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水冷却的基本原理

2021-12-02Industry News243

一.基本概念
热水通过冷却设备把水温降低下来的现象,在日常生活中也会经常遇到。如一杯开水用两只杯子把开水倒来倒去,不久水温就降低了,这就是使水形成水膜层或水滴,加大热水与空气的接触面积,增加水的蒸发散热的作用,加快了水的冷却速度,因此较快地把开水变成了温水。又如夏天游泳时,刚从水中出来,被风一吹觉得很凉,这也是由于身体上的水珠蒸发而带走大量的热量而引起的。
水的冷却实际上是蒸发散热、接触散热和辐射散热三个过程的共同作用。蒸发散热和接触散热是主要的,辐射散热很小。

二.为何用水来冷却设备或产品
自然界中存在大量的气体和各种液体,为什么用水冷却设备或产品呢?理由有以下三点:
1.水的比热大,其比热为1kcal/(kg·℃),就是说1kg水温度升高或降低1℃,可吸收或放出1000cal热量。则用1kg水去冷却设备或产品时,水温升高5℃,理论上可吸收设备或产品5000cal热量。
2.水的价格相对便宜,一般来说,只要提升水的水泵电费和水的净化处理费,水与其他液体、气体相比,不但价格便宜,货源也相对充足。
3.水的汽化热大:在0℃时,1kg水的汽化热为597.3cal。什么叫汽化热?就是说1kg0℃的水变为0℃的水蒸气时所吸收的热量称汽化热。那么汽化热有什么意义呢?就是说1kg0℃的水,其蒸发1%的水量,可使1kg水水温降低6℃。
用水去冷却生产设备和产品,使生产设备和产品的温度降低了,把热量传给了水,使水温升高了,这个过程就是传导散热。
水在冷却塔中进行冷却的过程中,把水形成很小的水滴或极薄的水膜,扩大了水与空气的接触面积和延长接触时间,是加强水的蒸发汽化,带走水中的大量热量,所以水在冷却塔中冷却的过程是传导散热和蒸发散热过程。
空气中能容纳一定量的水蒸气,当空气中水蒸气少的时候,气候很干燥,天气也较好;当空气中水蒸气较多时,会感到很潮湿;当空气中水蒸气很多时,会出现很小露点。这说明空气能接纳水蒸气,同时说明空气接纳水蒸气时有一定限度的,当空气中出现小露点时,说明空气接纳的水蒸气已经“满”了,不能再接受了,即空气中的水蒸气达到了饱和,称为饱和水蒸气。
水在冷却过程中,只要空气中的水蒸气还未达到饱和,则热水表面直接与空气接触时,就会不断地散发出水蒸气跑到空气中去。热水表面的水分子在化为水蒸气的过程中,将从水中吸收热量,使水得到冷却。

三.水的蒸发散热
从分子运动理论来说,水的表面蒸发是由分子热运动而引起的,分子的运动又是不规则的,各分子的运动速度大小不一样,波动范围很大。当水表面的某些水分子的动能是以克服水内部对它的内聚力时,这些水分子就从水面逸出,进入空气中去,这就是蒸发。由于水中动能较大的水分子逸出,那么余下来的其他水分子的平均动能减小,水的温度也随之降低,使水得到冷却,这就是蒸发散热的主要原因。所以水的蒸发散热是水分子运动的结果。
水的蒸发散热可以在沸腾时进行,也可以在低于沸点的温度下进行,而自然界中的蒸发散热大都是属于低于沸点的温度下进行的蒸发。如湿衣服晾干、潮湿地面变成干燥以及热水在冷却塔内的冷却等都是低于沸点的情况下进行的蒸发现象。所以说,当水温<气温的情况下,水照样会得到冷却,其道理就在于低于沸点下的蒸发散热。
从水面逸出去的水分子,相互之间可能进行碰撞,或者逸出去的水分子与空气中已有的水分子之间进行相互碰撞,那么又可能重新进入到水中。如果在单位时间内逸出水分子多于回到水面中来的水分子,那么水就不断地蒸发,水温也就不断地降低,水就不断的蒸发,水温也就不断地降低,水就得到冷却。
水的表面蒸发因在水温低于沸点的情况下进行的,这时,水和空气的相交面上存在着蒸汽的压力差,一般认为水与空气的接触中,在其交界面处存在着一层极薄的饱和气层,称为水面饱和气层。水首先蒸发到饱和气层中去,然后再扩散到空气中去。

四.水的传导散热和对流散热
传导散热也称接触散热,有时也称接触传导散热。这种散热是指热水水面与空气直接接触时的传热过程,包括传导和对流两种传热形式。如水的温度与空气温度不一样,将会产生传热过程,当水温高于空气温度时,水就把热量传给空气,空气自身的温度就逐渐升高,使水面以上周围空气内部的温度不均匀,这样冷空气与热空气之间就产生对流作用(注:对流只发生在流体中,而传导是指传热的分子之间无混合现象),对流的结果是使空气本身各点的温度达到一致,最后到水面温度与空气温度一致时传导散热停止。上述可见:传导和对流是同时发生的,总称为“接触散热”。

五.水的辐射散热
辐射散热不需要传热介质的作用,是一种由电磁波的形式来传播热量的现象。如平时见到的火炉烤得很热,太阳晒得很热等都是辐射热。辐射散热只有在大面积的冷却池中才起作用,在其他类型的冷却设备中(含各类冷却塔),可以忽略不计。
从水的冷却理论来说,水在冷却过程中,同时存在蒸发、传导对流、辐射三种散热现象,因辐射散热在冷却塔中很小,故常不计在内。蒸发散热与接触散热哪个起主导作用,视不同季节的水气温度差而定。在一年的春夏秋三季中,水与空气的温差相对较小,以蒸发散热为主,特别是炎热的夏天,蒸发散热占总散热量的80%~90%,而接触散热会提升到主导主用,其传热量会占到总散热量的50%以上,在寒冷地区,可达到70%。

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