翅片參數對風冷蒸發復合型橫流閉式冷卻塔換熱性能的影響

孫念心，楊衛波

（揚州大學電氣與能源動力工程學院，江蘇揚州 225127）

冷卻塔是工業領域中廣泛使用的設備，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約水資源意義重大。根據空氣流向的不同，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驅動力更均勻，有利于冷卻效能的提高［4-5］。根據冷卻方式的不同，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冷卻與蒸發冷卻相結合，其性能介于干式冷卻塔與濕式冷卻塔之間［6］，且節水效果明顯［7-8］。許多國內外學者對此展開研究，包括建立復合式冷卻塔的模型［9］，研究冷卻水流向［10］、盤管換熱面積［11］、不同風量［12-13］、單排管根數、管排數、管長度［14-15］等結構參數與運行參數對干濕式復合型冷卻塔冷卻性能的影響。復合型冷卻塔的風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對翅片管傳熱的影響或結構參數與運行參數對復合型冷卻塔冷卻性能的影響，而復合式冷卻塔中翅片管的翅片參數改變對冷卻塔換熱性能及冷卻效率的影響尚缺乏研究。本文基于傳熱傳質方程，對復合型橫流閉式冷卻塔中的不同翅片參數進行了研究，以進一步探討翅片結構改變對復合型冷卻塔換熱性能及冷卻效率的影響。

1 風冷蒸發復合型冷卻塔的結構

風冷蒸發復合型橫流閉式冷卻塔的結構如圖1所示，該復合型塔的組成部分主要有殼體、風機、擋水板、噴淋裝置、換熱盤管、集水槽、風口和循環水泵等。換熱盤管分為翅片管區和光管區兩部分，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冷卻。該塔的工作原理為冷卻水從上部的冷卻水進口流經翅片管、光管，再由下部的冷卻水出口流出。在翅片管區，冷卻水與空氣進行熱交換；在光管區，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 風冷蒸發復合型橫流閉式冷卻塔結構示意圖

2 數學模型

為了簡化模型和便于計算，本文假設［23］：①流體均為理想的不可壓縮流體；②所涉及參數均為常物性參數；③翅片的傳熱系數不隨溫度變化，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。

翅片管內冷卻水失去的熱量［24］：

式中：Mf為翅片管內冷卻水的質量流量（kg／s）；cf為翅片管內冷卻水的比熱（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（W／（m2·K））；Ac為翅片管的總換熱面積（m2）；ΔTm為對數平均溫差（℃）。

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）。

翅片管內的冷卻過程是在理想條件下進行的，所以翅片管內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冷卻水溫度變化量，可以表示為：

3 結果與討論

3.1 模擬計算條件

本文基于傳熱傳質的數學模型，利用Matlab軟件分別對復合型冷卻塔的翅片管區與光管區的熱濕交換過程編譯了相應的程序，程序中的模擬計算參數見表1。在研究某一參數影響時，其他參數均采用表1中的數值并保持不變。

表1 模擬計算條件

3.2 翅片參數的影響

3.2.1 翅片間距

圖2為翅片管總傳熱系數隨翅片間距的變化曲線。圖2結果顯示：隨著翅片間距的增加，翅片管的總傳熱系數也增加。如當翅片間距為1.5 mm時，翅片管總傳熱系數為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，每米管長的翅片數就越少，翅片就越稀疏，從而翅片管的管外表面積就越小；翅片間距的增大會使翅片管外側與空氣的對流換熱系數增大，但同時翅片間距的增加也會使空氣側最小流道斷面積增加，管外最小流通截面處的質量流速減小，質量流速的減小又會使翅片管外側與空氣的對流換熱系數減小，即翅片間距的增加對翅片管外側與空氣的對流換熱系數將產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與空氣的對流換熱系數增加。在管外表面積減小與對流換熱系數增加的綜合作用下，翅片管總傳熱系數增加。

圖2 翅片管總傳熱系數隨翅片間距的變化

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，而總傳熱系數增加，且表面積的減小程度大于總傳熱系數的增加程度，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揮的作用就越小。這主要是因為翅片間距越大，從翅片區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也隨之增加。當翅片厚度為0.5 mm時，翅片管總傳熱系數為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，每米管長的翅片數就越少，翅片管的管外表面積就越小；同時空氣側最小流道斷面積減小，管外最小流通截面處的質量流速增加，使得翅片管外側與空氣的對流換熱系數增加，從而使翅片管總傳熱系數增加。

圖5 翅片管總傳熱系數隨翅片厚度的變化

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。這說明翅片區在整個冷卻塔中發揮的作用基本不變。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最小流道斷面積減小，從而使得最小流通截面處質量流速減小，進而使得翅片管外側與空氣的對流換熱系數減小；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的增加有促進作用，但對流換熱系數減小對翅片管總換熱系數的影響比表面積增大對總換熱系數的影響更大，所以總換熱系數減小。

圖8 翅片管總傳熱系數隨翅片高度的變化

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，翅片區在整個冷卻塔中所發揮的作用就越大，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 結論

1）隨著翅片間距、翅片厚度的增加，翅片區總傳熱系數增加，而隨著翅片高度的增加，翅片管的總傳熱系數減小。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，且變化幅度較小；翅片厚度的改變對冷卻塔效率、翅片管效率及翅片管效率占總效率的比值基本無影響。

模擬結果為風冷蒸發復合型冷卻塔的優化設計提供了依據。