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1、天津大学硕士学位论文直接蒸发式空气冷却器用于北方农村住宅的技术研究姓名：谭文嘉申请学位级别：硕士专业：供热、供燃气、通风与空调工程指导教师：张欢20070101中文摘要利用金属填料型直接蒸发式空气冷却器对空气进行冷却除湿，与传统的空气处理设备相比较，具有许多优点。本文首先对金属填料型直接蒸发式空气冷却器的传热传质性能进行理论研究、实验研究，然后以我国北方农村地区住宅为应用背景，以地下水为冷源，对利用该设备后的室内环境进行了模拟研究。本文对金属填料型直接蒸发式空气冷却器进行了传热传质性能实验，并在此基础上对实验数据进行了处理，回归得到对流换热系数的经验公式，为理论计算提供了必要的资料。然后在传热
2、传质理论的基础上，采用数值计算方法，对发生在金属填料表面的传热传质过程进行了理论分析，建立了物理模型和数学模型，对微分方程组进行了离散化处理，利用差分法求数值解。数值结果给出了填料内部各个节点上空气的干、湿球温度、水温。在理论分析的基础上，将实验结果与理论计算结果相结合，分析了空气和水的入口状态对金属填料的对流换热系数、阻力、空气和水的出口状态的影响。本文分别建立了天津地区和郑卅I 地区典型房间的物理模型，计算得到房间的冷负荷和送风量，然后对金属填料型直接蒸发式空气冷却器进行选型计算，利用A 卸a k 2 1 软件在夏季最不利工况下，分别对房间室内温度场、速度场和热舒适性进行模拟分析。分析结果
3、表明金属填料型直接蒸发式空气冷却器能够较好地改善农村室内的热环境。关键词：金属填料，热质交换，冷却除湿，地下水，C F D 模拟A BS T R A C TM e t a lf i l l t y p ed i r e c te v a p o r a t i v ea i rc o o l e rc a nb e u s e df o rc o o l i n g d e h u m i d i f i c a t i o np u r p o s e so fi n c o m i n ga i rs t r e a m s。C o m p a r e dw i t ht r a d i
4、t i o n a la i rh a n d l i n ge q u i p m e n t,t h e r ea r cm a n ya d v a n t a g e sf o rm e t a lf i l l t y p ed i r e c te v a p o r a t i v ea i rc o o l e r T h i st h e s i sf n s t l yi n v e s t i g a t e st h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so fm e t
5、 a lf i l l t y p ed i r e c te v a p o r a t i v ea i rc o o l e r sh e a ta n dm a s st r a n s f e rp e r f o r m a n c e A n dt h e nf r o mt h ep o i n to fv i e wo fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n so fm e t a lf i l l-t y p ed i r e c te v a p o r a t i v ea i rc o o l e ri nt h er
6、e s i d e n c eo fn o r t h e r nv i l l a g e s，w h i c hi sd i r e c t l yu s i n gt h eg r o u n d w a t e r 笛t h ec o l dS O U l C C t h i st h e s i si n v e s t i g a t e st h es i m u l a t i o nr e s e a r c ho nt h ei n d o o rt h e r m a le n v i r o n m e n to fr e s i d e n c eo fn o r t
7、 h e r nv i l l a g e s M e t a lf i l l-t y p ed i r e c te v a p o r a t i v ea i rc o o l e ri st e s t e df o rt h e i rh e a ta n dm a s st r a n s f e rp e r f o r m a n c e T h ee m p i r i c a le q u a t i o no ft h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw h i c hp r o v i d e su s e f
8、u ld a t af o rf u r t h e rt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nC a nb eg o tb yd e a l i n gw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a B a s e do nt h eb a s i ch e a ta n dm a s st r a n s f e rt h e o r y,t h eb e a ta n dm a s st r a n s f e ro nt h em e t a lf i l l s s u r f a c ei sa n
9、a l y z e dt h e o r e t i c a l l yb yn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d T h ep r o b l e m Sp h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e l sa r ed e v e l o p e d T h ep a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n sa r ed i s c r e t i z e da n dt h e i rs o l u t i o n sa l e
10、f o u n db yf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d T h i st h e s i sg e t sd r y-b u l bt e m p e r a t u r ea n dw e t-b u l bt e m p e r a t u r eo ft h em o i s ta i ra n dt h ew a t e rt e m p e r a t u r ea te v e r yn o d eo fm e t a lf i l l s C o m b i n e dt h ee x p e r i m e n tr e s
11、u l t sa n dt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t s，t h ep a p e ra n a l y s e st h ei n f l u e n c eo ft h ep r o p e r t yo fi n p u ta i ra n dc o o l e dw a t e ro nt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t，r e s i s t a n c e，t h ep r o p e r t yo fo u t p u ta i r
12、a n dw a t e r T h e nt h ep a p e re s t a b l i s h e st h ep h y s i c a lm o d e lo fr e p r e s e n t a t i v er u r a lr o o n l si nt h ec i t i e so fT i a n j i na n dZ h e n g z h o u T h ec o o ll o a da n dt h ea m o u n to fa i r f l o wC a nb ec a l c u l a t e d T h e nt h es t r u c
13、t u r ed i m e n s i o no fm e t a lf i l l t y p ed i r e c te v a p o r a t i v ea i rc o o l e rC a nb ec a l c u l a t e d U n d e rt h em o s tu n f a v o r a b l ec o n d i t i o n si ns u l n i i l e r,t h es o f t w a r eA i r p a k 2 Ii Su s e dt Os i m u l a t et e m p e r a t u r ea n dv
14、e l o c i t yf i e l d sa n dt h e r m a lc o m f o r to fn o r t h e mr u r a lr o o m T h er e s u l to fs i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h em e t a lf i l l-t y p ed i r e c te v a p o r a t i v ea i rc o o l e rC a ni m p r o v et h ei n d o o rt h e r m a lc o m f o r to ft h er e s
15、 i d e n c eo fn o r t h e r nv i l l a g e s K E YW O R D S-M e t a lf j l l，H e a ta n dm a s st r a n s f e r,D e h u m i d i f i c a t i o nc o o l n g G r o u n d w a t e r,C F Ds i m u l a t i o n独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕注盘堂或其他教育
16、机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：悼芝荔签字日期：勿胛7 年弓月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂一有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：俾支袭导师签名：签字日期：聊年；月一z目，积欠签字日期：2 计月2 日|旅第一章绪论第一章绪论1 1 农村住宅室内热环
17、境改善的紧迫性和意义随着我国经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，人们的消费观念也在不断变化，在城市现在已经有许多家庭装上了分体式空调，而户式中央空调也正大举进入住宅空调市场。这必将带来住宅能耗的不断增长和与空调相关的环境问题的频繁出现。另一方面，自“工业革命”以来，人类对能源的需求就一直在增加，特别是进入二十世纪后，能源的消耗就一直在以几何级数的形式增长，矿物能源的有限储量和能源需求的无限增长之间的矛盾日益突出。而建筑能耗占总能耗的比例也越来越高。有关数据表明：发达国家建筑物的能耗约占一个国家总能耗的3 0 左右，有些国家如瑞典等甚至达到4 5：在民用建筑中暖通空调能耗达到6 5 t 1
18、1。据调查，2 0 0 6 年我国的建筑能耗占总能耗的比例已达2 7(约为3 5亿吨标准煤)【2】。随着我国经济的飞速发展和城镇化进程的加快，数亿村镇人口的住宅建设发生着巨大的变化，新建村镇住宅面积每年以6 7 亿m 2 的速度递增。“十五”期间，全国城乡住宅累计竣工面积5 7 亿平方米，其中城镇住宅竣工面积2 7 亿平方米，农村住宅竣工面积3 0 亿平方米【3】。而过去村镇住宅夏季炎热，大部分地方仅靠电风扇降温，传统居住条件已经不能满足农民生活的需要，人们迫切希望改善居住环境和生活条件。但如果采用传统空调形式，其初投资和运行费用都比较高。这在经济条件有限的农村地区，其普遍推广的意义不大。空调
19、系统是住宅建筑的重要组成部分，空调系统的能耗在住宅能耗中占相当比重，而且有不断增长的趋势。空调系统必须在室内营造有利于人体健康的生态环境的同时尽量减少对室外环境的影响。可能采取的措施包括：尽量采用自然通风：利用天然冷热源；使用能源利用效率高的空调装置和系统【4】。随着我国改革开放的不断深入和人民生活水平的不断提高，空调的需求和空调市场将不断壮大。因此在满足人民居住舒适性的同时，研究如何在住宅建筑空调系统中有效地提高能源利用效率，开发降温、除湿效率高的空调装置，从而减少对环境的污染具有十分重要的意义。结合我国的国情，在广大北方地区的农村、中小城镇和城市郊区，尤其是在地下水埋藏条件较好的地区应用金
20、属填料型直接蒸发式空气冷却器的市场和节能潜力是巨大的。因而本文的研究在理论上或实际应用上都极具意义。第一章绪论1 2 农村家用空调形式目前在我国农村住宅应用的空调型式与城市住宅一样主要有以下3 种：(1)户式中央空调这是由室外机、室内机、风管、风机、风口、风阀等设备组成的一种空调系统。经过室内机处理的空气，利用风机加压后，通过风管将空气送到空调区域。这种空调是小型化的中央空调，以家庭为单元，可适应个性化的需求。户式中央空调送风温差比较小，室内空气温度分布均匀；送风口灵活设置，适当增减；其缺点是安装工作量大、风管占较大的建筑空间、用阀门调节风量的节能效果较差。(2)传统家用空调传统家用空调包括窗
21、式空调器、分体壁挂式空调器、分体柜式空调器等，是由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀等设备组成的空调系统。在空调管道中流动的是制冷剂氟利昂，目前在农村家用空调中采用的制冷剂绝大部分是氟利昂2 2(R 2 2)。这种系统型式简单、管道占较少的建筑空间、安装施工简单、操作使用方便，其缺点是送风温差较大，舒适感较差，安装施工质量要求高。另外，如果室内机台数较多，冷凝水的排放是一个值得注意的问题。(3)变频空调系统变频空调的系统组成与传统空调相似，只是多了一台变频器。变频空调的工作原理是随着室内空调负荷的变化，改变电流的频率，从而改变电机的转速，进而改变制冷压缩机的转速，最终达到改变空调器制冷的目的。变频
22、空调最突出的优点是节能，特别是在部分负荷条件下，能效比非常高，运行费用明显降低。这些空调系统能耗大、运行费用高，未考虑天然冷源的利用。在我国北方大部分地区地下深度1 5 米左右的地下水温常年在1 0 一1 8 C。农村住宅未使用空调时，夏季室内温度一般超过3 0 C，若采用金属填料直接蒸发式空气冷却器处理室内空气，其结果是地下水吸收室内空气的热量，使得室内空气温度降至较舒适的状态。这种空调系统与以上3 种空调形式相比具有以下优点【5】：(1)投资省：仅为其它类型空调系统投资的5 0 7 0；(2)运行费用极低，仅有风机和水泵的能耗，约占氟利昂空调机组能耗的2 0；(3)噪音低。低于3 5 分贝
23、；(4)无污染：不需采用化学制冷剂，不污染环境；(5)结构简单，使用维修方便。第一章绪论1 3 填料型直接蒸发式空气冷却器在空调领域的研究及应用现状在国外，利用填料实现蒸发冷却在空气处理中的应用研究始于二十世纪六十年代。苏联人A A 果果林等在苏联中央空调所进行了蒸发冷却的实验研究。他们对影响蒸发冷却效率的各种因素及填料层中的热质交换规律进行了分析研究，当时他们采用的填料是细松木刨花、亚麻绳、瓷环等自由填充材料及浸有环氧树脂的正弦纸束、蜂窝纸质填料和微孔塑料板哺1。1 9 6 3 年，美国人J R W a t t 出版了蒸发空调一书，书中对蒸发冷却空调系统的设备与应用作了详细地介绍H 1。七十
24、年代，由于世界能源危机和C 0 2 污染造成的“温室效应”，人们开始关注节能技术，使人们看到了蒸发冷却技术出色的节能特点，用它来辅助常规的机械制冷，既可以减少机械制冷负荷，又可利用其加湿。八十年代，填料作为空气处理设备在许多国家都有所应用，这一时期，人们在寻找一种高效价廉的填料。在美国，白杨木纤维填料已有几十年的历史，但它寿命短，只能使用一年，其性能随时间迅速衰退。因此，只有开发阻力低，寿命长，高效可靠的填料，才能使这种空气处理设备更具有优势佟1。1 9 9 0 年以来，蒸发冷却系统成为人们研究的热点，并在一些高温干燥地区的空调系统有所应用，得到了很好的节能效果。填料型直接蒸发冷却器由于具有节
25、能和环保的特点，在广大炎热干燥地区具有广阔的应用前景，已引起国内外空调界的重视。美国、印度和澳大利亚等国在蒸发型空调技术领域已经有比较长的研究和应用历史了，一些空调设备公司相继开发了不同类型的蒸发型空调设备，并在许多工程上投入使用峥1。国内也有许多学者对填料型直接蒸发式空气冷却器的热质交换作了大量的实验与理论研究。天津大学的由世俊教授对金属填料型直接蒸法式空气冷却器进行了研究，提出将填料型蒸发式冷却器结合风冷冷水机组使用，能增加机组的制冷量，减少耗功率，提高能效比，这是一种行之有效的节能措施，在气候炎热干燥地区效果更加显著；还对金属填料表面热质传递进行了理论分析和实验验证，证明了金属填料是一种
26、性能良好的空气热湿处理设备n 0 他1。同济大学的张庆民博士对纸质填料的热湿交换过程进行了研究，得出利用填料除湿优于表冷器除湿的结论n 引。同济大学的陈沛霖教授论述了蒸发冷却技术在我国非干燥地区的实际应用，说明蒸发冷却技术在非干燥地区也有很广阔的应用前景“。哈尔滨建筑大学的马最良教授也探讨了淋水填料应用于卧式组合空调机组的可行性引。西北纺织工学院的黄翔教授等也对各种填料的优缺点和适用性进行了分析论述n 氐1 引。二十世纪8 0 年代以来，上海化工研究所、天津大学、清华大学、浙江工学院等又研究开发了多种金属波纹填料。我们所研究的填料原来应用于化工领域，现将其应用于空气处理设备，是因第一章绪论为其
27、巨大的单位体积表面积和较小的阻力。多年来，人们对其材质、性能和应用方面进行了研究，得出填料型空气处理设备与传统热湿交换设备中喷水室和表面式换热器的优缺点。喷水室的主要优点是能够实现多种空气处理过程、具有一定的空气净化能力、耗金属量少和易加工。它的缺点是对水质要求高、占地面积大、水泵耗能多，调节也不够灵活，对其维护管理要求高且工作量大。另外在相同的淋水温度、淋水量、空气进口干湿球温度和空气流量的情况下，淋水填料处理空气的温降和湿降比双排对喷的喷水室大，而且喷水室的水力系统阻力损失较淋水填料大n 射。表面式换热器具有构造简单、占地少、水质要求不高、水系统阻力小等优点。表面式换热器能够实现空气的加热
28、、冷却和减湿过程，但它不能对空气进行加湿处理，对于空气需要进行加湿处理的场合需另外加设加湿设备。在填料表面可以淋冷冻水、热水、循环水或液体除湿剂，因此填料型空气处理设备可以实现对空气的多种处理过程；水依靠重力在填料表面形成水膜，空气与水接触面积大，而且布水不需要很高的出水压力，从而节省泵功：在气候高温干燥的地区或过渡季节，利用填料实现空气的绝热蒸发冷却，无需制冷能耗的实现空调降温，既有助于提高室内空气品质，又有利于空调系统节能。填料的种类有很多，按不同的分类有不同的名称。按填料的材料分类，有塑料、陶瓷、金属等；按填料的弹性又可分为硬性、半软性、软性等；按填料的装配情况又可分为整装和散堆等；按填
29、料的形状分有拉西环、鲍尔环、阶梯环、矩鞍环、网环等。填料按其中水被淋洒成的冷却表面形式，可分为点滴式、薄膜式、点滴薄膜式三种类型。其中，点滴式淋水填料主要以水滴散热为主，约占总散热量的6 5-一7 0；薄膜式淋水填料以表面水膜散热为主，约占总散热量的7 0 u 引。金属板波纹填料属于薄膜式类型。无论哪种形式，都应满足下列要求：具有较高的冷却能力，即水与空气接触表面积较大，接触时间较长；通风阻力小：材料易的；价廉，施工、维修方便，质轻。液体流动分布是影响填料型空气处理设备的传质传热性能的一个重要因素，由于液体的不均匀分布，导致填料型空气处理设备内部局域区域的汽液比和宏观整体的汽液比有显著差别，使
30、填料型空气处理设备的传热传质效率大大降低。造成填料型空气处理设备内液体分布不均的因素是多方面的。除了布液器、填料安装和气液负荷因素外，填料本身的固有性质如填料结构参数、润湿性能和成膜性对液体的分布也具有较大的影响。金属板波纹填料的最大的优点之一就是具有自分布性能，能得到较为均匀的液体分布啪。实践与理论研究均表明金属板波纹填料的液体分布性能，远优于各种乱堆填料，具有压降低、传质效率高、通量大、滞液量小等优点。本课题采用的是由铝合金薄板轧制的金属孔板斜波纹填料，该填料是把经冲孔，轧制小波纹，再轧制大波纹的铝合金薄板，以十字斜交叉形式组装成填料块。第一章绪论薄片上加沟纹和冲孔可起到分布液体的作用，增
31、强了液体均布和填料的润湿性能，有利于提高传热传质效率。冷冻水淋洒在填料表面上，在填料表面形成双层布膜，水与空气直接接触，通过热质传递实现对空气的除湿冷却的处理过程。1 4 地下水资源在住宅空调中的应用地球是一个巨大的蓄热体，热容量大，具有良好的蓄放热特性，特别适合于作为季节性储能(S e a s o n a lT h e r m a lE n e r g yS t o r a g e)的介质。相对于地球表面的空气和水来说，地下水具有温度低，变化小的特点，与人工制冷相比要经济，有很好的实用价值。地下水的温度变化主要是受气温和地温的影响，尤其是地温。地壳按热力状态从上而下分为变温带、常温带、增温带
32、。变温带的地温受气温的控制呈周期性的昼夜变化和季节变化，随着深度的增加，变化幅度很快变小。常温带的地温常年稳定且一般略高于所在地区的年平均气温l 2，在概略计算时可用所在地区的年平均气温来代表常温带的地温。常温带的深度在低纬度地区为5 1 0 米，中纬度地区为1 0-2 0 米，高纬度地区可达3 0 米左右。我国许多地区地下水资源较丰富，水质良好，并且有地表水和大气降水的补给。在常温带利用地下水资源的情况较多。增温带在常温带以下，地温主要受地球内部热力影响，随着深度的增加而有规律地升高。温度每增加l 所需要的深度(米)称为地热增温级，一般每3 3 米升高l。但由于岩石的导热性、地壳运动和水文地
33、质条件的不同，各地的地热增温级有很大差异。增温带是地热利用的对象1 2 1|。目前地下水在住宅空调中的应用主要有直接利用和水源热泵间接利用两种途径。(1)直接利用地下水空调系统是利用低温地下水作为冷媒水，用深井泵把地下水抽入管路经空气处理机组与被处理空气进行热湿交换，吸收热量后，再用回灌泵回灌到地下，其系统原理图见图1 1。与吸收式制冷系统、压缩式制冷系统相比，地下水空调系统节省了庞大的冷水机组和冷却塔等配套设备，从而减少占地面积与建筑的使用面积，同时简图1-1 直接利用地下水的空调原理图化了结构，给日常的维修保养等带来了极大的好处；再则地下水空调利用天然冷源，避免了氟利昂对环境、生态的影响。
34、但是，这种利用方式只能解决夏季空调第一章绪论问题，没有解决冬季供热问题。地下水空调系统由于受水温和水量的限制，对大型工程不适用，只适合于中小型的系统。对于经济条件有限的炎热地区的用户，该系统有一定的价值。(2)水源热泵水源热泵是一种利用地球表面或浅层水源(如地下水、河流和湖泊)，或者是人工再生水源(工业废水、地热尾水等)的既可供热又可制冷的空调系统。水源热泵技术利用热泵机组实现低品位热能向高品位热能转移，将水体和地层蓄能分别在冬、夏季作为供暖的热源和空调的冷源。即在冬季，把水体和地层中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到水体和地层中去。水源热泵技术为地下
35、水资源的高效利用提供了途径。深井回灌式水源热泵系统是通过建造抽水井群将地下水抽出，通过二次换热或直接送至水源热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。图1 2 为采用板式换热器的水源热泵的系统原理图，夏季运行时，阀门l、2、5、6 打开，3、4、7、8 关闭；冬季运行时，阀门3、4、7、8 打开，l、2、5、6 关闭。图l 一2 采用板式换热器的水源热泵的系统原理图第一章绪论1 5 本课题的研究方法和研究内容通过对大量文献的阅读，尚没有人研究利用地下水的金属填料型直接蒸发式空气冷却器应用于住宅的情况，因此本课题具有一定的意义。由于本课题研究的金属填料型直接蒸发式空气冷却器主要应用于
36、北方农村地区，其所需的地下水流量较小，为避免回灌的地下水污染问题，回水主要用于生产用水而不回灌，其系统原理图见图1 3。图卜3 金属填料型直接蒸发式空气冷却器应用于住宅的系统原理图本课题首先对金属填料型直接蒸发式空气冷却器进行了热质交换性能的实验，然后对实验数据进行处理，得到了入口空气状态、空气质量流速、淋水温度、淋水密度等对填料热质交换的影响，回归出对流换热系数的经验公式，为其在空气处理设备的开发研究提供研究方法和设计依据。然后分别建立了天津地区和郑州地区典型房间的物理模型，计算其夏季冷负荷，并对金属填料型直接蒸发式空气冷却器进行选型计算。借助于A 卸a l(软件，在夏季最不利工况下，对模型
37、房间内温度场、速度场和热舒适性进行模拟分析。本课题的研究方法和研究内容包括：1 在国内外相关资料的基础上，建立金属填料内部的热质交换过程的数学模型。2 设计、制作金属填料型直接蒸发式空气冷却器的实验装置，对金属填料型直接蒸发式空气冷却器进行夏季工况下的热质交换性能实验。3 处理实验数据，回归出对流换热系数的经验公式，为理论计算提供必要的资料，分析各因素对金属填料型直接蒸发式空气冷却器内热质交换的影响。第一章绪论4 建立不同地区农村典型建筑物的物理模型，计算其夏季冷负荷及空调送风量，并对金属填料型直接蒸发式空气冷却器进行选型计算。5。借助于A 卸a l【软件，在夏季最不利工况下，对不同地区模型房
38、间内温度场、速度场和热舒适性进行模拟分析。第二章金属填料型直接蒸发式空气冷却器的实验测试第二章金属填料型直接蒸发式空气冷却器的实验测试实验数据是理论和工程研究的第一手资料，也是传热传质学研究不可或缺的方法和手段。为了回归得到金属填料的对流换热系数的经验公式，在不同工况下进行金属填料型直接蒸发式空气冷却器的实验研究并积累一定数量的实验数据是必不可少的手段。2 1 实验测试的目的与方法2 1 1 实验测试的目的由于传热传质的过程是极其复杂的，尽管许多学者先后建立了含湿量差、分压力差及焓差为驱动力的理论【2 2 1，也有借助一些积函数量和显著参变量来建立和描述传热传质设备的热力特性【2 3】：但是理
39、论分析和计算总是建立在某种可分析的模型和许多假设前提条件下进行的。金属填料表面的传热传质研究的实验方法很重要，因为计算或者建模中所采用的物理与数学模型需要通过对研究的对象做必要的观测与观察才能建立。数值计算所需的流体物理特性需要通过实验来获得。因此，本课题实验研究的目的是为理论研究提供对流换热系数的经验公式。通过对实验数据进行分析处理，得到金属填料的进口空气状态、进口水温、进口空气和淋水密度等因素对出口空气状态及阻力的影响，给出它们之间的关系式，以利于工程应用和新产品开发。2 1 2 实验测试的方法通过对金属填料型直接蒸发式空气冷却器进行夏季工况下的热质交换性能实验，可以得到各个因素对金属填料
40、的对流换热系数、出口空气的焓值和含湿量以及水的出口温度影响。在前入对冷却塔中的填料的热力特性的分析的基础上【2 4,2 5 ，结合金属填料淋水实验的实际情况，可以得出：金属填料入口空气的干球温度、含湿量、空气的质量流速、淋水密度和入口水温对金属填料的出口空气含湿量、干球温度、出口水温有影响。在本实验中改变其中一个变量，其他变量固定不变，以便得到各个因素之间的相互关系。第二章金属填料型直接蒸发式空气冷却器的实验测试2 2 实验设计2 2 1 实验系统周2-l 为金属填料照片，图2-2 为布水器开孔照片，图2-3 为金属填料型直接蒸发式空气冷却器实验系统示意图。实验系统的各个组成部分及其功能说明如
41、下：圈2 1 金属填料照片一霹：誊。l l=|斓霾_图2-2 布水器开孔照片第二章金属填料型直接蒸发式空气冷却器的实验测试l 干球、湿球温度计2 金属填料3 布水器4 集水盘5 水银温度计6 球阀7 静压取压孔8 帆布接头9 风机1 0 插板阀1 1 电加热器1 2 超声波加湿器图2 3 金属填料型空气冷却器实验系统示意图(1)水系统水系统由供水管、布水器、集水盘、调节阀、排水管等组成。本实验水温度变化范围为9。C 1 5，对于每一个淋水温度下进行实验时水温波动范围为0 4。C。水流量的改变是依靠调节供水管上的球阀。为了使得金属孔板波纹填料内冷水的分布更加均匀，有利于金属孔板波纹填料内的空气与
42、水的热湿交换，本次实验的布水器是采用机器在厚度为5 m m 的塑料板上均匀打孔，孔径为2 m m，孔距为2 0 m m。为了减少系统的冷热损失，布水器、集水盘以及金属填料外的箱体均采用的是5 m m 厚的聚氯乙烯塑料板。在布水器的进口和集水盘出口用玻璃棒水银温度计来测量填料冷水供回水温度。用秒表和电子称称重来测量冷水的流量。(2)风系统风系统由空气预处理段、填料段组成。实验所需空气首先流入空气预处理段。在空气预处理段，通过调节3 k W 的电加热器的加热量来改变入口空气的干球温度，通过调节超声波加湿器的加湿器量来改变入口空气的含湿量，将入口空气预处理到夏季各种工况下的参数。然后空气流入填料段，
43、与冷水在填料内部进行热质交换。填料前后设有静压差测量点和温湿度测量点，测量空气流过填料的静压损失和进出口的干、湿球温度。在风机进口设置插板阀来调节风量，由热式风速计测量填料出口的风速。为了防第二章金属填料型直接蒸发式空气冷却器的实验测试止金属填料和箱体之间存在缝隙，使得部分空气未经处理就通过填料段，因此在金属填料与箱体之间采用玻璃胶密封。(3)测量系统实验中需要测量的物理量主要有：空气流经填料前后的干球温度、湿球温度、空气流量、冷冻水流经填料的入口温度和出口温度、冷冻水量以及填料两侧空气的压力差。用干、湿球水银温度计来测量空气流经填料前的干球温度、湿球温度，由于填料出风侧空气的干球、湿球温度沿
44、填料的宽度方向分布比较均匀，而在高度方向有温度梯度，因此在填料出口的高度方向上布置四个干球温度的测点和两个湿球温度的测点。用热式风速仪来测量出口空气的干球温度、风速，热式风速仪的型号为K A 2 2，量程为0 5 m s，精度为2；用最小分度值0 1 度的玻璃棒水银温度计来测量出口空气的湿球温度；用电子微压计来测量空气经过填料前后的压力差，微压级的型号为A D M 8 6 0 C，测量上限为6 K P a，精度为2；用最小分度值0 1 度的玻璃棒水银温度计来测量填料冷水供回水温度：用精度为0 0 1 s 的秒表和精度为5 9、量程为1 5 k g 的电子称称重来测量冷水的流量。风量是通过热式风
45、速仪读取在金属填料出口断面上所均匀布置的九个测点的风速，再根据风速乘以横截面积计算得出。2 2 2 金属填料的选择以及入口空气和水的参数的取值范围空调机中常用的填料有有机填料、无机填料、天然植物纤维填料、金属填料以及无纺布填料，这几种填料在热工性能、防腐性能、防火性能以及物理性能等方面各有所长。金属填料的防腐性能、防火性能以及物理性能都很好，热工性能较好。结合国内外的研究成果，又研究了有关厂家相关的产品样本，本次实验决定采用天津大学北洋填料厂生产的铝质金属孔板波纹填料。这种填料是瑞士寿尔素公司在7 0 年代后期开发成功的一种新型规整填料，目前在石油化工领域应用颇为广泛，具有效率高，耐腐蚀等优点
46、。整个填料由许多金属薄片组成，金属薄片上车L N d,波纹，再轧制大波纹，然后十字交叉组装成块。薄片上冲有小孔，可以粗分配薄片上的液体，加强横向混合。薄片上加沟纹起到细分配液体的作用，增强了液体的分布均匀性和填料的润湿性能，提高了传热传质效率。金属填料的几何特征和比表面积对金属填料型直接蒸发式空气冷却器的空气处理效果也有很大的影响，根据前人所做的研究陋6 1，比表面积为3 5 0 m 2 m 3 铝合金填料的空气侧阻力较小，但是它的传热传质性能略显不足。而比表面积为7 0 0 m 2 m 3 的铝合金填料，虽然传热传质性能很好，但是，它的空气侧阻力让人不能接受。相比较之下，比表面积为5 0 0
47、 m 2 m 3 的铝合金填料显示出在空调机组第二章金属填料型直接蒸发式空气冷却器的实验测试中应用具有更大的优势，因此本课题选用比表面积为5 0 0 m 2 m 3 的铝合金填料。当空气与水的流量一定时，沿空气流动的方向填料的长度加大时，金属填料的传质系数会增大，但是空气阻力会增加。根据文献 2 6 中的实验研究，对于比表面积为5 0 0m 2 m 3 的填料而言，当进口空气干、湿球温度为2 7 1 9 5，淋水温度为7 时，沿空气流动的方向填料的长度从4 0 0 m m 增加到5 0 0 m m 时，空气与水的传热传质驱动力已变得很小，如果再增加填料的长度，对于空气与水的传热传质来说，是没有
48、意义的，仅仅增加了空气的流动阻力。当空气与水的流量一定时，金属填料高度加大时，金属填料的传质系数会增大，但金属填料的高度过大时，会造成冷冻水的供回水温差过大，金属填料下部空气与水的传热传质效果很差，出风断面下部出风温度过高，断面温度梯度太大，所以在本次实验中选用的金属填料为：4 2 0 x 4 0 0 x 4 0 0。本次实验的目的是模拟夏季空气状态，研究金属填料型直接蒸发式空气冷却器在夏季工况下的热力特性。根据水与空气的热质交换原理可知，进口空气干湿球的温差越大，热质交换的推动力也越大。所以空气的入口干球温度取值范围为：2 5 3 0，空气入口湿球温度取值范围为：1 9 2 4。该金属填料型
49、直接蒸发式空气冷却器所应用于北方农村地区，因此在保证出风参数的情况下，希望设备的运行费用少，即水泵和风机的能耗降低，因此本次实验是在空气流量、水流量较小的情况下研究金属填料型直接蒸发式空气冷却器的热力特性，这与应用于空调机组的参数不同。当风速过大时，则会导致空气与水之间的接触时间缩短，同时空气阻力急剧升高，风机能耗增大，甚至会出现空气带水飞出填料的现象，所以金属填料的迎面风速不宜太大。空气质量流速取值范围为：0 5 k g(m 2 S)1 8 k g(m k s)。在薄膜填料中，淋水密度超过一定值后，水膜就会失去稳定，形成波动，波幅数倍于水膜厚度，甚至成雨状下落，使气流阻力急剧增加，而且会有空
50、气带水现象，所以薄膜填料的淋水密度不能太大。淋水的流量取为：0 1 5 k g(m 乙s)-0 6 k g(皿2 s)。由于是研究运用地下水的金属填料型直接蒸发式空气冷却器，对地下水来说，水温受地质、气温等多种因素的影响，所以水温不能太低，其取值范围为9 C 1 5。2 3 实验结果分析2 3 1 实验数据处理方法通过实验，得到大量的实验数据，附录给出了部分实验结果。本文需要对这些实验数据进行处理，分析这些数据之间的相互关系，得到金属填料的性能第二章金属填料型直接蒸发式空气冷却器的实验测试关系式。本实验中有多个变量，这些变量之间存在某种关系，但又不存在确定性关系，这些变量之间的关系成为相关关系