几种典型防冻液流体的流动换热特性

结合蒸发器内对流传热特征、系统低温运行工况等多种因素,确定了适用于防冻溶液流体在蒸发器换热铜管内对流传热系数的计算关联式(6-7)。下面就针对乙二醇水溶液、丙三醇水溶液和水三种流体,其中前两种为常用的、典型的有机物类防冻溶液,根据其对应浓度、温度下的物性参数计算其相应状态下的对流传热系数,并将计算结果与以水作为计算流体的结果进行对比,以确定在低温工况下、加入防冻液等多方面因素下,蒸发器内部换热效率的衰减程度。

(1)防冻溶液物性参数的确定。

常温常压下,饱和水的热物性参数很容易查到,但是乙二醇水溶液以及丙三醇水溶液在不同浓度、不同温度下对应的热物性参数没有现成的数据可以查用。通过利用Aspen hysys软件对不同物质的物性计算功能,采用PR方程,对所需的工作压力、工作温度、溶液浓度等进行定值后,便得到相应的热物性参数,如表6-5,表6-6,表6-7所示。

表6-5　水的热物性参数

表6-6　20%浓度乙二醇的热物性参数

表6-7　30%浓度丙三醇的热物性参数

(2)对流传热系数计算。

①当计算流体为水时。

当计算流体为以0℃的水时,针对某一蒸发器换热铜管,管径d＝0.016m,管长l＝3.2m,根据换热器提供的设计数据可知,蒸发器内管内换热理想流速u＝2.5m/s,以0℃时水为例,其Pr＝13.67,ν＝1.789×10－6m2/s,λ＝55.1×10－2W/(m·K),经计算可得其Re＝22359,l/d＝200≥60,流体处于湍流旺盛区。进一步将公式(6-13)化为以h为计算结果的公式可得公式(6-15),

将Δ＝0.01mm,Re＝22359代入公式(6-10),可得f＝0.027。将数据代入公式(6-15),可得h＝7511W/(m2·K)。

根据表6-5中水溶液在0～10℃的物性参数,可知不同温度下的水在蒸发器铜管内的对流传热系数,如图6-6所示。

图6-6　水对流传热系数与水温的关系

②当计算流体为20%浓度乙二醇溶液时。

在蒸发温度为－5℃时,为保证系统运行安全,往往要求防冻液的凝固点在－10℃以下,20%浓度乙二醇溶液凝固点为－8.9℃,30%浓度丙三醇溶液凝固点为－9.6℃,均适用于当前工况,且可要求最低蒸发温度可达－8～－10℃,瞬时蒸发温度最低可达－12℃。

查表6-6时,可知0℃时20%浓度乙二醇溶液对应的物性参数为Pr＝24.34,ν＝2.947×10－6m2/s,λ＝0.468×10－2W/(m·K),同样的流速及管径下,可得其Re＝13575,此时该流体流动处于湍流旺盛区。

在－5℃时,20%浓度乙二醇溶液的Prw＝29.82,Prf＝24.34,代入公式(6-7a),Prf/Prw＝0.82处于适用范围之内,ct＝0.998,由Re＝13575,代入公式(6-10)可得,f＝0.03。将上述所得数据代入公式(6-15)可得,h＝5130W/(m2·K)。

根据表6-6中20%浓度乙二醇溶液在5～－10℃的物性参数,可知不同温度下的乙二醇溶液在蒸发器铜管的对流传热系数,如图6-7所示。

③当计算流体为30%浓度丙三醇溶液时。

查表6-7时,可知0℃时30%浓度丙三醇溶液对应的物性参数为Pr＝31.01,ν＝3.816×10－6m2/s,λ＝0.4743×10－2W/(m·K),同样的流速及管径下,可得其Re＝10482,此时该流体流动处于旺盛湍流区。

图6-7　乙二醇溶液对流传热系数与溶液温度的关系

在－5℃时20%浓度丙三醇溶液的Prw＝34.29,Prf＝31.01,代入公式(6-7a),Prf/Prw＝0.9处于适用范围之内,ct＝0.998;由Re＝10482,代入公式(6-10)可得,f＝0.032。将上述所得数据代入公式(6-15)可得,h＝4413W/(m2·K)。

根据表6-7中30%浓度丙三醇溶液在5～－10℃的物性参数,可知不同温度下的丙三醇溶液在蒸发器铜管的对流传热系数,如图6-8所示。

图6-8　丙三醇溶液对流传热系数与溶液温度的关系

从图6-6,图6-7,图6-8中可以看出,在溶液浓度恒定的情况下,随着溶液温度的上升,其管内对流传热系数是持续上升的。对于水来说,当水温每上升1℃,其对流传热系数增幅1.8%～2.1%;对于20%浓度的乙二醇溶液来说,当溶液温度每上升1℃,其对流传热系数增幅2.4%～2.6%;对于30%浓度的丙三醇溶液来说,当溶液温度每上升1℃,其对流传热系数增幅1.2%～1.4%。

(3)复合传热系数的计算。

铜管的内径为di＝16mm,do＝18.4mm,导热系数为λ＝398W/(m·K),管外蒸发传热系数取ho＝10000W/(m2·K),当管内流体为水时,管内对流传热系数为hi＝7511W/(m2·K),根据公式(6-14),将上述数据代入可得,k＝3991W/(m2·K)。

结合表6-5,表6-6,表6-7中的数据,根据公式(6-14),可以得出不同温度下以水、20%浓度的乙二醇溶液以及30%浓度的丙三醇溶液为换热流体在蒸发器铜管的复合传热系数,见图6-9,图6-10,图6-11。

图6-9　以水为换热流体在蒸发器铜管内复合传热系数与水温的关系

图6-10　乙二醇溶液在蒸发器铜管内复合传热系数与溶液温度的关系

图6-11　丙三醇溶液在蒸发器铜管内复合传热系数与溶液温度的关系

根据上述计算结果,将三种溶液在管内的对流传热系数及复合传热系数进行整理可得图6-12,图6-13。

图6-12　三种液体对流传热系数与溶液温度的关系

图6-13　三种液体在蒸发器铜管内复合传热系数与液体温度的关系

根据图6-12,图6-13可得,当选用30%浓度丙三醇溶液为防冻溶液时,与水相比,蒸发器复合传热系数衰减24%～26%;当选用20%乙二醇溶液为防冻溶液时,与水相比,蒸发器复合传热系数衰减14%～16%。尽管加入防冻液后,蒸发器换热效果的衰减趋势与工程实际相符,但衰减程度可能会相对较小。由于蒸发器内铜管为外翅片、内螺纹,这样蒸发器管内外传热系数均有一定幅度的上升,且更有益于防冻溶液传热系数的提升。

以水的对流传热系数及复合传热系数为1,则20%乙二醇溶液与30%丙三醇溶液传热特性可见表6-8。

表6-8　三种溶液传热性能对比

由表6-8可以看出,尽管丙三醇溶液对流传热系数较低,但与乙二醇溶液相比,衰减幅度约为12%,差距并不是很大。