孫念心，楊衛(wèi)波

（揚州大學(xué)電氣與能源動力工程學(xué)院，江蘇揚州 225127）

冷卻塔是工業(yè)領(lǐng)域中廣泛使用的設(shè)備，其耗水量巨大，而我國水資源緊缺［1-3］，所以提高冷卻塔的冷卻性能對節(jié)約水資源意義重大。根據(jù)空氣流向的不同，冷卻塔可分為橫流式冷卻塔與逆流式冷卻塔，橫流式冷卻塔的傳熱傳質(zhì)驅(qū)動力更均勻，有利于冷卻效能的提高［4-5］。根據(jù)冷卻方式的不同，冷卻塔可分為干式冷卻塔、濕式冷卻塔及干濕混合型冷卻塔，干濕混合型冷卻塔是將風(fēng)冷卻與蒸發(fā)冷卻相結(jié)合，其性能介于干式冷卻塔與濕式冷卻塔之間［6］，且節(jié)水效果明顯［7-8］。許多國內(nèi)外學(xué)者對此展開研究，包括建立復(fù)合式冷卻塔的模型［9］，研究冷卻水流向［10］、盤管換熱面積［11］、不同風(fēng)量［12-13］、單排管根數(shù)、管排數(shù)、管長度［14-15］等結(jié)構(gòu)參數(shù)與運行參數(shù)對干濕式復(fù)合型冷卻塔冷卻性能的影響。復(fù)合型冷卻塔的風(fēng)冷部分主要依靠翅片管與空氣進行熱交換散熱，翅片管的管殼形狀［16］、翅片形狀［17-18］、翅片材料［19］、翅片間距［20-21］、翅片厚度［22］等參數(shù)對傳熱性能有很大影響。但目前研究主要集中在單獨地研究翅片參數(shù)對翅片管傳熱的影響或結(jié)構(gòu)參數(shù)與運行參數(shù)對復(fù)合型冷卻塔冷卻性能的影響，而復(fù)合式冷卻塔中翅片管的翅片參數(shù)改變對冷卻塔換熱性能及冷卻效率的影響尚缺乏研究。本文基于傳熱傳質(zhì)方程，對復(fù)合型橫流閉式冷卻塔中的不同翅片參數(shù)進行了研究，以進一步探討翅片結(jié)構(gòu)改變對復(fù)合型冷卻塔換熱性能及冷卻效率的影響。

1 風(fēng)冷蒸發(fā)復(fù)合型冷卻塔的結(jié)構(gòu)

風(fēng)冷蒸發(fā)復(fù)合型橫流閉式冷卻塔的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該復(fù)合型塔的組成部分主要有殼體、風(fēng)機、擋水板、噴淋裝置、換熱盤管、集水槽、風(fēng)口和循環(huán)水泵等。換熱盤管分為翅片管區(qū)和光管區(qū)兩部分，噴淋裝置的作用是使噴淋水均勻地覆蓋在光管上，有利于噴淋水的蒸發(fā)冷卻。該塔的工作原理為冷卻水從上部的冷卻水進口流經(jīng)翅片管、光管，再由下部的冷卻水出口流出。在翅片管區(qū)，冷卻水與空氣進行熱交換；在光管區(qū)，冷卻水與噴淋水在光管外形成的水膜及空氣進行熱濕交換。

圖1 風(fēng)冷蒸發(fā)復(fù)合型橫流閉式冷卻塔結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)學(xué)模型

為了簡化模型和便于計算，本文假設(shè)［23］：①流體均為理想的不可壓縮流體；②所涉及參數(shù)均為常物性參數(shù)；③翅片的傳熱系數(shù)不隨溫度變化，且翅片的溫度只沿徑向變化；④忽略塔體與外界的傳熱；⑤ 管外流動的空氣不存在溫差，且均勻分布。

翅片管內(nèi)冷卻水失去的熱量［24］：

式中：Mf為翅片管內(nèi)冷卻水的質(zhì)量流量（kg／s）；cf為翅片管內(nèi)冷卻水的比熱（J／（kg·K））；Ti、To分別為冷卻水的進出口溫度（℃）。

翅片管的總傳熱量：

式中：Kc為翅片管總傳熱系數(shù)（W／（m2·K））；Ac為翅片管的總換熱面積（m2）；ΔTm為對數(shù)平均溫差（℃）。

翅片管外空氣得到的熱量：

式中：Ma為翅片管外空氣的質(zhì)量流量（kg／s）；ca為翅片管外空氣的比熱（J／（kg·K））；ti、to分別為空氣的進出口溫度（℃）；ia為空氣的焓值（J／kg）。

翅片管內(nèi)的冷卻過程是在理想條件下進行的，所以翅片管內(nèi)冷卻水失去的熱量等于翅片管的總傳熱量，即：

基于上式可得翅片管內(nèi)冷卻水溫度變化量，可以表示為：

3 結(jié)果與討論

3.1 模擬計算條件

本文基于傳熱傳質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，利用Matlab軟件分別對復(fù)合型冷卻塔的翅片管區(qū)與光管區(qū)的熱濕交換過程編譯了相應(yīng)的程序，程序中的模擬計算參數(shù)見表1。在研究某一參數(shù)影響時，其他參數(shù)均采用表1中的數(shù)值并保持不變。

表1 模擬計算條件

3.2 翅片參數(shù)的影響

3.2.1 翅片間距

圖2為翅片管總傳熱系數(shù)隨翅片間距的變化曲線。圖2結(jié)果顯示：隨著翅片間距的增加，翅片管的總傳熱系數(shù)也增加。如當翅片間距為1.5 mm時，翅片管總傳熱系數(shù)為26.69 W／（m2·K）；而當翅片間距為2.2 mm時，翅片管總傳熱系數(shù)增加為31.62 W／（m2·K）。這是因為在翅片厚度不變的條件下，翅片間距越大，每米管長的翅片數(shù)就越少，翅片就越稀疏，從而翅片管的管外表面積就越??；翅片間距的增大會使翅片管外側(cè)與空氣的對流換熱系數(shù)增大，但同時翅片間距的增加也會使空氣側(cè)最小流道斷面積增加，管外最小流通截面處的質(zhì)量流速減小，質(zhì)量流速的減小又會使翅片管外側(cè)與空氣的對流換熱系數(shù)減小，即翅片間距的增加對翅片管外側(cè)與空氣的對流換熱系數(shù)將產(chǎn)生增大與減小兩個相反的影響，且增大的程度大于減小的程度，所以最終翅片管外側(cè)與空氣的對流換熱系數(shù)增加。在管外表面積減小與對流換熱系數(shù)增加的綜合作用下，翅片管總傳熱系數(shù)增加。

圖2 翅片管總傳熱系數(shù)隨翅片間距的變化

圖3給出了冷卻水出口溫度及單位面積的換熱量隨翅片間距的變化曲線。分析圖3可以看出：翅片間距越大，冷卻水的出口溫度越高。當翅片間距為1.5 mm時，冷卻水出口溫度為29.39℃；而當翅片間距為2.2 mm時，冷卻水出口溫度為29.83℃。其原因是翅片厚度不變時，隨著翅片間距的增加，翅片管的總表面積減小，而總傳熱系數(shù)增加，且表面積的減小程度大于總傳熱系數(shù)的增加程度，所以換熱效果減弱，翅片管總換熱量減小，冷卻水的出口溫度上升。分析圖3還可以看出：翅片間距越大，單位面積的換熱量就越大。如當翅片間距為1.5 mm時，翅片管單位面積的換熱量為0.27 kW／m2；而當翅片間距為2.2 mm時，翅片管單位面積的換熱量度為0.32 kW／m2。這主要是由于盡管翅片間距增大使得翅片管總換熱量減小，但翅片管的換熱面積也減小，且換熱面積的減小程度大于總換熱量的減小程度，所以單位面積的換熱量呈上升趨勢。

圖3 冷卻水出口溫度、單位面積的換熱量隨翅片間距的變化

圖4示出冷卻塔總效率、翅片管效率及翅片管效率占冷卻塔總效率的比值隨翅片間距的變化。

圖4 效率及翅片管效率所占比值隨翅片間距的變化

從圖4中可以看出：隨著翅片間距的增加，冷卻塔總效率、翅片管效率及翅片管效率占冷卻塔總效率的比值均呈下降趨勢。冷卻塔總效率由57.39%下降至54.06%，下降了3.33%；翅片管效率由47.59%下降至42.31%，下降了5.28%；翅片管效率占總效率的比值由0.83下降至0.78。這表明翅片間距的增加不利于冷卻塔效率的提高，且翅片間距越大，翅片管在冷卻塔中所發(fā)揮的作用就越小。這主要是因為翅片間距越大，從翅片區(qū)所流出的冷卻水溫度就越高，從而影響翅片管的冷卻效率。

3.2.2 翅片厚度

翅片厚度對翅片管總傳熱系數(shù)的影響如圖5所示，從圖中可以看出：翅片厚度增加，翅片管的總傳熱系數(shù)也隨之增加。當翅片厚度為0.5 mm時，翅片管總傳熱系數(shù)為26.69 W／（m2·K）；而當翅片間距為1.2 mm時，翅片管總傳熱系數(shù)為35.69 W／（m2·K）。其原因是由于在翅片間距不變時，翅片厚度越大，每米管長的翅片數(shù)就越少，翅片管的管外表面積就越??；同時空氣側(cè)最小流道斷面積減小，管外最小流通截面處的質(zhì)量流速增加，使得翅片管外側(cè)與空氣的對流換熱系數(shù)增加，從而使翅片管總傳熱系數(shù)增加。

圖5 翅片管總傳熱系數(shù)隨翅片厚度的變化

圖6為冷卻水出口溫度及單位面積換熱量隨翅片厚度的變化情況。圖6表明翅片厚度的增加對冷卻水出口溫度影響較小。這主要是由于翅片管的總傳熱系數(shù)雖然增加，但翅片管的換熱面積卻在減小，兩種作用相互抵消，使得空氣所帶走的冷卻水中的熱量基本不變，因此冷卻水的出口溫度基本不變。進一步分析圖6可知：單位面積換熱量隨翅片厚度的增加而增大。如當翅片厚度從0.5 m增加到1.2 m時，單位面積的換熱量從0.26 kW／m2增加到0.35 kW／m2。其原因是翅片厚度的增加對換熱量基本沒有影響，但是換熱面積在減小，所以單位面積換熱量會增加。

圖6 冷卻水出口溫度溫度、單位面積換熱量隨翅片厚度的變化

圖7表示冷卻塔總效率、翅片管效率及翅片管效率占冷卻塔總效率的比值隨翅片厚度的變化。從圖中可以看出：翅片厚度對冷卻塔總效率、翅片管效率及翅片管效率占冷卻塔總效率的比值均影響不大，當翅片厚度從0.5 mm增加到1.2 mm時，冷卻塔總效率只下降了0.54%，翅片管效率只下降了0.85%，翅片管效率占總效率的比值減少了0.001。這說明翅片區(qū)在整個冷卻塔中發(fā)揮的作用基本不變。其原因是翅片厚度的改變對冷卻水的出口溫度影響不大，進而對冷卻效率的影響也不大。

圖7 效率及翅片管效率所占比值隨翅片厚度的變化

3.2.3 翅片高度

分析圖8可得，翅片高度越大，翅片管的總傳熱系數(shù)就越小。如當翅片高度從12 mm增加到19 mm時，翅片管總傳熱系數(shù)從35.45 W／（m2·K）減小到22.57 W／（m2·K），減小了36%。這是由于翅片高度的增加使得空氣側(cè)最小流道斷面積減小，從而使得最小流通截面處質(zhì)量流速減小，進而使得翅片管外側(cè)與空氣的對流換熱系數(shù)減小；而翅片高度的增加會使翅片的表面積增大，表面積增大對翅片管總換熱系數(shù)的增加有促進作用，但對流換熱系數(shù)減小對翅片管總換熱系數(shù)的影響比表面積增大對總換熱系數(shù)的影響更大，所以總換熱系數(shù)減小。

圖8 翅片管總傳熱系數(shù)隨翅片高度的變化

圖9為翅片高度對冷卻水出口溫度及單位面積換熱量的影響。分析圖9可以看出：翅片高度越高，冷卻水出口溫度就越低，冷卻效果越好。當翅片高度為12 mm時，冷卻水出口溫度為30.32℃；而當翅片高度為19 mm時，冷卻水出口溫度為29.26℃。其原因是雖然翅片高度的增加使得翅片管總傳熱系數(shù)減小，但同時也使得換熱面積增大，且換熱面積增大對換熱效果的影響更大，所以使得空氣與冷卻水的熱交換增強，空氣所能帶走的熱量也越多，因此冷卻水的出口溫度就越低。

圖9 冷卻水出口溫度、單位面積換熱量隨翅片高度的變化

從圖9中還可以看出：單位面積的換熱量隨翅片高度的增加而減小，當翅片高度為12 mm時，翅片管單位面積的換熱量為0.35 kW／m2；而當翅片高度為19 mm時，翅片管單位面積的換熱量度為0.26 kW／m2。這是由于翅片高度越高，翅片管的總換熱量越大，而換熱面積也越大，且換熱面積的增大程度大于總換熱量的增大程度，所以單位面積的換熱量隨翅片高度的增加呈下降趨勢。

圖10為冷卻塔效率、翅片管效率及翅片管效率占總效率的比值隨翅片高度的變化。由圖可得：隨著翅片高度的增加，其效率及比值均呈上升趨勢，冷卻塔總效率上升了8.07%，翅片管總效率上升了12.84%，翅片管效率占總效率的比值增加了0.12。這表明：翅片高度越高，翅片區(qū)在整個冷卻塔中所發(fā)揮的作用就越大，冷卻效果越好。這主要是因為翅片高度的增加會導(dǎo)致冷卻水出口溫度降低，從而影響冷卻塔效率。

圖10 效率及翅片管效率所占比值隨翅片高度的變化

4 結(jié)論

1）隨著翅片間距、翅片厚度的增加，翅片區(qū)總傳熱系數(shù)增加，而隨著翅片高度的增加，翅片管的總傳熱系數(shù)減小。與翅片間距相比，翅片厚度和翅片高度的變化對總傳熱系數(shù)的影響更大。

2）翅片高度越大，冷卻水出口溫度越低；而翅片間距越大，冷卻水出口溫度越高；翅片厚度的變化對冷卻水出口溫度基本無影響。

3）隨著翅片間距、翅片厚度的增加，翅片管單位面積的換熱量也增加；而隨著翅片高度的增加，單位面積的換熱量減小。

4）翅片高度越大，冷卻塔效率、翅片管效率及翅片管效率占總效率的比值就越高，且變化幅度較大；翅片間距越大，冷卻塔效率、翅片管效率及翅片管效率占總效率的比值就越低，且變化幅度較?。怀崞穸鹊母淖儗鋮s塔效率、翅片管效率及翅片管效率占總效率的比值基本無影響。

模擬結(jié)果為風(fēng)冷蒸發(fā)復(fù)合型冷卻塔的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。