翅片管束蒸發冷卻器性能研究

劉乃玲 李世強

山東建筑大學熱能工程學院

對于閉式蒸發冷卻塔的研究，大多數文獻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用于工業領域[1-2]：山東建筑大學房大兵[3]、龔曉燕[4]，分別對干濕串聯、并聯冷卻塔進行了研究。傳統干濕串聯型冷卻塔為干濕上下配置進行工作，東華大學的王宇彤、周亞素[5]等人對此類冷卻塔冷卻水流向對干濕串聯的冷卻塔性能影響進行了研究，得出了在只考慮冷卻性能方面時，干濕復合冷卻塔順流時效果更好，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，冬季關閉噴淋水，在同一管段進行兩種工作狀態。翅片管更多的應用于風冷及噴霧水式蒸發冷卻器中，對翅片管應用于蒸發冷卻研究較少，華東理工大學張慶[7]對翅片管用于進行蒸發進行了理論及實驗研究，得出了傳熱和傳質系數，為本文的研究內容提供了理論方法。

1 數學模型

對于蒸發冷卻，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K與盤管與水膜的對流換熱系數，管內的傳熱系數，以及管壁傳熱系數有關。

式中：NTU 為傳熱單元數，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，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；hm為水膜散質系數kg/(m2·s)；G為空氣質量流量，kg/s。

在計算自循環水溫t時，先假定一個自循環水溫，由上式計算出另一個自循環水溫，計算出的水溫與假定值不同時，以此計算值為假定值重新計算，直至計算值與假定值偏差在許可范圍內。

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

2 水冷區參數確定

盤管總傳熱系數K用下式計算

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

對于翅片管表面蒸發冷卻傳熱過程，目前研究較少，華東理工大學的張慶[7]進行了實驗及理論分析，并給出傳熱傳質關聯式。傳熱關聯式為空氣的質量流量，噴淋強度，以及空氣相對濕度的函數：

式中：Ga為最大空氣的質量流量kg/(m2·s)；ma空氣質量流量，kg/s；Amin盤管間最小流道面積，m2；mw噴淋水質量流量，kg/s；Afr噴淋面積，m2；B為噴淋強度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%。

忽略管壁結構熱阻的影響，管壁的傳熱系數ag用下式計算：

式中：λ為鋼管導熱系數，W/(m·℃)；Am對數平均管表面積，m2。

傳質關聯式為空氣及噴淋水雷諾數，以及相對濕度的表達式[7]：

式中：Rew為管外水雷諾數；Rea為空氣雷諾數；n管根數；lf翅片管管長，m；μw噴淋水的動力粘度，kg/(m·s)；do基管外表面直徑，m；μa空氣動力粘度，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構對冷卻塔出水溫度的影響進行分析，分別對不同管根數，不同管排數，噴淋強度，最大風速進行分析，在分析一個變量時，對其他變量取中間值。

3 計算結果及分析

計算的環境參數取北方夏季典型氣象參數：干球溫度為34 ℃，濕球溫度為27 ℃。翅片管選用通用的國產低翅片型號，結構如表1：

表1 國產低翅片管結構表

3.1 管根數影響

選取冷卻水量分別為100t/h、200t/h、300t/h、400t/h。分別計算各不同冷卻水量時冷卻水出水溫度隨管根數的變化。取管根數為50、60、70、80、90、100。計算結果如圖1 所示。

圖1 冷卻水溫降隨管根數變化圖

由圖1 可以看到不同冷卻水量對應的最佳每排管根數是不同的，當冷卻水為100t/h 時，每排的翅片管根數從50 增加到60 時，冷卻水溫度下降0.6 ℃，繼續增加管根數時，冷卻水溫度下降變小，每增加10 根管溫差將小于0.5 ℃。當冷卻水流量為200t/h 時，管根數達到70 根時，繼續增加管根數，每增加10 根管溫降小于0.5 ℃。當冷卻水流量為300t/h 時，管根數在達到80 根時，繼續增加管根數，每增加10 根管溫降小于0.5 ℃。當冷卻水流量達到400t/h 時，最佳管根數達到90。繼續增加管根數。每增加10 根管溫降小于0.5 ℃。此數據為管排數設定在8 排時計算得出，下面探究管排數的變化對冷卻塔出水溫度趨勢變化的影響。

3.2 管排數影響

選擇冷卻水流量為100t/h、200t/h、300t/h、400t/h進行計算，管根數設定為每排80 根，依次計算管排數為2、4、6、8、10 排時冷卻水出水溫度變化。將數據繪制成折線圖（圖2）：

圖2 冷卻水溫降隨管排數變化圖

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

以上是對固定的風量，噴淋強度，以及每排管根數，通過改變盤管排數來探究盤管排數對不同流量下冷卻水溫度變化趨勢的影響。為進一步研究管排數對冷卻水溫降的變化規律，下面固定冷卻水量為200t/h。改變冷卻塔其他參數進行分析。通過改變噴淋強度，最小截面處空氣質量流量，每排管根數以及管長進行縱向對比。

1）200t/h、噴淋強度0.6 kg/(m2·s)，最小截面處空氣質量流量5.5 kg/(m2·s)，每排根數80 根的計算結果作為參照組。

2）改變每排管根數，將每排根數減少到40 根進行計算。

3）改變噴淋強度，將噴淋強度增大至1.2 kg/(m·s)進行計算。

4）最小截面處空氣質量流量，將最小截面處空氣質量流量增大至7.5 kg/(m·s)進行計算。

5）改變管長，將管長減小到3 m。

計算結果如圖3：

圖3 冷卻水溫度隨管排數變化圖

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

3.3 噴淋強度影響

計算冷卻水流量100t/h、200t/h、300t/h、400t/h 時，管排數為8 排，管根數為80，最小截面風速為6.5 kg/(m2·s)。計算噴淋水強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度變化圖

由圖4 可以看到在不同流量時對應的最佳噴淋強度不同，在流量為100t/h 到400t/h 范圍內，在最小截面處空氣質量流量固定為6.5 kg/(m2·s)時，最佳噴淋強度的范圍在0.2 kg/(m2·s)到0.8 kg/(m2·s)之間，最佳噴淋強度隨冷卻水流量的增加而增加，在噴淋水強度到達一定值時，繼續增加噴淋水強度，對冷卻效果幾乎沒有影響。

3.4 風速影響

計算冷卻水量100t/h、200t/h、300t/h、400t/h 時，冷卻水溫降受風速變化的影響，風速的選擇范圍應在傳熱關聯式適用的范圍內。選擇不同的風量，使截面最小處空氣質量流量為3.5、4.5、5.5、6.5、7.5 kg/(m2·s)進行計算（圖5）。

圖5 冷卻水溫降隨最小截面處空氣質量流量變化圖

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

3.5 氣水比的探究

在冷卻塔結構確定的情況下，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，冷卻塔結構固定：盤管排數為8 排，管根數為80，管長為6.5 m。將傳熱公式適用范圍內的最小截面處空氣質量流量以及噴淋水強度分別進行組合計算（圖6）。

圖6 冷卻水溫降受最小截面處空氣質量流量及噴淋強度共同影響變化圖

從圖6 可以看到，在不同風量下，冷卻水的溫降趨勢總在一定的噴淋水強度范圍內變化放緩，說明在噴淋水達到一定量時，繼續增加噴淋水，對冷卻水溫降影響很小。

4 結論

冷卻水溫降受結構及運行參數兩方面共同影響。

1）對于結構，在換熱管排達到一定排數時，繼續增加管排數，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上要比將換熱面積增加在管排數上的冷卻效果好。

2）在運行參數方面，風量與噴淋水量共同影響。當噴淋強度達到一定值時，繼續提高噴淋強度，對冷卻效果提升不明顯。最小截面處空氣質量流量的增加對冷卻效果也有顯著提升，隨著風量持續增加，冷卻效果提升略有下降，但在計算范圍內下降不明顯。