蒸发冷却器换热与阻力若干问题的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 4.35MB 69 页 15积分

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摘要

蒸发冷却技术在工业中有着广泛的应用，与该技术相关的主要设备之一就是

蒸发冷却器。当蒸发冷却器中被冷却工质为水时，则称它为密闭式冷却塔。蒸发

冷却器的运行原理是被冷却工质在换热盘管内流动与冷却对象构成封闭循环，盘

管外加喷淋水与管内被冷却工质进行换热，喷淋水与掠过管束的空气进行热湿交

换，最终将热量排放到大气中。本文主要作了三方面的工作，一是进行蒸发冷却

器气侧阻力性能的相关研究，二是导热塑料管的导热系数测定及其抗冻性试验，

三是进行导热塑料管应用于蒸发冷却器的可行性研究。这些工作对正确认识蒸发

冷却器气侧阻力的设计计算要素、探索新型管材在蒸发冷却器特别是闭塔中的抗

冻、阻垢、防腐方面发挥积极作用具有应用价值。

关于蒸发冷却器气侧阻力性能的研究，文中分析了管束外气侧的流动特征及

目前常用的阻力经验公式，并在前人的基础上对蒸发冷却器管束气侧阻力性能试

验台进行了完善。对盘管处于热态和冷态时的管外空气阻力变化进行了实验对比

研究。研究结果表明：在蒸发冷却器使用温度工况内，管束处于热态或冷态对管

束外气侧阻力影响甚微；使用冷态实验条件下得到的气侧阻力经验公式时，认为

可不必考虑因管内水温度变化而引起的偏差。

文中采用稳态平板导热法对塑料管材的导热系数进行了测定，同时对其抗冻

性进行了试验，试验的主要结果表明：试验温度下，所试导热塑料管的一次抗冻

性能良好，但有微量的膨胀塑性形变，提示其对于解决闭塔在冬季使用过程中出

现的盘管冻裂问题具有良好的应用前景。

文中最后进一步研究了导热塑料管在闭塔中应用的可行性，先通过理论计算

说明了导热塑料管在达到一定导热系数后应用于闭塔具有较好的技术经济性，其

次进行了导热塑料管与高密度 PE 管的传热性能对比试验，并在相同工况下将导热

塑料管的实测传热系数与紫铜管材的理论传热系数计算值进行了比较。研究结果

表明：导热塑料管在闭塔中的传热性能明显好于高密度 PE 管；在闭塔中使用本试

验中采用的导热塑料管，由于导热系数过小，相应的闭塔体积会远大于金属盘管

闭塔；在满足传热性能要求的条件下，为了能合理控制闭塔体积和成本，需要积

极与合作方沟通开发导热系数更高的管材，才能应用于实际产品。

关键词：蒸发冷却器闭式冷却塔空气阻力性能导热塑料抗冻

性传热性能

ABSTRACT

Evaporative cooling technology has been widely used in industry especially in

evaporative cooler. The evaporative cooler is also called closed cooling tower when the

inside working fluid is water. Its operating principle is that the cooled fluid flow in the

inside of heat exchanger which is sprayed with water outside,then the flow fluid inside

exchange heat with the sprayed water outside,finally,the exchange heat between sprayed

water and air is emitted into the atmosphere by draft fan. This paper is focus on three

aspects, research on the air pressure drop properties of the evaporative cooler and

conductive plastic pipe applied in the evaporative cooler, test on conductive coefficient

and antifreezing test of plastic pipe. These work play an active role in understanding

design factors of air resistance of evaporative cooler and exploring antifreezing

resistance, scale, anti-corrosion of new type of pipe applied in evaporative cooler

especially in closed cooling tower.

This paper analyzes air flow characteristics outside the pipe bundles and resistance

empirical formula, and improve the test-bed of air pressure drop of closed cooling tower.

Compare air pressure drop when coil is in hot and cold state. The results show that:the

coil state have little effect on air drop of the outside tubes in the test temperature.The

effect of coil state can be ignored when refer to empirical calculation formula of air

drop.

Conductivity of plastic pipe is measured by the method of steady-state heat

conduction, and antifreezing resistance of plastic pipe is tested too. The results show

that:the antifreezing test of plastic pipe is good in test temperature although the pipe

have little micro plastic deformation,which provide the information that it is a good

solution to solve the problem of frost cracking of coil during the winter.

Analyze feasibility of conductive plastic pipe applied in closed cooling tower

theoretically,then explain tech-economic rationality of conductive plastic pipe as its

conductivity meet the requirement. Compare heat transfer performance of conductive

plastic pipe and high-density PE pipe in the test.Finally, heat transfer performance of

conductive plastic pipe tested and theoretical heat transfer performance of copper were

compared. The results show that: heat transfer performance of conductive plastic pipe is

better than high-density PE pipe. As conductivity of plastic pipe is low,the relevant

volume of closed cooling tower is larger than the one of metal coil. In order to control

the volume and cost of closed cooling tower under the same heat transfer performance,

it needs to cooperate and coordinate activities closely with counterpart to develop

plastic pipe of high conductivity that can be used in product.

Key Words：evaporative cooler,closed cooling tower, air resistance

performance, conductive plastic, antifreezing test, heat transfer

performance

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论............................................................................................................1

§1.1 研究背景与意义........................................................................................1

§1.2 国内外研究情况........................................................................................2

§1.2.1 蒸发冷却器/冷凝器的传热和阻力性能研究 ................................2

§1.2.2 导热塑料的理论研究和实际应用研究 ..........................................4

§1.3 研究任务与工作........................................................................................5

第二章闭塔传热与阻力性能的理论研究..............................................................6

§2.1 闭塔的种类与结构形式 ..........................................................................6

§2.2 闭塔管束外气侧阻力的工程计算 ..........................................................8

§2.2.1 闭塔管束外侧气-液两相流理论分析 ............................................8

§2.2.2 闭塔管束外气侧阻力的工程计算 ................................................10

§2.3 导热塑料管传热性能的理论可行性研究 ............................................13

§2.3.1 闭塔盘管的传热过程分析 ............................................................13

§2.3.2 导热塑料管的介绍 ........................................................................16

§2.3.3 导热塑料管应用于闭塔的可行性分析 ........................................17

§2.4 本章总结 ................................................................................................26

第三章冷热态下气侧阻力测试与分析比较........................................................27

§3.1 试验方法设计..........................................................................................27

§3.2 试验方案及步骤......................................................................................30

§3.3 测试误差分析..........................................................................................31

§3.4 试验结果分析..........................................................................................33

§3.5 本章总结..................................................................................................36

第四章导热塑料的导热系数测定与抗冻性试验................................................37

§4.1 导热塑料的导热系数测定......................................................................37

§4.1.1 测试方法设计 ................................................................................37

§4.1.2 测试方案及步骤 ............................................................................39

§4.1.3 测试误差分析..................................................................................39

§4.1.4 测试结果分析 ................................................................................40

§4.2 导热塑料的抗冻性试验..........................................................................40

§4.2.1 试验方法设计 ................................................................................40

§4.2.2 试验方案及步骤 ............................................................................41

§4.2.3 测试误差分析..................................................................................42

§4.2.4 试验结果分析..................................................................................42

§4.3 本章总结..................................................................................................43

第五章导热塑料管在闭塔中的传热性能试验分析............................................45

§5.1 试验方法设计..........................................................................................45

§5.2 试验方案及步骤......................................................................................47

§5.3 测试误差分析..........................................................................................48

§5.4 试验结果分析..........................................................................................48

§5.5 本章总结..................................................................................................55

第六章总结与展望................................................................................................56

§6.1 总结..........................................................................................................56

§6.2 展望..........................................................................................................57

符号表......................................................................................................................58

参考文献..................................................................................................................60

在读期间公开发表的论文和承担项目及取得成果..............................................65

致谢..........................................................................................................................66

第一章绪论

§1.1 研究背景与意义

蒸发冷却技术在工业中有着广泛的应用，与该技术相关的主要设备之一就是蒸

发冷却器。蒸发冷却器是利用管外水的蒸发冷却来达到释放管内工质热量的一种

冷却设备。对于要求被冷却介质不能与空气接触的场合来说，蒸发冷却器成必须

且合适的选择。随着环保、节能要求的日益迫切和各种换热设备的小型化发展，

对蒸发冷却器的需求也日益增加[1]。

当蒸发冷却器中被冷却工质为水时，则通常称它为密闭式冷却塔；若被冷却

工质在换热时有相变，则称为蒸发冷凝器。密闭式冷却塔也称为封闭式冷却塔，

或称为闭式冷却塔，简称闭塔，它与开式冷却塔是不同的两种塔型。本文中研究

的问题，对气侧阻力，蒸发冷却器与闭式冷却塔没有差别，对导热塑料管应用的

可行性，主要目的在于闭式冷却塔的抗冻，所以此后文中对蒸发冷却器和闭式冷

却塔的称谓不再特别区分。

开式冷却塔是将被冷却水喷淋成细小水滴或在填料上形成薄水膜，然后与进

塔空气进行热湿交换，被冷却水的热量就传给了空气，湿热空气经通风装置扩散

到大气中，最终实现被冷却水的降温。被冷却水向空气的传热主要由水的蒸发潜

热和水与空气的接触显热两部分组成。开式冷却塔的热交换效率高，水被冷却的

极限温度为空气的湿球温度。在开式冷却塔中，冷却水与外界空气直接接触，空

气中的灰尘、杂物会对冷却水造成污染。开式冷却塔造价相对较低，其应用十分

广泛，相关的理论也比较成熟。

在闭式冷却塔中，被冷却水与空气不直接接触，被冷却水在换热盘管内流动

与冷却对象构成封闭循环，另在盘管外加喷淋水与管内水换热，同时，空气掠过

管束，与管束表面的水膜进行热湿交换，空气吸热后被风机抽走排放到大气中，

从而达到冷却目的。由于被冷却水是在全封闭管路系统中，因此对水质的洁净度

保证较好，不易被污染，经常用于软化水或其他工艺流体的冷却。此外，当室外

气温较低时，可以把闭塔当成蒸发冷却式制冷设备，可以起到很好的节能效果[2]。

闭式冷却塔在对被冷却水水质有要求的系统中逐渐得到推广应用。但闭式冷却塔

的电耗较开式冷却塔大，包括风机电耗和喷淋水泵电耗，而且闭塔要求进塔水压

较高，同时，闭式冷却塔的价格比较昂贵。因此采用闭式冷却塔时，应进行综合

考虑。

在设计方面，闭塔管外的流体流动与传热特性十分复杂[3]，除全盘管逆流型式

闭塔的实际工程计算可参考文献[4]和文献[5]外，到目前为止国内外都没有比较精确

的计算模型[6]，其理论热力计算需要进一步研究。闭式冷却塔的盘管外侧空气阻力

蒸发冷却器换热与阻力若干问题的研究

的计算，也基本上是参考文献[4]和文献[5]，但阻力经验公式是否受盘管冷热态的影

响尚不清楚，需要进行研究。

在应用方面，闭塔盘管易发生泄漏事故，究其原因，一是由于闭塔在冬季停

用时没有排干净盘管内的水，于是留在盘管内的水冻结在盘管内部，导致一些盘

管壁强度小的地方就因为冰的膨胀而使盘管产生破裂，或当时没有胀裂，但开机

时因局部压力增大而爆管；二是有的被冷却介质含有少量酸、碱等腐蚀性物质，

金属盘管因此可能被腐蚀至盘管破裂。盘管泄漏必须停塔维修，进而影响生产，

给用户带来较大的经济损失。另外，闭式冷却塔盘管外壁面常出现结垢现象，这

会影响闭式冷却塔的传热性能，污垢长期积累会严重影响闭式冷却塔的正常使用，

要及时清除金属管表面的污垢，但是这不仅需要专业的清洁人员，还需要专业的

清洗溶剂，否则不仅效果不好，还会留下腐蚀的隐患。鉴于塑料材料具有良好的

耐腐蚀性能，表面光滑不易吸附污垢、抗污性能好[7-8]，因此采用导热塑料管可能

解决上述问题，同时也要克服导热塑料管的一些缺点，这些都需要进行深入地研

究，以便导热塑料管能够应用于闭式冷却塔。

上述问题涉及多相条件下的流动与传热，其研究不仅在工程应用上有迫切性

和必要性，而且也有重要的理论意义。

§1.2 国内外研究情况

§1.2.1 蒸发冷却/冷凝器的传热和阻力性能研究

蒸发冷却器/冷凝器的传热传质问题一直是国内外研究的热点，其基本传热传

质理论是由 Merkel 在 1925 年提出的[9]，它为以后的理论研究发展奠定了基础。随

后，尾花英郎[4]等提出了关于蒸发式冷却/冷凝器普通简易设计方法。越来越多的

人致力于蒸发冷却器/冷凝器的相关研究，周亚素等[3]建立了传热传质数学模型，

并进行了相应的实验，但未说明实验工况，同时它只是针对纯盘管逆流的传热性

能研究，并未涉及阻力性能研究。文献[5]也提出了一套完整的热力计算及阻力计算

方法，但也只是针对纯盘管的情况，而且其中的阻力计算告诉是参考空冷器的阻

力经验计算式，只是引进了修正系数，适用范围有限，有待进一步研究。文献[10]

建立了顺流式和逆流式闭式冷却塔的数学模型，并将理论计算值与部分实验数据

进行了比较。文中假定了管外饱和空气焓是定值或沿高度方向变化两种情况，文

中并没有系统研究闭塔的热力性能和热态下的阻力特性。Zalewski 等建立了蒸发

冷却传热传质模型，同时对换热表面结构进行几何修正，使模型计算结果与试验

结果比较好地吻合[11]；Halasz 以能量、质量和动量守恒为基础，通过分析传质传

热过程及流动阻力变化，提出蒸发冷却的数学模型，这也是现有蒸发冷却传热模

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摘要蒸发冷却技术在工业中有着广泛的应用，与该技术相关的主要设备之一就是蒸发冷却器。当蒸发冷却器中被冷却工质为水时，则称它为密闭式冷却塔。蒸发冷却器的运行原理是被冷却工质在换热盘管内流动与冷却对象构成封闭循环，盘管外加喷淋水与管内被冷却工质进行换热，喷淋水与掠过管束的空气进行热湿交换，最终将热量排放到大气中。本文主要作了三方面的工作，一是进行蒸发冷却器气侧阻力性能的相关研究，二是导热塑料管的导热系数测定及其抗冻性试验，三是进行导热塑料管应用于蒸发冷却器的可行性研究。这些工作对正确认识蒸发冷却器气侧阻力的设计计算要素、探索新型管材在蒸发冷却器特别是闭塔中的抗冻、阻垢、防腐方面发挥积极作用具有应用价...

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