劉乃玲 李世強(qiáng)

山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院

對于閉式蒸發(fā)冷卻塔的研究，大多數(shù)文獻(xiàn)中描述的是盤管為光管的冷卻塔，以及翅片管與光管并用的干濕兩用冷卻塔。干濕并用冷卻塔最早應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[1-2]：山東建筑大學(xué)房大兵[3]、龔曉燕[4]，分別對干濕串聯(lián)、并聯(lián)冷卻塔進(jìn)行了研究。傳統(tǒng)干濕串聯(lián)型冷卻塔為干濕上下配置進(jìn)行工作，東華大學(xué)的王宇彤、周亞素[5]等人對此類冷卻塔冷卻水流向?qū)Ω蓾翊?lián)的冷卻塔性能影響進(jìn)行了研究，得出了在只考慮冷卻性能方面時(shí)，干濕復(fù)合冷卻塔順流時(shí)效果更好，丁梟[6]等人也做過此類理論研究。本文研究的冷卻塔類型也為干濕兩用冷卻塔，在夏季可開啟噴淋水，冬季關(guān)閉噴淋水，在同一管段進(jìn)行兩種工作狀態(tài)。翅片管更多的應(yīng)用于風(fēng)冷及噴霧水式蒸發(fā)冷卻器中，對翅片管應(yīng)用于蒸發(fā)冷卻研究較少，華東理工大學(xué)張慶[7]對翅片管用于進(jìn)行蒸發(fā)進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)研究，得出了傳熱和傳質(zhì)系數(shù)，為本文的研究內(nèi)容提供了理論方法。

1 數(shù)學(xué)模型

對于蒸發(fā)冷卻，其熱濕交換性能可用以下一些公式分析[8]：

水冷段盤管總傳熱系數(shù)K與盤管與水膜的對流換熱系數(shù)，管內(nèi)的傳熱系數(shù)，以及管壁傳熱系數(shù)有關(guān)。

式中：NTU 為傳熱單元數(shù)，表征了換熱器的換熱能力大小；Ae為有管外效傳熱面積，m2；K為盤管總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Cpp為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；qp冷卻水流量，kg/s。

式中：MW為水膜冷卻數(shù)；hm為水膜散質(zhì)系數(shù)kg/(m2·s)；G為空氣質(zhì)量流量，kg/s。

在計(jì)算自循環(huán)水溫t時(shí)，先假定一個(gè)自循環(huán)水溫，由上式計(jì)算出另一個(gè)自循環(huán)水溫，計(jì)算出的水溫與假定值不同時(shí)，以此計(jì)算值為假定值重新計(jì)算，直至計(jì)算值與假定值偏差在許可范圍內(nèi)。

式中：t為自循環(huán)水溫，℃；T1、T2分別為冷卻水進(jìn)出塔水溫，℃；i''t為自循環(huán)水溫下飽和空氣的焓，kJ/kg；il為進(jìn)塔空氣的焓，kJ/kg。

2 水冷區(qū)參數(shù)確定

盤管總傳熱系數(shù)K用下式計(jì)算

式中：Ao為管外表面積，m2；Ai為管內(nèi)表面積，m2；Ae為有管外效傳熱面積，m2；ag管壁的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；αi管內(nèi)傳熱系數(shù)，W/ (m2·℃)；ho為傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

對于翅片管表面蒸發(fā)冷卻傳熱過程，目前研究較少，華東理工大學(xué)的張慶[7]進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及理論分析，并給出傳熱傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式。傳熱關(guān)聯(lián)式為空氣的質(zhì)量流量，噴淋強(qiáng)度，以及空氣相對濕度的函數(shù)：

式中：Ga為最大空氣的質(zhì)量流量kg/(m2·s)；ma空氣質(zhì)量流量，kg/s；Amin盤管間最小流道面積，m2；mw噴淋水質(zhì)量流量，kg/s；Afr噴淋面積，m2；B為噴淋強(qiáng)度kg/(m2·s)；R為相對濕度。

適用范圍：3.2671 ≤Ga≤7.7286 kg/(m2·s)；290.0618 ≤B≤4394.8763 kg/(m2·h)；45.16% ≤R≤79.30%。

忽略管壁結(jié)構(gòu)熱阻的影響，管壁的傳熱系數(shù)ag用下式計(jì)算：

式中：λ為鋼管導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；Am對數(shù)平均管表面積，m2。

傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式為空氣及噴淋水雷諾數(shù)，以及相對濕度的表達(dá)式[7]：

式中：Rew為管外水雷諾數(shù)；Rea為空氣雷諾數(shù)；n管根數(shù)；lf翅片管管長，m；μw噴淋水的動(dòng)力粘度，kg/(m·s)；do基管外表面直徑，m；μa空氣動(dòng)力粘度，kg/(m·s)。

適用范圍：4459.509≤Rea≤10986.907，4.418 ≤Rew≤112.474，45.16%≤R≤79.30%。

對此類型冷卻塔各結(jié)構(gòu)對冷卻塔出水溫度的影響進(jìn)行分析，分別對不同管根數(shù)，不同管排數(shù)，噴淋強(qiáng)度，最大風(fēng)速進(jìn)行分析，在分析一個(gè)變量時(shí)，對其他變量取中間值。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算的環(huán)境參數(shù)取北方夏季典型氣象參數(shù)：干球溫度為34 ℃，濕球溫度為27 ℃。翅片管選用通用的國產(chǎn)低翅片型號，結(jié)構(gòu)如表1：

表1 國產(chǎn)低翅片管結(jié)構(gòu)表

3.1 管根數(shù)影響

選取冷卻水量分別為100t/h、200t/h、300t/h、400t/h。分別計(jì)算各不同冷卻水量時(shí)冷卻水出水溫度隨管根數(shù)的變化。取管根數(shù)為50、60、70、80、90、100。計(jì)算結(jié)果如圖1 所示。

圖1 冷卻水溫降隨管根數(shù)變化圖

由圖1 可以看到不同冷卻水量對應(yīng)的最佳每排管根數(shù)是不同的，當(dāng)冷卻水為100t/h 時(shí)，每排的翅片管根數(shù)從50 增加到60 時(shí)，冷卻水溫度下降0.6 ℃，繼續(xù)增加管根數(shù)時(shí)，冷卻水溫度下降變小，每增加10 根管溫差將小于0.5 ℃。當(dāng)冷卻水流量為200t/h 時(shí)，管根數(shù)達(dá)到70 根時(shí)，繼續(xù)增加管根數(shù)，每增加10 根管溫降小于0.5 ℃。當(dāng)冷卻水流量為300t/h 時(shí)，管根數(shù)在達(dá)到80 根時(shí)，繼續(xù)增加管根數(shù)，每增加10 根管溫降小于0.5 ℃。當(dāng)冷卻水流量達(dá)到400t/h 時(shí)，最佳管根數(shù)達(dá)到90。繼續(xù)增加管根數(shù)。每增加10 根管溫降小于0.5 ℃。此數(shù)據(jù)為管排數(shù)設(shè)定在8 排時(shí)計(jì)算得出，下面探究管排數(shù)的變化對冷卻塔出水溫度趨勢變化的影響。

3.2 管排數(shù)影響

選擇冷卻水流量為100t/h、200t/h、300t/h、400t/h進(jìn)行計(jì)算，管根數(shù)設(shè)定為每排80 根，依次計(jì)算管排數(shù)為2、4、6、8、10 排時(shí)冷卻水出水溫度變化。將數(shù)據(jù)繪制成折線圖（圖2）：

圖2 冷卻水溫降隨管排數(shù)變化圖

從圖2 可以很明顯看出管排數(shù)的變化對不同流量冷卻水出口溫度的影響，在管排數(shù)為4 到8 排時(shí)，管排數(shù)的增加對冷卻水溫度的下降有較大影響。繼續(xù)增大管排數(shù)，冷卻水下降趨勢不明顯。

以上是對固定的風(fēng)量，噴淋強(qiáng)度，以及每排管根數(shù)，通過改變盤管排數(shù)來探究盤管排數(shù)對不同流量下冷卻水溫度變化趨勢的影響。為進(jìn)一步研究管排數(shù)對冷卻水溫降的變化規(guī)律，下面固定冷卻水量為200t/h。改變冷卻塔其他參數(shù)進(jìn)行分析。通過改變噴淋強(qiáng)度，最小截面處空氣質(zhì)量流量，每排管根數(shù)以及管長進(jìn)行縱向?qū)Ρ取?/p>

1）200t/h、噴淋強(qiáng)度0.6 kg/(m2·s)，最小截面處空氣質(zhì)量流量5.5 kg/(m2·s)，每排根數(shù)80 根的計(jì)算結(jié)果作為參照組。

2）改變每排管根數(shù)，將每排根數(shù)減少到40 根進(jìn)行計(jì)算。

3）改變噴淋強(qiáng)度，將噴淋強(qiáng)度增大至1.2 kg/(m·s)進(jìn)行計(jì)算。

4）最小截面處空氣質(zhì)量流量，將最小截面處空氣質(zhì)量流量增大至7.5 kg/(m·s)進(jìn)行計(jì)算。

5）改變管長，將管長減小到3 m。

計(jì)算結(jié)果如圖3：

圖3 冷卻水溫度隨管排數(shù)變化圖

由圖3 可以看出，最佳管排數(shù)為6 到8 排之間。在盤管數(shù)達(dá)到8 之后增加管排數(shù)來增加換熱面積對冷卻水溫降影響不大。噴淋水強(qiáng)度及最小截面處空氣質(zhì)量流量對最佳管排數(shù)的影響較小。管根數(shù)和管長度減小時(shí)，將管排數(shù)增加到8 排以上，冷卻水溫度仍有小幅度下降。

3.3 噴淋強(qiáng)度影響

計(jì)算冷卻水流量100t/h、200t/h、300t/h、400t/h 時(shí)，管排數(shù)為8 排，管根數(shù)為80，最小截面風(fēng)速為6.5 kg/(m2·s)。計(jì)算噴淋水強(qiáng)度對冷卻水出水溫降變化趨勢的影響（圖4）。

圖4 冷卻水溫降隨噴淋強(qiáng)度變化圖

由圖4 可以看到在不同流量時(shí)對應(yīng)的最佳噴淋強(qiáng)度不同，在流量為100t/h 到400t/h 范圍內(nèi)，在最小截面處空氣質(zhì)量流量固定為6.5 kg/(m2·s)時(shí)，最佳噴淋強(qiáng)度的范圍在0.2 kg/(m2·s)到0.8 kg/(m2·s)之間，最佳噴淋強(qiáng)度隨冷卻水流量的增加而增加，在噴淋水強(qiáng)度到達(dá)一定值時(shí)，繼續(xù)增加噴淋水強(qiáng)度，對冷卻效果幾乎沒有影響。

3.4 風(fēng)速影響

計(jì)算冷卻水量100t/h、200t/h、300t/h、400t/h 時(shí)，冷卻水溫降受風(fēng)速變化的影響，風(fēng)速的選擇范圍應(yīng)在傳熱關(guān)聯(lián)式適用的范圍內(nèi)。選擇不同的風(fēng)量，使截面最小處空氣質(zhì)量流量為3.5、4.5、5.5、6.5、7.5 kg/(m2·s)進(jìn)行計(jì)算（圖5）。

圖5 冷卻水溫降隨最小截面處空氣質(zhì)量流量變化圖

從圖5 可以看出，最小處空氣質(zhì)量流量的變化對冷卻水出水溫度的變化相比于噴淋強(qiáng)度要更加顯著，且在計(jì)算風(fēng)速范圍內(nèi)，隨著風(fēng)速的增加，冷卻水溫降始終隨風(fēng)速變化而變化的比較明顯。

3.5 氣水比的探究

在冷卻塔結(jié)構(gòu)確定的情況下，氣水比是對冷卻水溫度降低的重要影響因素，對冷卻水流量為300t/h，冷卻塔結(jié)構(gòu)固定：盤管排數(shù)為8 排，管根數(shù)為80，管長為6.5 m。將傳熱公式適用范圍內(nèi)的最小截面處空氣質(zhì)量流量以及噴淋水強(qiáng)度分別進(jìn)行組合計(jì)算（圖6）。

圖6 冷卻水溫降受最小截面處空氣質(zhì)量流量及噴淋強(qiáng)度共同影響變化圖

從圖6 可以看到，在不同風(fēng)量下，冷卻水的溫降趨勢總在一定的噴淋水強(qiáng)度范圍內(nèi)變化放緩，說明在噴淋水達(dá)到一定量時(shí)，繼續(xù)增加噴淋水，對冷卻水溫降影響很小。

4 結(jié)論

冷卻水溫降受結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)兩方面共同影響。

1）對于結(jié)構(gòu)，在換熱管排達(dá)到一定排數(shù)時(shí)，繼續(xù)增加管排數(shù)，冷卻效果提升不明顯。若要增加換熱面積提高換熱量，將換熱面積增加在管長及管根數(shù)上要比將換熱面積增加在管排數(shù)上的冷卻效果好。

2）在運(yùn)行參數(shù)方面，風(fēng)量與噴淋水量共同影響。當(dāng)噴淋強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，繼續(xù)提高噴淋強(qiáng)度，對冷卻效果提升不明顯。最小截面處空氣質(zhì)量流量的增加對冷卻效果也有顯著提升，隨著風(fēng)量持續(xù)增加，冷卻效果提升略有下降，但在計(jì)算范圍內(nèi)下降不明顯。