蒸发冷却（冷凝）器中的传热机制探析

在蒸发冷却（冷凝）器中的传热过程为热量从管内流体经过壁面传递到喷淋水中，再从喷淋水传给空气。从喷淋水向空气的传热是依靠水的蒸发和冷却两种方式进行的。

1）温度分布

图3.86 蒸发冷却器截面上流体温度分布

图3.87 蒸发冷却器中沿流程的温度分布

当冷却管内流体时（即蒸发冷却器），蒸发冷却器截面上流体的温度分布如图3.86所示，沿流程的温度分布如图3.87所示。今取蒸发冷却器的微元高度段dx来讨论，管内流体失去的热量为

即

喷淋水的温度变化是因从管内流体传入的热量与向空气传出的热量之差所致：

即

空气得到的热量为

即

以上各式中，

dx——微元高度段的传热面积，m2；

Mw——喷淋水的流量，kg/s；

Mt——管内流体的流量，kg/s；

Ma——空气的流量（当做干空气），kg/s；

tt——管内流体的温度，℃；

tw——喷淋水的温度，℃；

i*——与喷淋水温度相对应的饱和湿空气的焓，J/kg（干空气）；

i——空气的焓，J/kg（干空气）；

ct——管内流体的比热，J/（kg·℃）；

cw——喷淋水的比热，J/（kg·℃）；

Ko——从管内直至喷淋水的传热系数（以管外表面积为基准），J/（m2·s·℃）；

式中 αi——管内流体与管内表面之间对流换热系数，J/（m2·s·℃）；

αo——管外喷淋水与管外表面之间对流换热系数，J/（m2·s·℃）；

ri，ro——分别为管内、外壁上污垢热阻，m2·s·℃/J；

di，do——分别为管内、外直径，m；

dm——传热管的对数平均直径，m；

KM——喷淋水向空气流的传质系数，kg/（m2·s·ΔX），这里ΔX指含湿量差；

KY——喷淋水与空气流之间的传质分系数，kg/（m2·s·ΔX）；(www.xing528.com)

m——在湿空气的温-湿图中的饱和曲线斜率（在喷淋水温度下的值），查附录

α′——喷淋水与空气、水界面之间的对流换热系数，J/（m2·s·℃）；

ΔX——含湿量的差^[3]，kg蒸汽/kg干空气；

ΔXi=Xi-Xo

Xi，Xo——分别为入口、出口处空气的含湿量，kg蒸汽/kg干空气。

如取

则式（3.158b）、（3.159b）、（3.160b）可分别写成：

其中i*——喷淋水温度的函数

由于喷淋水是循环的，所以冷凝器入口处的喷淋水温度twi等于冷凝器出口处喷淋水的温度two，亦即

twi=two(3.166)

式（3.162）～（3.165）是表示蒸发冷却器温度特性的联立方程式，式（3.166）是其边界条件。

如果是蒸发冷凝器，即管内流体冷凝时，则因管内流体的温度tt不变，故其温度特性式成为

边界条件

2）对流换热系数和传质分系数

（1）管外表面与喷淋水之间的对流换热系数αo

该式的试验范围为

0.694＜Gmax＜5.278

式中 Γ——流过单位宽度的流量，kg/（m·h）；

三角形错列时，

tf——喷淋水的液膜温度，℃；

Gmax——最小截面处湿空气的质量速度（冷凝器的出、入口平均），kg/（m2·s）。

（2）喷淋水与空气、水界面之间的对流换热系数α′

在Gmax为0.694～5.278kg/（m2·s），Γ/do为1.389～5.278kg/（m2·s）的范围内：

α′=11630W/(m2·℃)

（3）喷淋水与空气流之间的传质分系数KY

3）空气侧的压力损失Δpα，可按下式计算：

式中 Cf——系数，示于表3.14中，表中，s1/do——横向管中心距与管外径之比，s2/do——纵向管中心距与管外径之比，n——流动方向的管排数。

表3.14 系数Cf值