大溫差冷卻水對冷凝器傳熱系數的影響研究

陳剛 程昕 李惠敏

南華大學城市建設學院

大溫差冷卻水對冷凝器傳熱系數的影響研究

陳剛 程昕 李惠敏

南華大學城市建設學院

本文以江河水為冷卻水，對典型的殼管式冷凝器的傳熱系數進行理論計算和分析。得出當冷卻水流量恒定，冷卻水進水溫度為24～28℃，出水溫度為37℃時，冷凝器傳熱系數隨進水溫度的降低而增大，且增長速度逐漸加快；當低溫冷卻水流量呈跳躍式減少時，冷凝器傳熱系數的增長有所下降，但仍遠大于通常使用狀態下的冷凝器傳熱系數。

大溫差冷卻水 殼管式冷凝器 傳熱系數 冷卻水流量

殼管式冷凝器是制冷設備中應用最廣的冷凝器之一。目前，提高冷凝器性能的研究主要集中在強化傳熱方面。強化傳熱的主要途徑有提高傳熱系數、擴大傳熱面積、增大傳熱溫差等，其中，提高傳熱系數是研究強化傳熱的重點。我國南方地區多河流，較深處的河水溫度常年變化不大，始終保持在24～28℃。本文采用江河水作為冷卻水，分析在冷卻水出水溫度為24～28℃、冷卻水出水溫度為37℃的條件下：①當冷卻水流量不變時，不同的冷卻水進水溫度對殼管式冷凝器傳熱系數的影響；②當冷卻水流量以某一擬定變化關系改變時，不同的冷卻水進水溫度對殼管式冷凝器傳熱系數的影響。這兩種運行狀態與通常使用狀態相比，降低了冷卻水進水溫度、增大了冷卻水進出口溫差、減少了冷卻水流量。

1 殼管式冷凝器傳熱

冷凝器的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，其傳熱性能主要體現在傳熱系數上，傳熱系數越大，冷凝器的傳熱熱阻就越小，其傳熱性能越好。

1.1 傳熱系數

在殼管式冷凝器傳熱系數的計算中，常用冷凝管的外表面積作為計算傳熱面積。傳熱系數k可按下式計算：

式中：當冷凝器型號確定后，內外徑d1、d2、兩側的污垢熱阻R1、R2及其熱導率λ均可直接測取，因此冷凝器傳熱系數計算的關鍵就是管程傳熱系數α1及殼程傳熱系數α2的計算。

1.2 管程傳熱系數

對殼管式冷凝器而言，進入冷凝管管束內的冷卻水與流經殼程的制冷劑蒸汽進行強制對流換熱。影響管程強制對流傳熱系數的因素有冷凝管的特征尺寸、流體流速、流體物理性質等。由于管內湍流傳熱機理復雜，管程傳熱系數可采用經驗公式進行計算[1]。

式中：λ為熱導率，W/(m·℃）；ρ為密度，kg/m3；μ為流體黏度，Pa·s；cp為定壓比熱容，J/(m·℃）；ti、to為冷卻水進、出口溫度，℃。公式中流體的物理性質采用定性溫度tm=0.4to+0.6ti[2]下的數值。

1.3 殼程傳熱系數

本文選取臥式殼管式冷凝器進行計算，該冷凝器的冷凝管由水平管束組成，除第一排冷凝管外，其他各排管的冷凝情況均會受到其上各排管流下的冷凝液的影響，致使其液膜擾動增強。文中，殼程傳熱系數計算公式是根據水平單管外壁面的層流膜狀冷凝傳熱計算公式推廣而得，若冷凝器中有n根冷凝管，則其平均傳熱系數可用下式計算[1]。

式中：g為重力加速度，g=9.8m/s2；Δt為液膜兩側的溫差，℃；r為汽化潛熱，J/kg。除汽化潛熱取冷凝溫度下的值外，其他物性參數取飽和蒸汽溫度和冷凝管壁溫度算術平均值下的數值。

2 實例分析

冷凝器中的冷卻水系統分為定流量系統和變流量系統；其中，變流量系統改變流量的方式又有連續改變流量和跳躍式改變流量。受冷卻水泵選用的影響，在通常情況下，定流量系統應用較為廣泛。在大型的空調系統中，冷卻水泵的臺數一般大于一臺，且有備有用，型號也不盡相同，不同的冷卻水泵開啟臺數及型號的組合，可以使冷卻水流量產生變化。冷卻水流量與溫度有多種不同組合，本文僅根據經驗，選擇了某種流量與溫度的組合進行分析。本文在實例分析中，針對冷卻水流量的兩種不同狀況進行分析。實例分析一：隨冷卻水進水溫度的降低，冷卻水流量恒定；實例分析二：從28℃起，隨著冷卻水溫度的降低，每降低2℃，則冷卻水流量減少25%，冷卻水流量呈跳躍式變化。

2.1 實例分析一

本文選取某冷凝器的負荷為300kW，由產品樣本手冊查得具體結構尺寸如下：殼體內徑273mm，冷凝管外徑19mm，內徑17mm。冷凝器共65根冷凝管，呈叉形排列；材質為鑄鋼材料；制冷劑為R22。在計算中，設定冷卻水出水溫度為37℃，改變其進水溫度，冷卻水進水溫度的變化范圍為24～28℃；冷卻水流量恒定，冷凝溫度隨冷卻水進水溫度的降低而改變[3]。管程污垢熱阻為0.18×10-3m2·K/W、殼程污垢熱阻為0.14× 10-3m·2K/W。

通過計算，得出在不同冷卻水進水溫度下的殼管式冷凝器的傳熱系數，將計算結果列入表1。

表1 不同冷卻水進水溫度下的殼管式冷凝器傳熱系數表

各進水溫度下的傳熱系數值與額定工況下32℃的進水溫度所得傳熱系數值的比較如圖1所示。

圖1 不同進水溫度下的傳熱系數值與32℃進水溫度的傳熱系數值比較

從表1中可以看出，隨著冷卻水進水溫度的降低，冷凝器的傳熱系數隨之增加；當冷卻水進水溫度由28℃降低到24℃時，冷凝器傳熱系數增加了約36%；與進水溫度為32℃時相比，最大增加幅度達到124%。從圖2中可以看出，冷卻水進水溫度越低，傳熱系數越大，其對應的傳熱系數與進水溫度為32℃的傳熱系數差值也越大。各點數值的變化率體現了傳熱系數的改變速度，冷凝器傳熱系數的增加速度隨著冷卻水進水溫度的降低而加快。

2.2 實例分析二

實例分析二中的冷凝器負荷及其他基本參數與實例分析一相同，僅冷卻水流量的變化情況按照如圖2所示改變，即在冷卻水進水溫度為24～25℃時，冷卻水量變為額定工況冷卻水量的50%；冷卻水進水溫度為26～27℃時，冷卻水量變為額定工況冷卻水量的75%；冷卻水進水溫度為28℃時，冷卻水量為額定工況冷卻水量。在實際工程應用中，冷卻水流量的變化可以通過改變冷卻水泵開啟臺數、不同型號冷卻泵的開啟組合或使用變頻水泵來實現[4]。

圖2 冷卻水流量隨溫度變化圖

通過計算，可得到在不同冷卻水流量及進水溫度組合下，管殼式冷凝器的傳熱系數，計算結果列入表2中。

表2 不同冷卻水流量及進水溫度組合下的殼管式冷凝器傳熱系數表

從表2中可以看出，冷卻水進水溫度在24℃～27℃時，盡管冷卻水流量有所降低，但冷凝器傳熱系數仍然是增大的。可以發現當27℃的冷卻水流量減少至75%時，冷凝器傳熱系數雖然比28℃時有所下降，但仍比通常運行狀況下的冷凝器傳熱系數高約44%。冷卻水進出口溫差加大，在換熱量確定的情況下，冷卻水流量減少，水系統的管徑及其配件的尺寸減小，冷卻水水泵功率也減小，可以實現節能目的。

為更清楚地比較分析實例分析一與實例分析二，將計算結果繪入圖3中進行對比。

從圖3中可以看出，在兩個實例中，冷凝器傳熱系數保持不斷增長的趨勢。實例分析二在冷卻水進水溫度為24℃～27℃時的冷卻水流量呈跳躍式減少，流量的減少導致冷凝器傳熱系數的增長也有所波動，其與實例分析一中的傳熱系數相比，波動幅度均小于16%，遠遠小于冷卻水流量百分比的減少。由此可以看出，當采用低溫冷卻水時，可以適當減少冷卻水流量，從而達到更好的節能效果。

圖3 實例分析一、二結果對比圖

3 誤差分析

本文在計算殼管式冷凝器換熱系數時，由于湍流傳熱機理復雜，采用了經驗公式對其進行計算。經驗公式與實際工況不盡相同，勢必會產生一定的誤差：

1）殼管式冷凝器殼側流體在管束之間與管束呈多種夾角方向的流動，通過折流板缺口時，有部分流體會從折流板與冷凝管之間的空隙流過，同時還會有少量流體從折流板與冷凝器殼體之間的細縫中流過。此外，冷凝管內外流體之間的熱交換是藕合在一起的[1]，而通常的換熱器計算會假設流動為一維穩態的、冷凝管內外兩種流體平行流動、總傳熱系數k沿軸向均勻不變等。面對如此復雜的流動和換熱過程，經驗公式進行計算是不夠精確的。

2）在經驗公式的計算中，某些取值并未經理論檢驗，而是實踐中的近似總結；且在經驗公式的總結中，存在了一些假定條件，這些假定條件就是實際工況的簡化，與實際的工況有一定差異。這些不可避免因素的存在，都會影響計算的準確性。

4 結束語

本文選擇了應用最為廣泛的殼管式冷凝器進行理論計算，可得出以下結論：

1）當冷卻水流量恒定時，隨著冷卻水進水溫度的降低，冷凝器的傳熱系數隨之增加，增長速度亦隨之加快。

2）當冷卻水流量減少時，冷凝器傳熱系數增長減慢，但仍高于通常運行狀況下的冷凝器傳熱系數。

在對冷卻水變流量系統的計算中，本文僅選取了某一種溫度與流量的組合進行計算，其他組合方式并未做討論。文章根據冷凝器在實際應用時的某些參數從理論計算的角度對大溫差冷卻水系統進行分析，對于其在工程應用中的實際運行狀況，還需進一步探討。

[1]董其伍,張垚.換熱器[M].北京:化學工業出版社,2008

[2]殼管式換熱器(GB151-1999)[S]

[3]李勇,劉寧寧.凝汽器冷卻水溫度和流量對凝結水過冷度影響的研究[J].汽輪機技術,2009,51(3):210-213

[4]李蘇瀧.集中空調冷卻水變流量問題辨析[J].暖通空調,2005, 35(6):52-54

Ana lys is of She ll-a nd-tube Conde ns e r’s He a t Tra ns fe r Coe ffic ie nt unde r La rge Te m pe ra ture Diffe re nc e Cooling Wa te r

CHEN Gang,CHENG Xin,LI Hui-min
School of Urban Construction,University of South China

This paper using river water as cooling water to theoretical calculation the heat transfer coefficient of shell-and-tube condenser.It works out that heat transfer coefficient of condenser grow fast with the drop of inlet water temperature when the flow of cooling water is constant,the cooling water temperature range between 24～28℃and the outlet temperature is 37℃.When the flow of cooling water drops down,the increase of the heat transfer coefficient slows down,but it’s still larger than normal condition.

large temperature difference cooling water,shell-and-tube condenser,heat transfer coefficient,cooling water flow

1003-0344（2015）02-059-4

2013-12-2

陳剛（1968～），男，教授；湖南省衡陽市南華大學城市建設學院（421001）；E-mail:cg9019@163.com