等价湿球温度法分析传热传质过程.doc
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1、板式蒸发空气冷却器传热传质模型分析摘 要: 根据热力学和传热学理论,建立了板式间接蒸发式空冷器传递过程的微分方程组。引入空气湿球比热和对流换热系数,推导得到了基于空气湿球温度的数学传递模型。应用四阶-龙格库塔法求解了高炉循环水用板式蒸发冷却器基于湿球温度的传递模型,得到了热流体、喷淋水、空气干湿球温度的变化规律和各流体的换热强度情况。该分析模型为进一步分析蒸发式空冷器的热工性能和优化设计提供了理论依据。关键词:传热传质;板式蒸发空冷器;传递模型;湿球温度蒸发式空冷器利用自然环境中空气的干湿球温差取得冷量来冷却热流体,由于它比空气冷却换热效果好,比水冷节水等显著优点,因此在石油、化工、冶金、电力
2、等领域中有着广泛的应用。蒸发式空冷器冷却侧空气与喷淋水之间传热和传质过程同时进行,相互耦合,传递机理相当复杂。目前针对管式和翅片管式蒸发空冷器的研究成果较多1-3,然而这些成果大多是基于Merkel理论,空气和喷淋水的热湿交换以焓差为推动力建立数学模型。本文建立了基于湿球温度的板式蒸发式空冷器的数学模型,并用四阶-龙格库塔法对一个实例进行数值求解,分析了各流体的温度变化和换热规律。1 传递过程的基本方程组图1 逆流板式蒸发空冷器示意图 空气喷淋水shui 热流体 本文以板式蒸发空冷器为研究对象,热流体与空气逆流,喷淋水与空气并流,流体组合如图1所示。对蒸发式空冷器的传热传质和流动过程做如下假设
3、:1. 空冷器内传热传质和流动过程处于稳态,忽略外壳的散热损失。2. 各流体热物性参数为常数。流体的状态参数仅沿流动方向变化。3. 喷淋水膜均匀分布,忽略水膜波动和水膜厚度对传递和流动的影响,忽略水膜的蒸发损失;水膜在传热壁面上完全润湿。4. 忽略空气中离散水珠对传热传质的影响。喷淋水热流体空气水膜壁面dz图2 微元面积传递过程5. 湿空气的传热传质过程符合刘易斯关系式,即,为喷淋水与空气的传质系数,kgm-2s-1;为喷淋水与空气的传热系数,Wm-2K-1;为空气比热容,Jkg-1-1。 取微元面积Bdz进行传热传质分析。热流体侧的能量守恒方程为: (1)式中:为热流体的比热容,Jkg-1-
4、1;为热流体的质量流量,kgs-1;为空冷器板片数;为空冷器宽度,m;为热流体温度,;为喷淋水温度,;为热流体到水膜的总传热系数,Wm-2-1。因为水膜很薄,可认为气液界面的湿空气的饱和温度等于水膜的温度,则空气侧水蒸气的质量守恒方程为: (2) 式中:为空气(干空气)的质量流量,kgs-1;为湿空气的含湿量,kgkg(干空气)-1;为水膜温度对应的饱和含湿量,kgkg(干空气)-1。湿空气的能量守恒方程为: (3)式中:为湿空气的比焓,Jkg-1;为0时水的汽化潜热,Jkg-1;为湿空气的温度,。把式和式(2)代入式(3)并化简得到: (4)式中:为干空气的比热容,Jkg-1-1;为水蒸汽的
5、比热容,Jkg-1-1。因为,因此式(4)可化简为: (5) 式(5)表明,空气的干球温度变化主要取决于空气和水膜之间的显热交换,而潜热交换对空气干球温度的变化影响很小。由于忽略水膜的蒸发损失,所以水膜的能量守恒方程为: (6) 式中:为水的比热容,Jkg-1-1;为喷淋水的质量流量,kgs-1。综上,板式蒸发空冷器传递过程的基本微分方程组由式(1)、(2)、(5)、(6)组成。2 基于湿球温度的传递模型根据ASHRAE手册4,空气湿球温度在0200范围内,有:其中:为与对应的饱和蒸汽压,C1=-5.8002206103,C2=1.3914993,C3=-4.864023910-2,C4=4.
6、176476810-5,C5=-1.445209310-8,C6=6.5459673。 其中,为与对应的饱和含湿量,为大气压力。则湿空气饱和线的斜率b为: = (7)引入湿空气的湿球比热容,和湿球对流换热系数5,则: (8) (9) 其中,,为水的比热容。在数值计算的步长内假设湿空气饱和含湿量与湿球温度成线性关系,即:,a为待定系数,则有:。由于,所以可得: (10) 式(10)重组并微分,把式(2)和(5)代入式(10),整理化简得到: (11) 把式(11)减去式(5),并把式(8)和(9)代入得到: (12) 同理把式(8)和式(9)代入式(6)并进一步化简可得到: (13) 综上,基于
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