復合型橫流閉式冷卻塔冷卻性能的數值模擬

楊衛波 夏莉 孫念心

揚州大學電氣與能源動力工程學院

0 引言

冷卻塔作為降低冷卻水水溫的重要設備，在民用空調以及冶金、化工、電力、紡織等工業領域得到較廣泛應用[1]。但我國水資源短缺[2-4]，所以研究節水型冷卻塔意義重大。閉式冷卻塔作為一種節水型冷卻塔，因其水質不被污染、不易結垢與腐蝕、循環水消耗少而逐漸受到青睞[5]。然而，傳統逆流閉式冷卻塔換熱效率低，且不便于根據環境條件變化進行靈活調節。為此，提出將干式風冷與濕式蒸發冷卻相結合的復合型橫流閉式冷卻塔。與傳統逆流式相比，橫流式冷卻塔的傳熱傳質驅動力更均勻，有利于冷卻效能的提高[6-7]。與傳統干式風冷冷卻塔相比，其冷卻效率更高。與傳統濕式冷卻塔相比，其節水效果明顯[8-9]，可高達53%[10]。此外，該復合型冷卻塔還可根據室外氣候變化，通過水量與風量的調節及風冷與蒸發冷的不同組合而實現多種運行模式，從而可進一步達到節能節水目的。

Dehaghani 等[11]模擬了不同工況下濕式冷卻塔及干濕式復合型冷卻塔的用水量，結果表明：天氣條件和冷卻目標對濕式冷卻塔的用水量影響最大。在塔高相同時，干濕混合型冷卻塔比濕式冷卻塔節水9.4%。Wanchai 等[12]利用實驗和數值模擬分析了干冷濕冷復合型冷卻塔在多種工況下的性能。結果表明：混合型冷卻塔的性能介于干式與濕式冷卻塔之間，具體性能取決于干冷與濕冷的比例，其中干冷部分的性能系數遠小于濕冷。王宇彤[13]等對干濕復合型冷卻塔的冷卻水流向進行了實驗研究，研究發現：與逆流相比，順流時冷卻塔的換熱性能受截面風速的影響更大，空氣阻力更大，同等運行條件下順流時復合型冷卻塔的冷卻性能比逆流時更高，最大可增加15.48%。楊俊杰等[14]對干濕復合型冷卻塔中翅片管與光管的面積比進行了分析，結果表明：在總換熱面積一定時，光管的換熱面積越大，冷卻塔的性能越好，當翅片管與光管的換熱面積比為0.71 時，復合式冷卻塔的性能最佳。莊亞男[15-16]通過實驗研究了不同風量對復合閉式冷卻塔換熱性能的影響，結果顯示：截面風速達到3.5 m/s 時，換熱效果最佳。

綜上分析可知，目前復合型冷卻塔的研究主要集中于對用水量、干濕冷比例、冷卻水流向、不同風量等宏觀因素的研究，而對復合型冷卻塔具體結構參數與運行參數的研究較少，為此，本文基于傳熱傳質理論，對復合型冷卻塔的結構參數（盤管根數、盤管排數、盤管長度、盤管間距）與運行參數（空氣濕球溫度、空氣流量、冷卻水量、噴淋水量）對風冷蒸發復合型塔性能的影響進行了研究。

1 風冷蒸發復合型橫流閉式冷卻塔熱質交換過程

圖1 給出了復合型橫流閉式冷卻塔結構，如圖所示擋水板將塔體分為左右兩個腔室，右腔室自上而下有翅片管風冷熱交換區，光管蒸發式冷卻熱濕交換區及填料區噴淋水與空氣的熱濕交換區。復合型橫流閉式冷卻塔的傳熱傳質過程是管內冷卻水到管外噴淋水、空氣以及管外噴淋水到空氣的顯熱傳熱及潛熱傳質的耦合過程，熱量的傳遞強化了噴淋水膜液膜表面水分的蒸發，質量的傳遞促進了熱量的轉移。

圖1 風冷蒸發復合型橫流閉式冷卻塔模型示意圖

2 熱質交換數學模型

Merkel 法[17]的計算模型既能滿足精度要求又便于計算，根據Merkel 法假設：

1）傳熱傳質過程為穩態。

2）所涉及參數均為常物性參數。

3）流體為理想不可壓縮流體。

4）忽略塔與外界的傳熱。

基于上述簡化假設，根據能量平衡及熱質傳遞理論，可得各區域的熱質交換模型。

2.1 翅片管區

翅片管內冷卻水失去的熱量：

翅片管的總傳熱量：

翅片管外空氣的得熱量：

根據能量守恒原理，Q1與Q2相等，即：

由此可得翅片管內冷卻水溫度變化量為：

2.2 光管區

光管內冷卻水失去的熱量為：

則光管內冷卻水溫度變化量可以表示為：

空氣的得熱量為：

冷卻水、空氣及噴淋水之間的關系為：

2.3 填料區

設單位時間內通過水表面的面積為dS，則水與空氣間的顯熱交換量為：

潛熱交換量為：

空氣的得熱量為：

噴淋水散熱量為：

則填料區的能量平衡方程為：

式中：Q 為換熱量，W；c 為比熱容，J/(kg·K)；M 為質量流量，kg/s；Kc為翅片管傳熱系數，W/(m2·K)；K 為光管傳熱系數，W/(m2·K)；hd為噴淋水膜對空氣的傳質系數，kg/(m2·K)；hxv為容積散質系數，kg/(m3·h)；△Tm為對數平均溫差，℃；i 為空氣的焓值，J/kg。以上各參數中，上標*表示空氣飽和狀態，第一下標a、f、w 分別表示空氣、冷卻水和噴淋水，第二下標i、o 分別表示進口和出口。

3 模擬計算及結果分析

3.1 計算條件

基于上述傳熱傳質數學模型，利用Matlab 軟件編制了塔內翅片區、光管區及填料區的熱濕交換過程計算程序[18]。以南京地區氣象參數為例，設定冷卻水的理想出口溫度為32 ℃，在對某個參數進行討論時，其它參數均保持不變，程序中的模擬計算條件如表1 所示。

表1 模擬計算條件

3.2 結構參數的影響

3.2.1 單排管根數

考慮到翅片與光管區盤管結構參數的不同，設定翅片管和光管的單排管根數基數分別為9 和12 根。分析圖2 可以看出，隨著單排管根數的增加，翅片管區，光管區冷卻散熱量及風冷與蒸發冷負荷之比均增大，如當單排管根數的增量由1 增加至7 根時，翅片管換熱量增加了3 kW，而光管區散熱量增加很少。這主要是由于翅片管和光管區的換熱面積會隨單排管根數的增加而增大，且翅片管換熱面積的增加幅度遠大于光管，在盤管傳熱傳質系數的綜合作用下使得管內冷卻水散熱量增加。這表明單排管根數的增加有利于冷卻水的散熱，且對翅片管的換熱強化作用大于光管，從風冷與蒸發冷負荷比的增加亦可得出這一點。正如圖2 所示，塔的實際換熱量和冷卻效率均隨單排管根數的增加而增大，如單排管根數增加7 根后，冷卻效率提高了7%。因此單排管根數的增加有利于強化換熱，提高塔的冷卻性能。

圖2 單排管根數對塔冷卻性能的影響

3.2.2 翅片管與總管排數之比

由圖3 可知，隨翅片管與總管排數比值的增加，翅片管散熱量及風冷與蒸發冷負荷比均呈上升趨勢，而光管散熱量急劇下降。如管排數比值為2:14 時，翅片管和光管的散熱量分別為5 kW 和21 kW，負荷比為0.23。而當管排數比值增加到12:14 時，兩者散熱量幾乎相等，對應的負荷比為0.97。這意味著隨著翅片管與總管排數比值的增大，風冷效果顯著增強，并逐步逼近蒸發式冷卻。其主要原因在于翅片管與總管排數比值的增大使得翅片管排數增加、光管排數減小，因此翅片區傳熱得到強化，而光管區的傳熱則被削弱。從圖3 中還可以看出光管區散熱量的減小幅度大于翅片區散熱量的增加，從而導致塔的總散熱量減少。正如圖3 所示，塔的實際換熱量和冷卻效率均隨著比值的增加而減小，如當比值從2:14 增大到12:14 時，塔的實際換熱量與冷卻效率分別降低了約33 與20%。這表明翅片管排數所占的比值越大，復合型塔的冷卻性能越差，且光管的蒸發冷卻效果優于翅片管的風冷效果。

圖3 翅片管與總管排數比對塔冷卻性能的影響

3.2.3 排管長度

分析圖4 可知，管內冷卻水散熱量，塔的實際換熱量和冷卻效率均隨單根管長度增加而增大。正如圖4 所示，當單根管長度從1.2 m 增加到2.4 m 時，翅片管和光管內冷卻水散熱量分別增加了1.5 kW 和3 kW。其原因是隨著管長增加，雖然盤管的傳熱傳質系數減小，但同時管內外介質的總換熱面積也隨之增加，并且換熱面積增加導致的換熱強化程度大于傳熱傳質系數的下降程度，從而使得綜合換熱效果增強，管內冷卻水的散熱量也越多，因此塔的冷卻性能也會隨之提高。進一步從圖4 還可以看出，當單根管長度為1.2 m 時，冷卻效率為48%，而管長增加到2.4 m后，冷卻效率提高至58%。這是由于翅片管和光管內冷卻水散熱量的增加使得塔的實際換熱量增大，強化了塔內的熱質交換效果，因此冷卻效率提高。在塔尺寸允許的條件下，增加排管長度有利于提高塔的散熱量與冷卻性能。

圖4 排管長度對塔冷卻性能的影響

3.2.4 排管間距

考慮到翅片管基管上安裝有翅片，因此翅片管間距會大于光管，這里設兩者管間距基數分別為55 mm和37 mm。從圖5 中可以看出翅片管和光管內冷卻水散熱量均隨管間距的增加而減小，如當管間距增加14 mm 時，翅片管和光管散熱量分別減少1.5 kW 和1 kW。這主要是由于管間距的增大會導致翅片管傳熱系數和光管傳質系數的減小，從而削弱管內冷卻水的散熱能力。同時，翅片管散熱量的減小幅度要大于光管，因此負荷比減小。這表明管間距的增加對翅片管風冷卻能力的削弱程度大于光管。進一步分析圖5 可以發現，冷卻水的總散熱量隨著管間距的增加而減小，因此塔的實際換熱量和冷卻效率均隨之降低，如管間距從0.002 m 增加到0.014 m，實際換熱量和冷卻效率分別減小了2.5 kW 和5%。這意味著排管間距的增加會使得塔的冷卻性能降低，導致冷卻效率降低。

圖5 排管間距對塔冷卻性能的影響

3.3 運行參數的影響

3.3.1 空氣濕球溫度

為了進一步獲得空氣濕球溫度對風冷蒸發復合型塔冷卻性能的影響規律，圖6 給出了管內冷卻水散熱量、塔換熱量和冷卻效率隨空氣濕球溫度的變化。從圖中可以看出，光管內冷卻水散熱量、塔的實際和理想換熱量均隨空氣濕球溫度的升高而減小，而翅片管內水的散熱量不變。如當空氣濕球溫度從26 ℃上升到29 ℃，光管內冷卻水的散熱量和實際換熱量均減小4 kW，其原因是翅片區風冷不受空氣濕球溫度的影響，而空氣濕球溫度的升高使得光管區蒸發冷卻的傳質系數減小，從而削弱了空氣與介質間的傳質能力。與之對應的理想換熱量則減小15 kW，這是由于冷卻水的理想出水溫度為塔周圍空氣的濕球溫度，隨著空氣濕球溫度的增加，理想出水溫度越高，則冷卻水與管外介質的換熱量也隨之減小。進一步分析圖6 還可以看出，冷卻效率隨著空氣濕球溫度的升高而增大，如空氣濕球溫度為26 ℃、29 ℃時的冷卻效率分別為49.5%、57.5%，這是因為實際和理想換熱量之間的差距隨著空氣濕球溫度的升高不斷減小，這意味著塔的實際冷卻能力不斷逼近理想運行狀態，因此冷卻效率隨之增大，而冷卻效率越高也就表明冷卻性能越好。

圖6 空氣濕球溫度對塔冷卻性能的影響

3.3.2 空氣流量

從圖7 可知，管內冷卻水散熱量和負荷比均隨空氣流量的增加而增大，如空氣流量從0.75 kg/s 增加到1.45 kg/s 時，翅片管和光管內的冷卻水散熱量分別增加了3 kW 和2 kW，而對應的風冷與蒸發冷負荷比從0.33 增加到0.47。這主要是由于空氣流量的增加使得翅片管和光管的傳熱傳質系數增大而強化了盤管的散熱效果。風冷與蒸發冷負荷比的增加說明風冷散熱的比重大，這意味著空氣流量的增加對風冷效果的強化作用大于蒸發冷。由于翅片管和光管內冷卻水散熱量均隨空氣流量的增加而增大，因此塔的實際換熱量也隨之增加，冷卻效率也隨之提高，正如圖7 所示，當空氣流量從0.75 kg/s 增大至1.45 kg/s 后，冷卻效率提高了12%，這說明空氣流量的增加有利于提高復合塔的冷卻散熱量與冷卻效率，從而改善其冷卻性能。

圖7 空氣流量對塔冷卻性能的影響

3.3.3 冷卻水量

分析圖8 可以看出，隨冷卻水流量的增加，光管內冷卻水散熱量增大，負荷比減小，而翅片管的散熱量幾乎不變。如當冷卻水流量從0.7kg/s 增加到1.9 kg/s 時，光管內冷卻水散熱量增加了14 kW，負荷比則減小0.35。其原因是隨冷卻水流量的增加，盤管傳熱系數增大，散熱能力增強，且冷卻水流量增加的同時也會使得冷卻負荷增大，而翅片管的散熱能力遠低于光管，所以翅片管的散熱量增加不明顯。負荷比的減小意味著，冷卻水流量越大光管的蒸發冷卻能力相比風冷就越強。進一步分析圖8 可以看出，塔的實際換熱量和理想換熱量均隨冷卻水流量的增加而增大，且理想換熱量的增加幅度大于實際換熱量，因此塔冷卻效率隨之降低。正如圖8 所示，冷卻水流量為0.7 kg/s、0.9 kg/s 時的冷卻效率分別為66%、43%。這意味著冷卻水流量越大，塔的冷卻效果越差，同時塔冷卻性能也隨之降低。

圖8 冷卻水量對塔冷卻性能的影響

3.3.4 噴淋水量

分析圖9 可以看出，光管內冷卻水散熱量、塔的實際換熱量和冷卻效率均隨噴淋水量的增加而增大，而翅片區為風冷，因此翅片管內散熱量不變。例如，當噴淋水量從2.0kg/s 增大至4.5 kg/s 時，光管內冷卻水散熱量和塔的實際換熱量均增加了4.5 kW，其原因在于噴淋水量的增加會提高光管與空氣間的傳熱傳質系數，強化光管區的冷卻散熱能力，有利于提高塔的冷卻性能。正如圖9 所示，當噴淋水量從2.0 kg/s 增加到4.5 kg/s 時，冷卻效率從52%增加到63%，這意味著噴淋水量的增大有利于提高塔的冷卻效率，使得冷卻水與管外介質間的換熱得到強化，塔的冷卻性能也隨之提高。

圖9 噴淋水量對塔冷卻性能的影響

4 結論

以南京地區氣候為例，模擬研究了風冷蒸發復合型橫流閉式冷卻塔在不同結構與運行參數下冷卻性能的變化規律，結果表明：1）就結構參數而言，隨著單排管根數與排管長度的增加，復合型冷卻塔的實際換熱量與冷卻效率均增加，而隨著盤管間距的增加，實際換熱量與冷卻效率均降低。與此同時，翅片管排數所占比值越大，復合型塔的冷卻性能越差，且光管蒸發冷卻效果優于翅片管的風冷效果。2）對運行參數而言，隨著空氣流量及噴淋水量的增加，冷卻塔的實際換熱量與冷卻效率均增加，而隨著空氣濕球溫度的上升，冷卻塔的實際換熱量下降但冷卻效率提高，隨著冷卻水量增加，冷卻塔的實際換熱量增大但冷卻效率下降。