乙二醇水溶液用于闭式冷却系统防冻的传热性能研究

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乙二醇水溶液浓度／％
１
前言
在闭式水冷却系统中，循环冷却水先从工业设
由于比热变化影响其携热能力，导致工业设备的散 热器以及空冷器或者闭式冷却塔的传热系数降低。 目前，乙二醇水溶液在闭式冷却塔中的传热性能变 化规律尚未见报道。本文将研究不同环境湿球温度 下不同浓度的乙二醇水溶液在闭式冷却塔中作循环 工质对换热的影响。文献［４］在研究循环工质物性 对地源热泵性能影响时引入了循环工质换热衰减系 数的概念，定义为添加防冻剂后循环工质对流换热 系数与未添加防冻剂时循环工质对流换热系数的比 值，并以图表的形式说明了不同温度和不同浓度的 丙烯乙二醇换热衰减系数的变化趋势，为本文研究 提供了借鉴。
（３）
３不同浓度的乙二醇水溶液对闭塔全 年运行工况下热性能的影响
闭式冷却系统在实际应用中，负荷及环境温湿 度是影响闭塔的散热温差（循环工质的进出口温度 差）、传热温差（在管的横截面上循环工质与喷淋水 的温度差）、工质冷幅（循环工质的出口温度与环境 湿球温度之差）、淋水冷幅（喷淋水最低温度与与环 境湿球温度之差，在全盘管闭塔中，即喷淋水池均温 与环境湿球温度之差）的主要因素。 对环境温湿度，按北京地区有代表性的月均值 考察（大气压按９９．４ｋＰａ计），见表１。
数可由下式表示怕ｏ：
这些特性，故它是防冻剂的最佳选择ｐ１。但加入乙 二醇配成防冻液后，循环工质的物性参数发生了变 化，不仅影响其与换热器内壁的对流换热系数，而且
收稿日期：２０１３－０２—１５ 本文作者还有刘跃，陈永保和李瑞雄。
去＝壶（宝）＋ｒ；（鲁）＋暑（老）＋ｒｏ＋ｉ１
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由于在闭塔中，循环工质平均温度和管的内壁
乙二醇水溶液用于闭式冷却系统防冻的传热性能研究
２０１３年３月
乙二醇水溶液用于闭式冷却系统防冻的传热性能研究
章立新１，沈艳２，刘婧楠１，邹艳芳１’２
（１．上海理工大学能源与动力工程学院，上海 ２０００９３；２．上海同驰换热设备科技有限公司，上海 ２００４３３）
摘要：闭式水冷却系统在冬季常换用乙二醇水溶液作为防冻的循环工质，由于物性变化，其携热能力和对流换热系数比 水都有所下降。本文基于闭塔设计理论，研究了不同浓度的乙二醇水溶液作为闭式冷却塔循环工质在不同季节中对换热的综 合影响，提出了采用大管径薄壁管和加大循环工质流量及增加相应通风量等应对方法，并揭示了其在不同运行模式下的变化 规律。 关键词：闭式冷却塔；乙二醇水溶液；传热系数 中图分类号：ＴＢ３３２；ＴＢ６５７．５；ＴＵ９９１．４２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—０９９９（２０１３）０２—００９０一０４
对式（１）进行整理，得如下形式：
去＝（壶＋ｒ；）（ｔ＋毒）＋击（６＋或ｍ（－＋毒）＋ｒｏ＋ｉ１
（４）
％＝０．０２３Ａ２Ｐｒ０‘３胜。８／或
（２）
当管内乙二醇水溶液的浓度变化时，若要减小 乙二醇水溶液浓度的变化对闭塔换热性能的影响， 应尽可能的减小式（４）中第一项所占的比重，则可 选择较大管径的薄壁管。Leabharlann 一多琨式‘ｓ０㈠图ｌ
乙二醇水溶液浓度与流量增加系数的关系
ｎｅ
Ｒｅｌａｔｉｏｍｈｉｐ ｏｆ Ｇｌｙｃｏｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ
ａｎｄ Ｆｌｏｗ Ｒａｔｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ’ｓ Ｉｎｃｒｅａｓｅ
万方数据
乙二醇水溶液用于闭式冷却系统防冻的传热性能研究
２０１３年３月
质时，定性温度同样会随环境条件的变化而变化。 针对以上两种模式和五个工况，用一个１００水 吨的标准型闭塔，在９９．４ｋＰａ的大气压、３１．５℃的干 球温度、２８℃的湿球温度之环境条件下，能够满足将 １００ｍ３／ｈ的水从３７℃冷却到３２℃，或者将１６０ｍ３／ｈ 的水从５０℃冷却到４０℃。该标准型闭塔的塔长 ５．２ｍ，塔宽２．６ｍ；双风机，总风量为１１２３２３ｍ３／ｈ；喷
式中，Ｐｒ为循环工质普朗特数；Ｒｅ为循环工质 雷诺数；ｏｔｏ为管外喷淋水与管外表面之间的对流换 热系数，（Ｗ／ｍ２・℃）；ｒ；，ｒｏ分别为管内、外壁上的污 垢热阻，（ｍ２・＂Ｃ／Ｗ）；Ａ。为传热管材热导率，（Ｗ／ｍ ・℃）；Ａ：为循环工质的导热系数，（Ｗ／ｍ・℃）；６为 管壁厚，（ｍ）；吐，ｄｏ分别为管的内、外径，（ｍ）；ｄ。为 传热管的对数平均，（ｍ）。 ｄ。＝（ｃｆ０一ｄｉ）／ｌｌｌ（ｄｏ／ｄｉ）
２
备的散热器中吸热，然后在空冷器或者闭式冷却塔 中向环境放热。当系统正常运行时，由于循环水携 带大量的热量，即使在冰雪天，也是不会结冰的，但 不连续运行时就可能因结冰损坏设备，所以冬季常 换用防冻液作为循环工质。 选择防冻液必须考虑如下几种特性：可燃可爆 性、有无毒性、腐蚀性、导热性、粘性、成本、使用寿 命。具体选取哪种防冻液主要根据系统的工作温 度、防冻液的物理化学性质、传热特性等多个方面进 行经济技术比较…。现在常用的防冻液都是在水中 加入添加剂，使得溶液的凝固点降低，常用的添加剂 有以下几类：氯化钠、氯化钙、乙醇、乙二醇、甲醇、醋 酸钠、碳酸钾等。文献［２］给出了将不同剂量的添 加剂加入水中配成凝固点为一１０℃的各防冻液的特 性，从中可以看出，盐类的添加剂对金属有腐蚀性， 醇类的防冻液也对钢铁类和镀锌材料有一定腐蚀， 但乙二醇只对镀锌材料有腐蚀。闭式冷却塔的盘管 多为铜管或不锈钢管，若使用防冻液，从防腐蚀的角 度来看，乙二醇是最合适的防冻液。乙二醇是一种 无色透明稍有甜昧和有吸湿性的粘稠液体，能以任 何比例与水混合，它的纯水溶液最低冰点可达到一
从图２、图３中可以看出：乙二醇水溶液浓度越 高，所需的风量越大；风量随湿球温度的降低可以减 少；湿球温度越高，乙二醇水溶液浓度对所需风量的 变化越敏感。 对模式二，循环工质流量和进Ｅｌ温度始终保持 不变，冷却塔按设计的风量和淋水量运行，且塔的换 热面积也不会变。当环境条件变化和循环工质变化 时，由于传热温差和散热量变化的不一致性，传热系 数会变，所以主要考察其传热系数的变化规律。 图４是模式二中在不同乙二醇水溶液浓度下闭 塔传热系数随湿球温度的变化关系。定义添加乙二 醇后传热系数与未添加乙二醇时传热系数的比值为 传热衰减系数，由于图４中各曲线近乎平行，湿球温 度对传热衰减系数的影响不大，所以图５反映了模 式二中闭塔传热衰减系数随乙二醇水溶液浓度的变
２
文中计算所用的环境温湿度
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１’ｎ七ＢＩｖｉ功珊酬Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
工况 一 二
三
四
五
下面分两种运行模式讨论： 模式一：这种情况多存在于工业过程中，工艺上 要求主设备散热器在恒温下工作，散热量也恒定，不 受环境影响，如闭塔的进水温度恒为５０℃、出水温 度恒为４０％，循环水量恒为１６０ｍ３／ｈ。对这类情况， 为达到设计的冷却能力，当改用乙二醇水溶液作为 循环工质时，就要按４５℃的定性温度在设计水流量 的基础上乘以相应的流量增加系数。环境条件改变 时，靠调节闭塔的风量以满足上述要求，同时达到节 省风机电能的效果。 模式二：这种情况存在于塔的热性能测试。以 作为标称的空调工况，设计的循环水量为１００ｍ３／ｈ， 闭塔的进水温度为３７℃且不变，设计工况下的出塔 水温为３２℃。当环境条件改变时，循环水量和闭塔 的风量都保持不变，此时不仅散热温差会变化，而且 散热量也会变化。如改用乙二醇水溶液作为循环工
基金项目：科技部中小企业创新基金重点项目（１０Ｃ２６２１３３０４１８９）和上海市大学生创新基金（ＳＨｌｌｌ０２５２００５） 作者简介：章立新（１９６４一），男，副教授，主要从事闭式冷却塔研究、热力系统优化、热物理光测技术研究。
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万方数据
２０１３年第２期
玻璃钢／复合材料
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温度相差不大，传热管又都较长，且直管远多于弯 管，所以温度修正系数、短管修正系数、弯管修正系 数都可取１，故在闭塔运行参数范围内，循环工质与 管内壁面之间的对流换热系数哦（Ｗ／ｍ２・℃）：
６６℃，小白鼠口服致死量约为８．５９，鉴于乙二醇的
乙二醇水溶液与闭塔传热系数间的 内在联系
闭式冷却塔实质上是一种蒸发冷却器，其换热
机理主要为管外喷淋水蒸发吸热带走管内循环工质 的热量，并最终释放给空气。闭式冷却塔的换热过 程主要可分为两个阶段：一是从管内循环工质到管 外喷淋水膜的传热过程，包括管内循环工质与管内 壁的对流换热、管壁和污垢的热传导、管外壁和喷淋 水的对流换热；二是喷淋水膜与受迫对流空气间的 显热传递和由质扩散带动的潜热传递。以管外表面 积为基准，从管内循环工质直至喷淋水的总传热系
表１
Ｔａｂｌｅ
由以上可知，对于一既定的塔型，塔的结构参数 是固定不变的，往盘管内充入乙二醇水溶液时，其浓 度和温度决定了物性值，ａｉ随之变化，从而影响岛 的值。若要使得闭式冷却塔的换热性能不变，即Ｋ 不变，则要保证乙二醇水溶液的ａ；不变。由式（２） 可知，当循环工质在闭塔中的定性温度相同时，可通 过调整循环工质雷诺数即调整循环工质流量来保证 不同浓度的乙二醇水溶液的ａ；不变。因此，对某一 确定的闭塔，在ａｉ相同的条件下，定义某浓度乙二 醇水溶液与相同定性温度的纯水的流量比为流量增 加系数。图１反映了在乙二醇水溶液进出口平均温 度（定性温度）为０℃、２０℃、５０℃时，乙二醇水溶液 浓度与流量增加系数的关系。由图中可知，相同温 度下，浓度越大，所需要的管内流速越大，则流量增 加系数也越大；相同浓度下，温度越低，流量增加系 数也越大。需要注意的是，不能一味地增加管内流 速，管内流速一般控制在经济流速范围内，否则流速 过高，会导致阻力太大。
淋水量为１５０ｍ３／ｈ；采用直径为１９ 、壁厚为．