蒸发冷却板式换热器的传热与阻力实验研究

摘要：通过对板式换热器传热的理论分析和在干工况、喷淋工况下的实验研究，得出板式换热器在喷淋情形下空气侧喷淋水量对强 化对流传热系数的影响关系，进而拟合出喷淋情形下空气侧的对流传热系数的关联式。同时为了综合考虑由于喷淋造成的换热器性 能的变化，还对喷淋前后空气侧的阻力变化进行了测试分析。

换热器是各种换热设备中非常关键的部分，在化工， 冶金，电力，制冷，轻工等企业中占着很重要的地位。相 对于管式换热器来说，板式换热器拥有换热性能更好，体 积更小，价格更低 1 ，一个世纪以来它在单相领域中得到 了广泛的应用。

蒸发式冷却器相对于其它型式的冷却器来说，由于 其利用了物质相变的能量，因此其传热性能更好，效率 更高，结构更紧凑。目前对换热器利用间接蒸发进行冷 却的研究已经很多，既有理论研究，又有 CFD 研究其中 还不乏实验研究。文献 [2] 对板式换热器的换热准则进 行了研究，但是没有提到喷淋水量对传热具体的强化效果。 本文主要研究板式换热器在空冷过程中利用喷淋水 来进行强化传热，并对其阻力特性进行研究。

1 实验系统及实验方法

1.1 实验流程介绍

本文实验对象为板式换热器，实验的流程如图 1，具 体参数为：

板式换热器的几何外形尺寸为 600 mm × 300 mm × 250 mm，板片厚 2 mm，换热器为双流程 12 通道。实验 介质为空气和热水，送风量用喷嘴进行测定，温度均采用精度为 0.1 ℃水银温度计进行测定。

1.2 实验操作

本实验主要的研究目的是在实验的范围内研究板式 换热器在喷淋工况下可能对空气侧传热有影响的几个因 素，并对在喷淋工况下由于喷淋的作用所造成的阻力增 大情况。为此，在实验过程中做喷淋工况的实验，同时 为了进行比较以说明效果，有必要进行与喷淋工况相对 应的干工况实验。

2 实验原理及数据处理方法

由于板片之间的间距比较小，在板片上安装测温 元件比较困难，因此本实验测定的是整体的换热系数 K。根据换热器前后安置的干湿球温度计测定的温度以 及风机的送风量可以求出换热器空气侧的换热量Q。根 据公式

在本实验中，喷淋实验与干工况各个对应的工况相 比只是增加了喷淋水，因此考虑喷淋水蒸发对传热强化 的影响主要是对喷淋水喷淋强度的影响。本实验先在干 工况的条件下对空气侧的传热进行研究，拟合出空气侧 的实验关联式，然后再在相同的条件下，研究喷淋条件 下的传热情况下，相对于干工况时的强化倍数，最后由 实验得出强化倍数与喷水强度之间的关系。

3 实验结果分析

3.1 干工况

3.2 喷淋工况

1）变喷淋水量

根据干工况得出的空气侧对流换热系数关联式，可 以求出在与干工况相同风量的喷淋情形下，空气侧对流 换热系数的强化倍数。

假设取喷淋时空气侧对流换热系数为

最终根据实验数据回归得出的强化倍数与喷淋强度 的关系为

（1）空气流量

图 2 为变风量情形下，干工况与喷淋工况的效率图， 从图 2 上可以看出喷淋的效率明显高于干工况的效率。而 随着换热器总风量的增加，喷淋工况与干工况的效率都 在升高，但是喷淋工况的增加幅度要大。

（2）变热水温度

图 3 和图 4 分别为两种不同空气进口湿球稳定的喷 淋工况在变热水温度时的换热情况。

从图 3 和图 4 可以看出，随着热水温度的升高，喷 淋效率没有明显的升高，对于湿球温度为 28℃的情形其 效率在 33％左右波动，对于空气进口湿球温度为 22℃的 情形效率有所升高。而整个系统的总传热系数随着热水 温度的升高而升高。

（3）变干球温度

图 5 为变空气进口干球温度时干工况和喷淋工况换 热器的换热效率图。从图 5 可以看出，改变空气的进口 干球温度对于两种工况的换热效率没有明显的意义，随 着空气进口干球温度的升高，效率下降幅度很小。

（4）变湿球温度

图 6 和图 7 代表了在喷淋工况下改变空气侧空气进 口湿球温度时换热器的总体传热能力的变化。

3.3 空气侧阻力

换热器性能评价包括传热性能和阻力性能两个方面， 为了综合考虑喷淋对换热器性能造成的影响，因此还必 须考虑换热器空气侧的阻力损失特性。

图 8 显示了在不同喷淋水量的情形下，换热其空气 侧的阻力损失图。

从图 8 可知，喷淋工况的阻力要稍微大于干工况，这 是由于在喷淋过程中气流会有喷淋液滴的阻挡，从而对 气流形成阻力，使其造成阻力损失。随着喷淋水流量的 提高，这种液滴对于气流的阻挡作用必然越来越大，因 此喷淋的阻力会随着喷淋水量的增大而上升。另外，由 于阻力项与空气的速度的二次方成正比，因此随着风速 的提高，喷淋阻力上升较大。

4 结 语

通过对板式换热器的实验研究可以得出以下结论：

（1）从以上的分析中可以看出，喷淋工况在传热效 果上明显优于干工况，与干工况相比，喷淋工况的总传 热系数比干工况大 3 ～ 6 倍。

（2）在喷淋情形下，对传热效果影响较大的因素有 空气的流速，空气进口湿球温度，热水的温度以及喷淋 水流量。

（3）由于喷淋使得空气侧的阻力比干工况时的阻力 有一定的提高。在具体操作时要综合考虑风速和喷淋水 量所引起的对传热和阻力的影响。

参考文献：

[1] 王列科，杨强生. 板式换热器中蒸汽凝结特性 [J]. 上海交 通大学学报. 1998，（4）：18-22.

[2] 章熙民，任泽霈，梅飞鸣，等. 传热学 [M]. 北京：中国建 筑工业出版社，2001.

[3] 宫锡坤. 板式换热器准则关联式的研究 [J]. 沈阳化工，1994， （3）：48-50.

[4] 史美中, 王中铮. 换热器原理与设计 [M]. 南京: 东南大学 出版社，1989.