石墨烯叉流空冷器的制作方法

本发明涉及逆流式冷却塔的技术领域，特别是涉及一种石墨烯叉流空冷器。

背景技术：

众所周知，北方寒冷地区，机械通风冷却塔在冬季运行时，出塔的湿热饱和空气与塔外冷空气混合，由于冷却和凝缩形成含有大量细小液粒群的雾团，传统的机械通风冷却塔在运行过程中，冷空气在冷却塔内部与水换热后生成了接近饱和的湿热空气，湿热空气出塔后与冷空气混合，冷却、凝缩成含有许多微小液滴的雾团，造成水的蒸发损失，同时，由于机械通风冷却塔的高度较低，雾团的飘散会影响周边居民区生活及道路交通安全，冷却塔周围道路湿滑，影响工作人员的正常巡检。随着国家对水资源及环保的日益重视，机械通风冷却塔节水、消雾变得越来越重要了，近年来，各类冷却塔的消雾技术逐渐被各冷却塔公司使用到工程当中，冷却塔消雾主要有以下几种方法：

1、向冷却塔内引入足量的环境空气，与出填料的湿热空气混合；

2、加热出填料的湿热空气；

3、向冷却塔内引入一定量的环境空气，并经过加热后与填料出口的湿热空气混合；

4、向冷却塔内引入一定量的环境空气，通过间壁式换热器与出填料的湿热换热后，再与湿热空气混合。

这四种消雾方法中，第1、2种方法实施较为简单，但消雾效果不够理想；第3种方式消雾效果较为理想，也是目前使用较多的一种消雾方式，但该方法投资较高，对塔基础的承载力增加较大。第四种消雾方式投资相对较低、塔基础的承载力增加较少，安装设计合理间壁式换热器则能获得理想的消雾、节水效果，但间壁式换热器的设计难度较高，目前市场使用较少，且消雾、节水效果也不够理想。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供一种具有良好的消雾、节水效果，导热快、热交换效率高、耐腐蚀、重量轻、使用寿命长的石墨烯叉流空冷器。

(二)技术方案

叉流板式空冷器中冷、热流体之间的换热一般都是通过流体的对流换热和导热来完成的，对流和导热是叉流板式换热器传热的基本方式，传热过程如图5。

叉流换热的理论研究：

均质平壁稳定传热符合傅立叶热传导定律，即通过垂直于热传导流方向面积的热量与该面的温度梯度成正比关系，热流方向与梯度方向相反。

式中：dqn——传热量，w

λ——导热系数，w/(m.℃)

da——热流通过的面积，m²

dt/dn——稳定梯度，℃/m

如图6所示的均质平壁传热，导热系数为常数，依据式(1-1)我们可以获得下式：

温度沿平壁呈线性变化，由(1-2)可求得平壁是热流量为：

式中：r——称为热阻。

平板对流换热：

固体与流体之间的热交换为对流换热，对流换热是流体内的分子导热与流体运动所引起的热量传输的综合结果，对流换热分为自由对流换热和强制对流换热，强制对流换热是采用强制措施使流体流动形成的与固体的换热过程，叉流板式热器的换热为强制对流换热过程，对流换热量的计算公式可以采用牛顿冷却定律：

q＝αa(t-tf)(1-4)

式中：q——对流换热量，w

a——对流换热系数，w/(m².℃)

a——固体与流体的换热面积，m²

t——固体接触流体的表面温度，℃

tf——流体的温度，℃

对流换热量的大小除与固体与流体接触表面积和流体与固体表面温度差有关外，还与流体的对流换热系数有关，对流换热系数与流体的流态是分不开的。

流体以一定的速度流过固体壁面时，由于流体的黏性和固体表面的粗糙，两者之间产生摩擦，影响流体近壁面的流动，在固体表面的速度为零，沿固体壁面垂直方向的速度逐渐变大，对于发生在接近固体壁面较薄的流体层称为速度边界层，如图7所示流体流过平板在固体壁面形成的速度边界层，设流体不受固体影响的速度为u∞，则从固体壁面沿y方向速度增加至u＝0.99u∞时的厚度为边界层厚度δu。在流体流过固体壁面时，固体表面与流体接触，由于导热产生热量传递，同时分子本身也在位移中将热量传递给远离固体壁面的流体，从固体壁面在流体内形成温度梯度，这一过程也是发生在近固体壁面很薄的流体层内，称之为温度边界层，如图8所示，类似速度边界层的定义，当流体沿固体壁面温度变化为(tw-t)/(tw-t∞)＝0.99时的流体厚度，为温度边界层δt。

由于流体内的导热，距离平板前端任意点处的平板上与流体间的热流密度q为：

式中：λf——流体的导热系数，w/(m.℃)

固体表面上的流体速度为零，流体与固体之间依靠导热传热，由式(1-4)和(1-5)可求得对流换热系数为：

由式(1-6)可以看出，对流换热与流体流动的密切关系，换热量的大小取决于流动形态以及流动所形成的温度梯度，当速度等于零时，热交换仅变为导热，对流换热系数也是导热系数。

流体的流动形态主要由流体的速度决定，速度低时为层流，随着速度的增大，变化为湍流，如图9所示，在层流区流体的速度沿y方向的变化呈线性变化，过渡区中速度变化无规则，至湍流区流体x方向的速度沿y方向的变化为对数分布，边界层的发展与流体的速度、黏度等有关，这些因素可以以一个无量纲数综合反映，即；雷诺数。

式中：re——雷诺数

ν——流体是运动黏度，m²/s

同样，也可以引用一个无量纲来反映对流换热，表征壁面形状的特征尺寸lc。将式(1-6)无量纲化：

式中：nu——努谢特数

α——对流换热系数，w/(m²k)

努谢特数的物理意义是表征导热热阻与对流热阻之比，努谢特数越大，说明换热的控制因素主要是对流换热，越小说明控制因素越取决于导热，解决对流换热问题的关键是求对流换热系数，而对流换热系数主要是速度边界层和温度边界层是求解，可以通过理论分析和试验方式求得对流换热系数，为使问题更具一般意义，引入表征流体黏性与导热的比例常数，称为流体的普兰特数(pr)，他表明温度边界层和流动边界层的关系，反映流体物理性质对对流传热过程的影响，表示为：

通过大量试验分析总结，获得了平板湍流对流换热系数为：

式中：——平均努谢特数

rel——以平板长度l为特征尺寸计算的雷诺数

c——系数，由试验获得(取决于流道的形式)

pr——普兰特数

n、m——指数，由试验获得。

凝结换热：

湿热流体与冷流体进行热交换，湿热流体与壁面接触时温度降低，在壁面发生凝结，凝结液就会成为一项热阻，按照凝结液在壁面的形式不同，有膜状凝结(凝结液很好地润湿壁面)和珠状凝结(凝结液以一颗颗液珠的形式依附在壁面上)。由于膜状凝结液在壁面上形成完整的液膜，此时的换热必须通过液膜才能传给温度较低的壁面，珠状凝结时，换热是在湿热空气与液珠表面和湿热空气与壁面间进行的，所以膜状凝结要比珠状凝结传热系数低，实际换热过程一般都是膜状凝结，除非对壁面进行处理。

由于凝结换热的流态比较复杂，膜状凝结传热系数可以总结为计算公式：

μ——冷凝液动力黏度，下标l、w分别代表冷凝液和壁面温度下动力黏度值，pa.s。

n、m、p——为指数由试验获得。

总换热系数：

如图10所述，

式中：k——总换热系数

α1——热流体对流换热系数，w/(m²k)

α2——冷流体对流换热系数，w/(m²k)

δ——换热板片厚度，mm

λ——换热板片导热系数，w/(mk)

换热板片的研究：

由式(1-12)可知，影响总换热系数的因素有以下几个方面：

1.换热板片的厚度δ及导热系数λ；

2.冷、热流体的对流传热系数，α1、α2；

换热板片的厚度δ及导热系数λ的影响：

换热板片壁厚δ：由式(1-3)、(1-12)可知，传热量与传热壁面的壁厚呈反比关系，壁厚越薄传热效率越高，所以在满足换热板片强度要求下，应尽量把换热板片做的薄一点为好。用改性pvc片材压制叉流换热板片，厚度在0.4mm时，纵向拉伸强度远大于45mpa，横向拉伸强度也在40mpa以上，按10倍安全系数考虑，则拉伸许用应力为4mpa，以最大风压250pa计算，pvc片材的强度完全满足使用要求的，且改性pvc片材的良好亲水性、耐腐蚀、使用寿命长等特点，是冷却塔换热的最佳材料选择。

2.换热板片的导热系数λ：由式(1-1)可知，传热量与壁面的导热系数成正比关系，导热系数越高传热效率越好，pvc片材的导热系数约为0.15w/(m.k)。

冷、热流体对流传热系数α的影响：

由式(1-4)可知，换热量与对流传热系数成正比关系，换热量随着换热系数的增大而增加，但影响对流传热系数的因素较多，由式(1-8)可知：

(1)对流传热系数与换热壁面形状的特征尺寸lc成反比例关系，而lc是换热壁面的粗糙度、形状、波纹等密切相关，一般换热壁面形状一经确定则lc也即确定，所以换热板片的形状设计尤为关键。

(2)对流传热系数与努谢特数nu和流体的导热系数λf成正比关系，但流体的种类一经选定则其导热系数λf也即确定，所以主要是与努谢特数有关，由式(1-10)、(1-11)可知，努谢特数nu又与以平板长度l为特征尺寸计算的雷诺数rel、普兰特数pr以及冷凝液动力黏度μ等密切相关：

①雷诺数与流体的速度u、换热流程长度l成正比，即提高流体流动速度、延长流体换热流程长度能够显著增大雷诺数；雷诺数与流体的运动黏度ν成反比关系，但换热流体一经确定，则运动黏度ν也即确定。

②与努谢特数nu相关的普兰特数pr以及冷凝液动力黏度μ与换热流体的性质密切相关。

通过对叉流换热的具体分析，剔除与流体特性相关的影响因素后，影响叉流换热的主要因素是：换热面积(换热流程长度)、换热板厚度、换热板材质、换热板的板面形状等。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种石墨烯叉流空冷器，包括多组石墨烯改性换热层，每组所述石墨烯改性换热层均包括两组石墨烯改性pvc换热板片，所述每组石墨烯改性pvc换热板片边缘区域均设置有外延片，两组石墨烯改性pvc换热板片之间通过位置相对的外延片固定连接并形成第一通路，所述多组石墨烯改性换热层之间通过相靠近的两组石墨烯改性pvc换热板片之间的外延片固定连接，并形成多组第二通路，第一通路与第二通路垂直设置。

具体的，每组所述石墨烯改性pvc换热板片上均设置有叉流十六通道。

具体的，每组所述石墨烯改性pvc换热板片均为两面双向对称设计。

具体的，每组所述石墨烯改性pvc换热板片上均设置有锯齿状通道分隔条和人字形波纹。

具体的，每组所述石墨烯改性pvc换热板片的壁面均经过磨砂处理。

具体的，每组所述石墨烯改性pvc换热板片边缘均设置有多组梯形冷凝液导向槽。

具体的，焊接固定后的多组石墨烯改性换热层外侧设置有固定框架。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种石墨烯叉流空冷器，具备以下有益效果：

本发明的石墨烯叉流空冷器用于大型逆流式机械通风冷却塔中，消雾节水取得很好的效果，依据叉流板式换热器的工作原理设计而成，换热板片采用具有优质导热性能的石墨烯改性pvc板片，并采用独特的高频焊接技术完成片间焊接，杜绝冷热空气的渗漏，具有导热快、热交换效率高、耐腐蚀、重量轻、使用寿命长等特点，加之巧妙的冷、热通道、板面设计，使得冷、热气体流动通道的换热面积显著增加，气体流动方向和流速在通道内不断发生变化，增加了气体流态的扰动，提高了气体传热效率。

本发明的石墨烯叉流空冷器具有如下的优点：

1.pvc膜片的导热性能一般，但石墨烯的介入改性，更使其导热性能显著提高40％以上，明显提高了换热板片的导热性能；

2.巧妙的两面双向对称形设计使得换热板片具有最高的通用性，减少了模压模具的投入；

3.叉流十六通道设计使得换热气体在通过板片换热时进行很好的分流疏导，提高了气体通过效率、提高了换热的均匀性；

4.锯齿形通道分隔条设计以及人字形波纹的设计使得凹凸波纹与锯齿使得气流在通道成网格状复杂多变的三维流动方式大大加强的气流的扰动，因而临界雷诺数较低，边界层厚度δu及温度边界层δt均为较小值；

5.壁面磨砂处理以及多变的气流通道设计加之较小的膜片间距会使湿热空气对凝结膜产生换明显影响，凝液膜更容易在湿热空气的作用下脱离换热板片壁面，提高传热效率；

6.湿热空气一侧的换热面边缘设置梯形冷凝液导水槽，将冷热交换后产生的冷凝水导出，使其流回集水池内，对冷凝液进行疏导，有效降低空气通过的阻力，起到节约蒸发水量的效果，设备常年开车的情况下每年节约水量为全年实际蒸发水量的10％左右。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是石墨烯改性pvc换热板片的俯视结构示意图；

图3是石墨烯改性换热层的配合结构示意图；

图4是冷热流体的热交换流程图；

图5是叉流板式换热器的传热过程图；

图6是均质平壁一维稳定传热图；

图7是平板换热流体速度边界层示意图；

图8是平板换热流体温度边界层示意图；

图9是平板边界层的形成与发展图；

图10是换热示意图；

图11是石墨烯改性pvc换热板片的组合前视图和右视图；

附图中标记：1、石墨烯改性pvc换热板片；2、外延片；3、叉流十六通道；4、锯齿状通道分隔条；5、人字形波纹；6、梯形冷凝液导向槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

依据《机械通风冷却塔工艺设计规范》gb50392、《消雾节水型冷却塔验收测试规程》t/cecs517等规范，以及我国北方地区的气候特点兼顾实用性、耐用性、经济性的设计原则，确定叉流空冷器的设计参数：

①消雾点：温度：5℃

相对湿度：90％

②冷却塔参数：处理水量6000m³/h

进出水温度差：12℃

大气压：101.325kpa

③消雾节水要求：零雾型

借鉴板式换热器换热板片形式，结合冷却塔薄膜填料的波形特点，经过反复试验、分析、研究，使用0.4mm石墨烯改性pvc膜片，设计出对称型叉流板式换热板片，板片外延尺寸1630mm*1630mm*30mm，有效换热面尺寸1600mm*1600mm，石墨烯改性pvc膜片两面双向对称，只需一种填料片，在码放时一片正放，一片反放，再一片正放，再一片反放，依次摆放即可形成冷凝模块组，并在其上设置叉流十六通道、锯齿形通道分隔条、人字形波纹和梯形冷凝液导流槽。

将空冷器换热板片按冷热流体通道交叉采取高频焊接或粘结的形式组合在一起，焊接或粘结牢固，确保冷热通道间的密封良好，然后在其外侧采用不锈钢角钢制造固定框架，根据具体使用数量确定框架内装填的换热板片数量。

本实施例的换热片固定完成后，第一通道与第二通道垂直设置，其冷、热流体的热交换流程如图4所示，将组成的部分按照菱形固定在冷却塔中，产生的热空气在第一通道或第二通道中流动，外界的冷空气进入并通过第二通道或第一通道流通，堆叠组成后，形成叉流十六通道，其中每组第一通道为8通道，每组第二通道为8通道，即热风8通道，冷风8通道，如图11所示，为形成的叉流十六通道，热空气与热空气通过之间间隔的石墨烯改性pvc换热板片进行冷热交换，使热空气中的水分凝集，并沿石墨烯改性pvc换热板片上的梯形冷凝液导向槽流出回收，起到了良好的消雾、节水效果，换热后的冷热空气在第一通道和第二通道排出后混合排出室外，由于采用了石墨烯改性pvc换热板片，换热效果提高40％，大大提高了换热效果。

热力、阻力计算公式：

经过对大量试验数据的分析整理后，得出考虑因素较全面的叉流板式空冷器的换热计算公式：

δp1＝5.26ρ1u1²(6-4)

δp2＝4.73ρ2u2²(6-5)

式中：

k——叉流换热的总传热系数

a1——湿热空气对流传热系数

a1——湿热空气对流传热系数

δ——换热板片厚度，mm

λ——换热板片的导热系数

——湿热空气的努谢特数

——冷空气的努谢特数

rel1——湿热空气长度l方向的雷诺数

rel’2——湿热空气长度l’方向的雷诺数

pr1——湿热空气的普兰特数

pr2——湿热空气的普兰特数

μl——冷凝液的动力黏度

μw——冷凝液在换热板壁温下的动力黏度

λf——流体的导热系数

lc——表征壁面形状的特征尺寸

δp1——空冷器有冷凝液时气流阻力pa

δp2——空冷器气流阻力pa

ρ1——湿热空气密度kg/m3

ρ2——进塔冷空气密度kg/m3

u1——湿热空气在空冷器内的流速m/s

u2——冷空气在空冷器内的流速m/s

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。