Process engineering experimental determination of heat and mass transfer coefficients in thermoformed PVC evaporative media

技术摘要：热成型 PVC 蒸发介质中传热与传质系数的工艺工程实验测定

问题陈述
直接蒸发冷却（DEC）技术因其高能效和使用水作为工作介质而得到广泛认可。然而，现有文献中确定的若干关键空白阻碍了 DEC 系统工程设计的发展。一个主要问题是，广泛存在的假设认为蒸发冷却中的传热速率与传质速率相等，即暗示刘易斯数（Lewis factor, $N_{Le}$）为 1。以往的研究表明，这一假设与实验结果之间存在显著差异，取决于湿度和流动条件，刘易斯数在 0.6 到 1.3 之间变化。此外，目前缺乏专门针对热成型 PVC 介质评估传热与传质系数的可靠、精确的相关式，也缺乏将这些系数与空气线性速度联系起来的简化且精确的数学方程。本文旨在通过实验确定这些系数并建立一种可靠的设计方法论，以填补这些空白。

研究方法
本研究采用了一个实验装置，该装置配备了一个直接蒸发冷却单元，包含四个抽风机和两个能够容纳厚度达 40 cm 的热成型 PVC 蒸发介质测试段。研究使用了三种类型的薄膜填充介质（Onda 12、19 和 27），其比表面积分别为 248、152 和 120 $m^2/m^3$。

实验过程覆盖了广泛的运行参数：

• 空气体积流量： 4,000 至 16,000 $Nm^3/h$（对应于 0.79–3.16 $kg/m^2\cdot s$ 的正面空气流速）。
• 喷水速率： 2.39–9.58 $kg/m^2\cdot s$。
• 热力条件： 入口干球温度范围为 35°C 至 43°C，湿球温度为 17°C 至 25.5°C。

测量使用 E 型热电偶进行干球和湿球温度测量，使用热线风速计测量空气速度，并使用温湿度计测量湿度。数据每分钟自动记录一次。实验数据通过基于同步热量与质量平衡方程的数学建模进行分析。本研究利用统计回归将实验数据与理论模型进行关联，特别研究了努塞尔数（Nusselt number, $Nu$）与谢伍德数（Sherwood number, $Sh$）之间的关系。

主要贡献与结果
研究得出了以下具体的工程技术发现与贡献：

1. 不相等的传递速率： 实验数据证实传热速率与传质速率并不相等（$N_{Le} \neq 1$）。研究表明，传热系数和传质系数均与正面空气速度及填料模块比表面积成正比，并与填料模块厚度成反比。
2. 新无量纲数（$N_{Sb}$）： 为了解释刘易斯数偏离 1 的现象，作者引入了一个新的热流体动力学无量纲数——Shaaban 数（$N_{Sb}$），定义为努塞尔数与谢伍德数的比值（$N_{Sb} = Nu/Sh$）。该数将对流传热与传质速率与其导热（扩散）对应项联系起来。
3. 经验相关式： 研究推导出了传热系数（$h_{ch}$）和传质系数（$k_{cdm}$）作为空气正面速度（$V_{ma}$）函数的精确数学表达式，遵循关系式 $Coefficient \propto V_{ma}^{0.8}$。
4. 设计方程： 建立了冷却效率（$\varepsilon$）与传质单元数（NTU）之间的通用关系。本文提供了基于 NTU 预测效率的对数方程和六阶多项式方程，为 DEC 单元的尺寸设计提供了比以往方法更可靠的基础。
5. 参数敏感性：
   • 填料厚度： 增加厚度可提高效率，但超过 0.4 m 后收益变得不切实际。
   • 空气速度： 较低的正面空气速度会导致更高的冷却效率和更大的降温幅度。
   • 温度： 较高的入口干球和湿球温度通常会导致较高的传热与传质系数，尽管其对整体效率的影响随速度而异。

意义与主张
本文声称提供了一种“可靠的工程设计方法论”，用于设计直接蒸发冷却器。通过摒弃刘易斯系数等于 1 的假设，所提出的相关式以及 Shaaban 数（$N_{Sb}$）的引入，为空气-水界面发生的物理过程提供了更准确的描述。

作者断言，利用这些推导出的方程可以精确确定 DEC 单元的尺寸，同时考虑体积空气流量和介质的比表面积。研究结论指出，将这些优化设计应用于大规模应用（例如容量为 1075 Rt 的“绿色 DEC 农场”）可以显著降低能耗和二氧化碳排放量（据估计，每年可减少来自煤电厂的 22,800 公吨和来自天然气电厂的 9,500 公吨），从而有助于缓解全球变暖。该工作强调，所开发的关联式经过了实验验证，为蒸发冷却领域的工艺工程奠定了坚实基础。