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分 类 号 学号 M200970933学校
代码 10487 密级 硕士学位
论文 蒸发式空冷器雨区气温测量 及设计程序开发 学位申请人: 程 奇 学科专业: 热能工程 指导教师: 陈良才 副教授 朱晓明 高级工程师 答 辩 日 期 : 2012 年 1 月 5 日 A Thesis Submitted in Partial of Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of EngineeringThe temperature measurements of Evaporative air cooler in Rain Zone and program develop Candidate: Cheng Qi Major: Thermal Engineering Supervisor: Associate Prof. Chen Liangcai Huazhong University of Science amp Technology Wuhan 430074 P.R.China Jannuary 2011 独创性声明 本人声明所呈交的学位
论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本
论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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属于(请在以上方框内打“√”) 学位
论文作者签名: 指导教师签名: 日期: 年 月 日 日期: 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 蒸发式空冷器是一种换热效率高、耗水量小并值得深入研究和广泛应用的冷却设备。
目前国内外尚无公认的蒸发式空冷器设计计算软件,其中一个重要原因就是水风逆流的雨区的空气温湿度无法准确得知,即整个空冷流程中空气的进出口含湿量差值无法得知,也就无法得知喷淋水的蒸发量。
本文针对蒸发式空冷器雨区空气与水逆向流动的特点,设计了可进行气水分离,并同时测量雨区气温和水温的装置。
实验室和工业现场的测量实验表明,该装置能有效分离水和空气,准确测出气温和水温,为实验研究蒸发式空冷器的管外传热传质提供了有效的测试方法。
参考商业软件 HTRI,本文设计了蒸发式空冷器设计程序的使用界面;同时结合 Aspen Exchanger Rating amp Design,采用 Visual Basic.net 语言,开发了蒸发式空冷器设计软件,以帮助设计人员完成蒸发式空冷器的设计。
使用 Aspentechproperties 求得蒸发式空冷器管内热流体混合组分的气液百分比,以确定热流体进口物性参数,并作为初始条件输入本设计
程序。
在开发软件过程中,研究了蒸发式空冷器的管内无相变和有相变的分段计算方法,并参考了相关的传热系数准则式,探讨了管外传热传质系数的拟合关系式。
最后,在风量、喷淋量的组合工况下,针对某实际蒸发式空冷器进行调试检验和换热任务检验。
所开发的软件设有 Excel 软件接口,可进行数据读写;可依据工艺条件和结构参数,进行蒸发式空冷器的传热计算和
设计校核。
关键词:蒸发式空冷器,雨区,温度,湿度,程序设计,换热分析 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文Abstract Evaporative air cooler is worthy to research extensively and widely used for itshigher efficient of heat transfer and less water consumption. But there is no generallyaccepted design software available for evaporative air cooler at home and abroad oneof the important reasons is that the air temperature and humidity can not get to knowaccurately consequently the water content in air and evaporating quantity in thewhole process of heat transfer can not be known yet. According to the reversed flow characteristic of spraying water and air in the rainzone of cooler a measure device was designed to measure water temperature airtemperature and humidity. The laboratory and industrial field experiments showedthat the device can effectively separate water and air accurately measure thetemperatures and humidity. So the device could be a helpful tool for experimentalstudy of out pipe heat and mass transfer for evaporative air cooler. Referenced the software HTRI combined with the part function of
AspenExchanger Design amp Rating a program to design the evaporative air cooler wasdeveloped with
VB.net to help the designer accomplish the design of evaporative aircooler accuratively and effectively. Using the function of Aspentech properties thephysical property parameters of gas-liquid fluid mixture can be determined and canbe input the design process as necessary conditions. In the software development process segmentation calculation methods with phasechange and no phase change in the pipe of the cooler were studied the fitting relationof the heat and mass transfer coefficient was investigated with the reference of someexisting equations. Finally according to an actual evaporative air cooler in a different amount ofconditions of air volume and the different spray quantity the program is tested anddebugged. The software developed could read data from and write data to the Exceland could accomplish the calculation and checking design tasks based on the processconditions and structural parameters of evaporative air coolerKey
words: Evaporative air cooler Rain zone Temperature Moisture Program develope Heat transfer analysis II 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 目录摘 要................................................................................................................. IABSTRACT .......................................................................................................II1 绪 论1.1 课题研究背景 ...........................................................................................11.2 常用的冷却系统分类 ...............................................................................11.3 气液两相流场的温度测量 .......................................................................41.4 蒸发式空冷器研究 ...................................................................................41.5 本文的研究目的和意义 ...........................................................................72 气液两相流场中的温湿度测量2.1 测试装置介绍 ...........................................................................................92.2 装置
工作原理 .........................................................................................102.3 气液分离效果的理论分析 .....................................................................112.4 喷淋量和风速对雨区气温测量准确性的验证 .....................................113 编程技术要点3.1 引言 .........................................................................................................143.2 ADO.NET 控件的作用 .............................................................................143.3
VB.
NET 控制 EXCEL.................................................................................193.4 计算过程中流态的控制 .........................................................................234 蒸发式空冷器设计
软件模块设计4.1 程序开发要点及换热器设计软件 .........................................................24 III 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文4.2 热流体各组分气液质量分率的计算 .....................................................244.3 软件结构层次 .........................................................................................314.4 软件设计思路及计算步骤 .....................................................................395 蒸发式空冷器设计软件传热计算5.1 热负荷的计算 .........................................................................................395.2 管内无相变对流传热系数 .....................................................................395.3 管内有相变设计法 .................................................................................415.4 管内有相变对流传热系数 .....................................................................425.5 水平管外传热传质系数 .........................................................................445.6 蒸发式空冷器设计软件调试 .................................................................486 总结与展望6.1 主要结论 .................................................................................................546.2 研究展望 .................................................................................................54致 谢............................................................................................................56参考文献........................................................................................................57附录 1
VB.NET 调用 EXCEL ...................................................................62附录 2 管内气相、液相显热传热系数 ....................................................63附录 3 管内气液两相冷凝综合传热系数 ................................................65附录 4 符号表 ............................................................................................68附录 5 程序变量表 ....................................................................................70附录 6 攻读硕士学位期间发表的
论文 ....................................................74 IV 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文1 绪 论1.1 课题研究背景 人口(Population)、资源(Resources)和环境(Environment)的全面和谐发展现已成为国内国际社会共同关注的重大
问题。
就中国来看,人均水资源仅有 2250 m3,约为世界人均水平的 1/4,缺水情况普遍存在,且不断加剧。
我国的水资源特点是降 1雨季节分布不均,地域分布相差较大;水土资源不平衡 。
由于水具有较大的热容量(cp),故在炼油厂、钢铁厂、电厂、中央空调、热水器等工商业中,其冷却介质大部分是水。
伴随着工商业的迅速发展,发展所需要的冷却水量也就更多。
齐晓霓2指出,本世纪初我国工业发展所需冷却水量为 1100 多亿吨,到 20 年代初约增至 1600 亿吨,对我国的水资源供应提出了更高的要求。
在整个工业用水中,冷却用水量约占总量的 7080,而间接冷却水量约占冷却用水量中的 7880 3-4。
由于用作间接冷却的水污染量极少,故应对其回收利用,具体来说,可用闭式冷却塔对其降温以循环利用。
1.2
常用的冷却系统分类 按照冷却介质的不同,常用的冷却系统有以下三种:水冷系统、空冷系统,以及由此衍生的蒸发式空冷系统。
1.2.1 水冷系统 图 1-1 为常规水冷式系统示意图,该系统主要由热交换器、离心水泵、冷却塔以及管道组成,它将高温工质冷却或冷凝至工艺要求的温度。
吸热后的水则由离心水泵送至冷却塔顶,向下喷淋进行冷却,冷却后由管道送至热交换器进口处继续吸热和循环。
其工作性能的优劣直接影响到能否完成冷却任务以及热经济性。
与空冷系统相比,由于水的导热系数空气,所以水冷系统的总换热热阻较空冷系统低,即水冷系统换热能力较强。
但水冷系统对水的需求量较大,对水源提出了很高的要求,故是否能提供足够的水源常成为工厂选址的重要考虑方面2。
由于空气 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文的导热系数远远小于水,故空冷系统的总换热热阻也就比水冷
系统大很多,也就是空冷系统的总传热系数比水冷系统小很多,即空冷系统换热能力较弱。
冷却塔 热流体进口 离心泵 热交换器 热流体出口 图 1-1 常规水冷系统示意1.2.2 空冷系统 空冷系统,主要由一般的空冷器、风机以及管道构成,如图 1-2 所示。
空冷器中,有两股流体:热流体沿管程方向在管束内部流动,从末管程流出,降温或相变;环境空气自下而上掠过换热管束,从空冷器顶部排出,并由风机引至大气,升温4。
图1-2 空冷系统示意 与水冷系统相比,空冷系统有如下很重要的优点:一是水不直接用作冷却介质,因此用在水上的费用如生水、补充水及水处理化学药品的费用都没有。
二是冷却器的设置以及工厂本身均毋需靠近水源(如河流或湖泊),故水源的热污染和化学污染得以禁绝。
三是维护费用也减少,因为不再需要频繁清洗冷却器水侧的钙镁离子水垢、微生物结垢及其它沉积物,而且还省去了相应的管线,安装也更加简单。
四 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文是空冷器可以连续操作,即使在动力失效时也可以通过自然风来冷却。
最后,介质流体出口温度(以及在这方面的热负荷)的控制可以通过各种方法来完成,例如启动或关闭风机,使用多档或可变速率的电动机,使用自调风机(即使风机运转时,叶片也可调)等等。
虽然空冷系统具有超强的节水能力,但空冷器的换热性能比水冷器小很多,需要风机消耗大量的能量来完成换热任务。
因此,与水冷系统相比,空冷系统的热
经济性较差属于“先天不足”。
1.2.3 蒸发式空冷系统 图 1-3 为蒸发式空冷器典型结构,它主要由换热管束、喷淋系统、循环水泵、捕雾器、百叶窗、风机及管道等部分组成6。
其工作过程是热流体从水平放置的换热管束上端管口进入,经多管程冷却放热后从下端口排出;喷淋水经过循环水泵加压,流向空冷器管束上方的喷淋管,经由喷嘴均匀喷淋到管束表面,在换热管表面布液成膜,这时喷淋水既与管内流体对流换热而吸收管内热流体冷却或冷凝所释放的热量,又与向上流动的空气对流换热与对流传质,使得部分喷淋水蒸发入空气中,其余则在重力作用下回流至下部水箱中,进行下一次循环;环境空气,经由风机加压,使蒸发式空冷器内产生压差,从蒸发式空冷器下方百叶窗外吸入,经过换热管管束,从蒸发式空冷器顶部排出。
为避免空气中所夹带的水滴随上行风一起排入大气,需在喷淋管与风机之间设置捕雾器,以吸收上行空气中夹带的水滴,减少耗水量。
5 图 1-3 蒸发式空冷器典型结构 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 从上述蒸发空冷器的工作过程可以看出,管外传热不仅有喷淋水与上行空气间的显热传递,还有喷淋水蒸发(即传质)引起的潜热传递。
由于水具有很高的相变潜热(水在 1atm,35℃下的相变潜热为 2386.48kJ/kg),因此喷淋水的蒸发会吸收管内热流体冷却或冷凝所释放出的大量热量,使蒸发式空冷器的总换热性能明显提高。
因此,蒸发式空冷器的优点体现在:利用管外喷淋水蒸发以完成换热任务。
1.3 气液两相流场的温度测量 蒸发式空冷器中向下流动的喷淋水与向上流动的空气是逆向流动的。
而气水两相的逆向流动广泛存在于水膜蒸发式空冷器、闭式冷却塔、降膜蒸发器和管壳式换热器等领域。
近年来,气水两相逆向流动的研究进展主要体现在数学模型的深入、数值计算方法的完善和水测量技术的改进与开发等方面7。
但在气水两相流场的温湿度测试方面,进展并不大。
这主要是由于空气与水液混合在一起,一般的测量方法很难准确地测出各自的温度8-10。
此前研究蒸发式空冷器换热特性11-12时,一般都是将环境空气的温湿度直接作为空气进入管束的温湿度,即忽略空气经过管束下方雨区的温升和湿增。
同时,也有研究者或设计人员将管束换热特性乘以一个修正系数来反映管束入口空气温湿度与环境空气温湿度的差异。
这些处理方法中都回避了雨区温湿度这个因素,是因为雨区温湿度不易准确得知。
1.4 蒸发式空冷器研究1.4.1 蒸发式空冷器研究1. 蒸发式空冷理论研究 蒸发式空冷器的总传热系数包含管内传热热阻、管外传热热阻、管内外污垢热阻及水膜厚度所产生的换热热阻等因素。
石油化工行业中,蒸发式空冷器主要用于对油气介质的冷凝,故本文中的管内传热系数主要指管内冷凝传热系数13。
4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 从蒸发式空冷器的研究来看,日本、澳大利亚和美国的研究水平较高。
1916 年Nusselt14在竖壁层流膜状冷凝的基础上,假设圆管的表面是由各种不同倾斜角的斜壁所叠合,积分后平均得到光管层流膜状冷凝理论解。
其中竖直平板层流膜状凝结冷凝换热系数 14 3 V g LV hl 0.943 L L L 1-1 Ll Tc Tw 若用 代表斜板与水平方向所成的夹角,则 hψ hl 4 s i n 1-2 对 从 0 到 180°进行积分并平均,则可得到光管冷凝换热系数理论公式 14 3 V g LV ho 0.725 L L L (1-3) L do Tc Tw 式中, hl:竖直平板层流膜状凝结冷凝换热系数,W/m2K; L :管内冷凝液导热系数,W/mK; L :热流体饱和液体密度,kg/m3; V :热流体饱和蒸气密度,kg/m3; g:重力加速度,m/s2; L :热流体饱和液体动力粘度.