水冷式表冷器熱工計算新方法

張建林鄧小龍

1江陰精亞集團有限公司

2江蘇信息職業技術學院

水冷式表冷器熱工計算新方法

張建林1鄧小龍2

1江陰精亞集團有限公司

2江蘇信息職業技術學院

在大量實驗數據的基礎上，結合有關文獻資料提出了一種新的表冷器熱工計算方法。該方法以線性相關性較好的傳熱系數及析濕系數的試驗公式為依據，通過假定水流速進行推導計算，經實測驗證，證明具有較高的精度。

表冷器 試驗公式 熱工計算

0 引言

表冷器是空調機組的核心部件，表冷器的性能直接影響到空調機組的性能。因此，國內外對表冷器的熱工計算方法十分重視。目前，水冷式表冷器校核性熱工計算的方法有多種，其中計算準確度較高的方法當算干球溫度效率法，該方法通過下列方程組進行計算：

式中：ε1為熱交換效率系數；ε2為接觸系數；t1為空氣初狀態干球溫度；ts1為空氣初狀態濕球溫度；i1為空氣初狀態焓值；t2為空氣終狀態干球溫度；ts2為空氣終狀態濕球溫度；cp為空氣定壓比熱；i2為空氣終狀態焓值；tw1為冷水初溫；tw2為冷水終溫；W為冷水量；ω為水流速；Q為冷量；G為風量；Vy為迎面風速；ξ為析濕系數；A、B、β、γ、m、n為由實驗得出的系數、指數。

上述方程組中K是試驗得出的試驗公式，此種形式回歸出的試驗公式有一定的缺陷，文獻[1]中對此有專門的分析；同時根據熱交換理論，對于一定結構的表冷器而言，接觸系數ε2應是表冷器迎面風速和排數的函數，即ε2=f(Vy，N)，其中N為表冷器排數，因此當表冷器結構及排數一定后，其接觸系數應只與迎面風速有關，而與其他參數無關（如進風溫濕度，進水溫度，水流速等）。但大量的分析表明，由于接觸系數ε2的式（2）中空氣側放熱系數α是根據傳熱系數K的經驗公式取α＝AVym求出的，這種定ε2的方法誤差是很大的，這在文獻[2]中有過專門的分析。本文作者通過熱工性能測試臺也對上述結論也進行了多次的試驗驗證，表1為其中一組測試數據。

表1 測試數據

從表1數據中可以看出，對一定結構與排數的表冷器當其迎面風速不變，而改變其進風側參數后，其接觸系數ε2將發生變化，說明接觸系數ε2并不完全符合熱交換理論，因此若采用ε2=f(Vy，N)的試驗公式形式，將會對表冷器熱工計算帶來較大的誤差；而根據文獻[3]，接觸系數ε2試驗回歸公式可表達為，但經驗證，該試驗公式線性相關性仍較差，一般小于0.85，故仍無法保證計算的準確度。

1 熱工計算新方法

為此，本文采用了一種新的表冷器熱工計算新方法，該法無需接觸系數的試驗公式，而是采用文獻[3]中推薦的精度較高、線性相關性較好的表冷器析濕系數及傳熱系數試驗公式進行推導計算。即通過正交試驗法，表冷器傳熱系數K的試驗公式可表達為

表冷器析濕系數ξ的試驗公式可表達為

式中：A、c、m、n為由實驗得出的系數、指數；T為溫度準則，T=(t1-ts1)/(t1-tw1)。

下面通過示例對該法的計算過程加以說明。

已知：表冷器長度為700mm，厚度為66mm，高度為203mm，波紋片片間距2.2mm，排數3排，表面管數8根，φ9.52通水管管數為3根，進風干球溫度27℃，進風濕球溫度19.5℃，風量為630m3/h，進水溫度7℃，進出水溫差為5℃，大氣壓力為101325Pa，求空氣的出口參數及表冷器的冷量、水量。

經回歸試驗，該結構表冷器傳熱系數及析濕系數試驗公式如下：K＝32.91Vy0.43ξ0.67ω0.26，ξ＝2.99e-2.1TVy-0.03ω0.13。

對該機組表冷器基本參數計算如下：水通路總面積Sw=0.000208m2；迎風面積Fy=0.142m2；傳熱面積F=7.9m2；迎面風速Vy=1.23m/s；空氣質量流量G= 0.21kg/s；進口空氣焓值i1=55.35kJ/kg。

假定表冷器通水管內水流速ω為0.8m/s（一般ω范圍在 0.6～1.8m/s之間），則冷水量 W=ω×Sw×r0= 0.166kg/s（r0為冷水密度，取1000kg/m3）；溫度準則T= (t1-ts1)/(t1-tw1)=0.375；析濕系數ξ=2.99e-2.1TVy-0.03ω0.13=1.31；傳熱系數K=32.91Vy0.43ξ0.67ω0.26=40.68W/(m2℃)；傳熱單元數β=KF/ξGcp=1.16；水當量比γ=ξGcp/Wcw=0.4；全熱交換效率ε1=(1-e-β(1-γ))/(1-γe-β(1-γ))=0.63。

則出口干球溫度t2=t1-ε1(t1-tw1)=14.4℃，出口空氣焓值i2=i1-ξcp(t1-t2)=38.68kJ/kg；冷量Q=G(i2-i1)/1000= 3.5kW。

供回水溫度 Δt為 5℃時，實際水流量 W’= 3600Q/Δtcw=602kg/h，則實際水流速 ω’=W/(Sw×r0× 3600)=0.804m/s。

由于|ω’-ω|＜0.005，說明假設的ω合適，如不合適，應重新假設。

根據出口空氣的干球溫度、焓值及大氣壓力可以求得出口空氣的濕球溫度為13.65℃。則計算結果為：t2=14.4℃，ts2=13.65℃；Q=3.5kW=602kg/h。

2 軟件計算流程圖

根據計算新方法，編制程序進行計算，軟件流程圖如圖1所示。

圖1 軟件流程圖

3 實驗及分析

為驗證該計算方法的準確性，筆者利用本公司熱工性能測試臺進行了多次試驗，并將實測值與計算值進行了對比（見表2）。熱工性能測試臺試驗流程如圖2所示，其中水流量測試儀器型號為HPLUGB-328P2，精度0.5級；干/濕球溫度測試儀器型號為WE700，精度±0.1℃/±2%；水溫測試儀器型號為WQ101，精度± 0.1℃；風速測試儀器型號為JCYB-2000A，精度0.5級。

圖2 熱工性能測試流程圖

通過多次實驗，說明本計算方法：

1）計算的準確度較高，經大量的試驗驗證對比，超過95%的測試數據其計算冷量值與實測冷量值誤差≤±5%，其余的誤差不超過±8%。

2）適用范圍較廣，尤其在表冷器進出水溫差是大溫差（如8～10℃）及冷水進水溫度不是常規的7℃時，仍能保持較高的計算精度，而且該方法也適用于表冷器干工況時的計算。

3）試驗公式容易獲得，由于采用正交試驗回歸K及ξ的試驗公式，因此對于一定結構的表冷器而言，根據文獻[3]，只需做16組試驗就可以回歸出相應的試驗公式，大大提高了工作效率。

表2 實測值與計算值的對比

4 結語

本文提出了一種新的表冷器熱工計算方法。該方法以線性相關性較好的傳熱系數及析濕系數的試驗公式為依據，通過軟件編程實現，計算方便，工作效率大大提高，通過實驗驗證了該方法的有效性并具有較高的精度。

[1]王辛,陳沛霖.正交試驗法在表冷器試驗中的應用[J].暖通空調, 1999,(4):78-81

[2]薛殿華,張勇濤.關于表冷器熱工計算原理的探討[J].制冷學報, 1983,(2):43-52

[3]王辛.表冷器試驗及計算等問題的探討[D].上海:同濟大學, 1991

A Ne w The rm ote c hnic a l Ca lc ula tion Me thod on Wa te r-c oole d Surfa c e Coole r

ZHANG Jian-lin1,DENG Xiao-long2
1 Jiangyin Jingya Group Co.,Ltd.
2 Jiangsu College of Information Technology

Based on large amount of test data,combined with the relevant papers,a new thermotechnical calculation method on surface cooler is presented.The method is based on the formula with a good linear correlation of heat transfer coefficient and wet coefficient,and derivate and calculate by assuming the water flow speed.The experiments verify its high precision.

surface cooler,experimental formula,thermotechnical calculation

1003-0344（2015）02-062-3

2013-11-13

張建林（1970～），男，本科，高工；江陰市顧山鎮解放村興園路25號（214414）；E-mail:zhang005297@163.com

江蘇省高校“青藍工程”中青年學術帶頭人基金（10072020009）