2003，33（5）:

13—16（

4,黄翔，武俊梅，宣永梅（两种填料直接蒸发冷却式空

5,丁良士，王建军，姜明健（间接蒸发冷却式板式换热器热工特性实验研究[J]（工程热物理学报，1997，18

（1）:

85—89（

6,张旭，陈沛霖（直接蒸发冷却过程不可逆热动力学分析[J]（同济大学学报，1995，23（6）:

638—643（

7,周孝清，陈沛霖（间接蒸发冷却器的设计计算方法[J]（暖通空调，2OOO，30

（1）:

39—42（

8,陈沛霖（间接蒸发冷却在我国适用性的分析[J]（暖通空调，1994，24（5）:

3—5（

9,黄翔.面向环保、节能、经济及室内空气品质联合挑战的蒸发冷却技术[J].建筑热能通风空调，2003，22（4）:

1,4

10,鱼剑琳.管式间接蒸发冷却器的研究，西安交通大学，博士学位论文，1996

11,周斌.间接蒸发冷却器中均匀布水的实验研究，西安工程科技学院，硕士学位论文，2005

12,段光明.管式间接蒸发冷却器传热传质及结构优化，同济大学，硕士学位论文，1992

13,嵇伏耀.包覆吸水材料椭圆管式间接蒸发冷却器的研究，西安工程科技学院，硕士学位论文，2004

14,张翔，武俊梅等，中国西北地区蒸发冷却技术应用状况的研究，第11届全国暖通空调技术信息网大会论文集419~423

15,刘鸣，蒸发冷却空调技术的工程应用问题，西北五省暖通空调制冷热能动力2002联合学术年会84~87

16,陈沛霖，蒸发冷却在空调中的应用，西安制冷，1999，1:

1~7

17,朱冬生,蒸发冷却强化机理多相流传热传质机理蒸发式冷凝器计算模型数值模拟,华南理工大学，博士学论文,2004

18,陈伟娇,楼胜芳,水谷章夫.保水性铺装材料表面蒸发冷却效果的室内实验研究,建筑科学,2011,27（6）.乔小博.直接蒸发冷却通风降温在地铁高架车站的应用,铁道标准设计,2011,（9）.

19,姚涛,侯哲,顾国彪.蒸发冷却技术在大型汽轮发电机中的应用,电工技术学报,2008,23

（2）.

20,徐鹏,赵嘉靖,李俊明.一种新型蒸发冷却式通风外墙的热工性能研究,西安建筑科技大学学报（自然科学版）2011,43（4）.

第12页共12页