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