复合型横流闭式冷却塔冷却性能的数值模拟

杨卫波 夏莉 孙念心

扬州大学电气与能源动力工程学院

0 引言

冷却塔作为降低冷却水水温的重要设备，在民用空调以及冶金、化工、电力、纺织等工业领域得到较广泛应用[1]。但我国水资源短缺[2-4]，所以研究节水型冷却塔意义重大。闭式冷却塔作为一种节水型冷却塔，因其水质不被污染、不易结垢与腐蚀、循环水消耗少而逐渐受到青睐[5]。然而，传统逆流闭式冷却塔换热效率低，且不便于根据环境条件变化进行灵活调节。为此，提出将干式风冷与湿式蒸发冷却相结合的复合型横流闭式冷却塔。与传统逆流式相比，横流式冷却塔的传热传质驱动力更均匀，有利于冷却效能的提高[6-7]。与传统干式风冷冷却塔相比，其冷却效率更高。与传统湿式冷却塔相比，其节水效果明显[8-9]，可高达53%[10]。此外，该复合型冷却塔还可根据室外气候变化，通过水量与风量的调节及风冷与蒸发冷的不同组合而实现多种运行模式，从而可进一步达到节能节水目的。

Dehaghani 等[11]模拟了不同工况下湿式冷却塔及干湿式复合型冷却塔的用水量，结果表明：天气条件和冷却目标对湿式冷却塔的用水量影响最大。在塔高相同时，干湿混合型冷却塔比湿式冷却塔节水9.4%。Wanchai 等[12]利用实验和数值模拟分析了干冷湿冷复合型冷却塔在多种工况下的性能。结果表明：混合型冷却塔的性能介于干式与湿式冷却塔之间，具体性能取决于干冷与湿冷的比例，其中干冷部分的性能系数远小于湿冷。王宇彤[13]等对干湿复合型冷却塔的冷却水流向进行了实验研究，研究发现：与逆流相比，顺流时冷却塔的换热性能受截面风速的影响更大，空气阻力更大，同等运行条件下顺流时复合型冷却塔的冷却性能比逆流时更高，最大可增加15.48%。杨俊杰等[14]对干湿复合型冷却塔中翅片管与光管的面积比进行了分析，结果表明：在总换热面积一定时，光管的换热面积越大，冷却塔的性能越好，当翅片管与光管的换热面积比为0.71 时，复合式冷却塔的性能最佳。庄亚男[15-16]通过实验研究了不同风量对复合闭式冷却塔换热性能的影响，结果显示：截面风速达到3.5 m/s 时，换热效果最佳。

综上分析可知，目前复合型冷却塔的研究主要集中于对用水量、干湿冷比例、冷却水流向、不同风量等宏观因素的研究，而对复合型冷却塔具体结构参数与运行参数的研究较少，为此，本文基于传热传质理论，对复合型冷却塔的结构参数（盘管根数、盘管排数、盘管长度、盘管间距）与运行参数（空气湿球温度、空气流量、冷却水量、喷淋水量）对风冷蒸发复合型塔性能的影响进行了研究。

1 风冷蒸发复合型横流闭式冷却塔热质交换过程

图1 给出了复合型横流闭式冷却塔结构，如图所示挡水板将塔体分为左右两个腔室，右腔室自上而下有翅片管风冷热交换区，光管蒸发式冷却热湿交换区及填料区喷淋水与空气的热湿交换区。复合型横流闭式冷却塔的传热传质过程是管内冷却水到管外喷淋水、空气以及管外喷淋水到空气的显热传热及潜热传质的耦合过程，热量的传递强化了喷淋水膜液膜表面水分的蒸发，质量的传递促进了热量的转移。

图1 风冷蒸发复合型横流闭式冷却塔模型示意图

2 热质交换数学模型

Merkel 法[17]的计算模型既能满足精度要求又便于计算，根据Merkel 法假设：

1）传热传质过程为稳态。

2）所涉及参数均为常物性参数。

3）流体为理想不可压缩流体。

4）忽略塔与外界的传热。

基于上述简化假设，根据能量平衡及热质传递理论，可得各区域的热质交换模型。

2.1 翅片管区

翅片管内冷却水失去的热量：

翅片管的总传热量：

翅片管外空气的得热量：

根据能量守恒原理，Q1与Q2相等，即：

由此可得翅片管内冷却水温度变化量为：

2.2 光管区

光管内冷却水失去的热量为：

则光管内冷却水温度变化量可以表示为：

空气的得热量为：

冷却水、空气及喷淋水之间的关系为：

2.3 填料区

设单位时间内通过水表面的面积为dS，则水与空气间的显热交换量为：

潜热交换量为：

空气的得热量为：

喷淋水散热量为：

则填料区的能量平衡方程为：

式中：Q 为换热量，W；c 为比热容，J/(kg·K)；M 为质量流量，kg/s；Kc为翅片管传热系数，W/(m2·K)；K 为光管传热系数，W/(m2·K)；hd为喷淋水膜对空气的传质系数，kg/(m2·K)；hxv为容积散质系数，kg/(m3·h)；△Tm为对数平均温差，℃；i 为空气的焓值，J/kg。以上各参数中，上标*表示空气饱和状态，第一下标a、f、w 分别表示空气、冷却水和喷淋水，第二下标i、o 分别表示进口和出口。

3 模拟计算及结果分析

3.1 计算条件

基于上述传热传质数学模型，利用Matlab 软件编制了塔内翅片区、光管区及填料区的热湿交换过程计算程序[18]。以南京地区气象参数为例，设定冷却水的理想出口温度为32 ℃，在对某个参数进行讨论时，其它参数均保持不变，程序中的模拟计算条件如表1 所示。

表1 模拟计算条件

3.2 结构参数的影响

3.2.1 单排管根数

考虑到翅片与光管区盘管结构参数的不同，设定翅片管和光管的单排管根数基数分别为9 和12 根。分析图2 可以看出，随着单排管根数的增加，翅片管区，光管区冷却散热量及风冷与蒸发冷负荷之比均增大，如当单排管根数的增量由1 增加至7 根时，翅片管换热量增加了3 kW，而光管区散热量增加很少。这主要是由于翅片管和光管区的换热面积会随单排管根数的增加而增大，且翅片管换热面积的增加幅度远大于光管，在盘管传热传质系数的综合作用下使得管内冷却水散热量增加。这表明单排管根数的增加有利于冷却水的散热，且对翅片管的换热强化作用大于光管，从风冷与蒸发冷负荷比的增加亦可得出这一点。正如图2 所示，塔的实际换热量和冷却效率均随单排管根数的增加而增大，如单排管根数增加7 根后，冷却效率提高了7%。因此单排管根数的增加有利于强化换热，提高塔的冷却性能。

图2 单排管根数对塔冷却性能的影响

3.2.2 翅片管与总管排数之比

由图3 可知，随翅片管与总管排数比值的增加，翅片管散热量及风冷与蒸发冷负荷比均呈上升趋势，而光管散热量急剧下降。如管排数比值为2:14 时，翅片管和光管的散热量分别为5 kW 和21 kW，负荷比为0.23。而当管排数比值增加到12:14 时，两者散热量几乎相等，对应的负荷比为0.97。这意味着随着翅片管与总管排数比值的增大，风冷效果显著增强，并逐步逼近蒸发式冷却。其主要原因在于翅片管与总管排数比值的增大使得翅片管排数增加、光管排数减小，因此翅片区传热得到强化，而光管区的传热则被削弱。从图3 中还可以看出光管区散热量的减小幅度大于翅片区散热量的增加，从而导致塔的总散热量减少。正如图3 所示，塔的实际换热量和冷却效率均随着比值的增加而减小，如当比值从2:14 增大到12:14 时，塔的实际换热量与冷却效率分别降低了约33 与20%。这表明翅片管排数所占的比值越大，复合型塔的冷却性能越差，且光管的蒸发冷却效果优于翅片管的风冷效果。

图3 翅片管与总管排数比对塔冷却性能的影响

3.2.3 排管长度

分析图4 可知，管内冷却水散热量，塔的实际换热量和冷却效率均随单根管长度增加而增大。正如图4 所示，当单根管长度从1.2 m 增加到2.4 m 时，翅片管和光管内冷却水散热量分别增加了1.5 kW 和3 kW。其原因是随着管长增加，虽然盘管的传热传质系数减小，但同时管内外介质的总换热面积也随之增加，并且换热面积增加导致的换热强化程度大于传热传质系数的下降程度，从而使得综合换热效果增强，管内冷却水的散热量也越多，因此塔的冷却性能也会随之提高。进一步从图4 还可以看出，当单根管长度为1.2 m 时，冷却效率为48%，而管长增加到2.4 m后，冷却效率提高至58%。这是由于翅片管和光管内冷却水散热量的增加使得塔的实际换热量增大，强化了塔内的热质交换效果，因此冷却效率提高。在塔尺寸允许的条件下，增加排管长度有利于提高塔的散热量与冷却性能。

图4 排管长度对塔冷却性能的影响

3.2.4 排管间距

考虑到翅片管基管上安装有翅片，因此翅片管间距会大于光管，这里设两者管间距基数分别为55 mm和37 mm。从图5 中可以看出翅片管和光管内冷却水散热量均随管间距的增加而减小，如当管间距增加14 mm 时，翅片管和光管散热量分别减少1.5 kW 和1 kW。这主要是由于管间距的增大会导致翅片管传热系数和光管传质系数的减小，从而削弱管内冷却水的散热能力。同时，翅片管散热量的减小幅度要大于光管，因此负荷比减小。这表明管间距的增加对翅片管风冷却能力的削弱程度大于光管。进一步分析图5 可以发现，冷却水的总散热量随着管间距的增加而减小，因此塔的实际换热量和冷却效率均随之降低，如管间距从0.002 m 增加到0.014 m，实际换热量和冷却效率分别减小了2.5 kW 和5%。这意味着排管间距的增加会使得塔的冷却性能降低，导致冷却效率降低。

图5 排管间距对塔冷却性能的影响

3.3 运行参数的影响

3.3.1 空气湿球温度

为了进一步获得空气湿球温度对风冷蒸发复合型塔冷却性能的影响规律，图6 给出了管内冷却水散热量、塔换热量和冷却效率随空气湿球温度的变化。从图中可以看出，光管内冷却水散热量、塔的实际和理想换热量均随空气湿球温度的升高而减小，而翅片管内水的散热量不变。如当空气湿球温度从26 ℃上升到29 ℃，光管内冷却水的散热量和实际换热量均减小4 kW，其原因是翅片区风冷不受空气湿球温度的影响，而空气湿球温度的升高使得光管区蒸发冷却的传质系数减小，从而削弱了空气与介质间的传质能力。与之对应的理想换热量则减小15 kW，这是由于冷却水的理想出水温度为塔周围空气的湿球温度，随着空气湿球温度的增加，理想出水温度越高，则冷却水与管外介质的换热量也随之减小。进一步分析图6 还可以看出，冷却效率随着空气湿球温度的升高而增大，如空气湿球温度为26 ℃、29 ℃时的冷却效率分别为49.5%、57.5%，这是因为实际和理想换热量之间的差距随着空气湿球温度的升高不断减小，这意味着塔的实际冷却能力不断逼近理想运行状态，因此冷却效率随之增大，而冷却效率越高也就表明冷却性能越好。

图6 空气湿球温度对塔冷却性能的影响

3.3.2 空气流量

从图7 可知，管内冷却水散热量和负荷比均随空气流量的增加而增大，如空气流量从0.75 kg/s 增加到1.45 kg/s 时，翅片管和光管内的冷却水散热量分别增加了3 kW 和2 kW，而对应的风冷与蒸发冷负荷比从0.33 增加到0.47。这主要是由于空气流量的增加使得翅片管和光管的传热传质系数增大而强化了盘管的散热效果。风冷与蒸发冷负荷比的增加说明风冷散热的比重大，这意味着空气流量的增加对风冷效果的强化作用大于蒸发冷。由于翅片管和光管内冷却水散热量均随空气流量的增加而增大，因此塔的实际换热量也随之增加，冷却效率也随之提高，正如图7 所示，当空气流量从0.75 kg/s 增大至1.45 kg/s 后，冷却效率提高了12%，这说明空气流量的增加有利于提高复合塔的冷却散热量与冷却效率，从而改善其冷却性能。

图7 空气流量对塔冷却性能的影响

3.3.3 冷却水量

分析图8 可以看出，随冷却水流量的增加，光管内冷却水散热量增大，负荷比减小，而翅片管的散热量几乎不变。如当冷却水流量从0.7kg/s 增加到1.9 kg/s 时，光管内冷却水散热量增加了14 kW，负荷比则减小0.35。其原因是随冷却水流量的增加，盘管传热系数增大，散热能力增强，且冷却水流量增加的同时也会使得冷却负荷增大，而翅片管的散热能力远低于光管，所以翅片管的散热量增加不明显。负荷比的减小意味着，冷却水流量越大光管的蒸发冷却能力相比风冷就越强。进一步分析图8 可以看出，塔的实际换热量和理想换热量均随冷却水流量的增加而增大，且理想换热量的增加幅度大于实际换热量，因此塔冷却效率随之降低。正如图8 所示，冷却水流量为0.7 kg/s、0.9 kg/s 时的冷却效率分别为66%、43%。这意味着冷却水流量越大，塔的冷却效果越差，同时塔冷却性能也随之降低。

图8 冷却水量对塔冷却性能的影响

3.3.4 喷淋水量

分析图9 可以看出，光管内冷却水散热量、塔的实际换热量和冷却效率均随喷淋水量的增加而增大，而翅片区为风冷，因此翅片管内散热量不变。例如，当喷淋水量从2.0kg/s 增大至4.5 kg/s 时，光管内冷却水散热量和塔的实际换热量均增加了4.5 kW，其原因在于喷淋水量的增加会提高光管与空气间的传热传质系数，强化光管区的冷却散热能力，有利于提高塔的冷却性能。正如图9 所示，当喷淋水量从2.0 kg/s 增加到4.5 kg/s 时，冷却效率从52%增加到63%，这意味着喷淋水量的增大有利于提高塔的冷却效率，使得冷却水与管外介质间的换热得到强化，塔的冷却性能也随之提高。

图9 喷淋水量对塔冷却性能的影响

4 结论

以南京地区气候为例，模拟研究了风冷蒸发复合型横流闭式冷却塔在不同结构与运行参数下冷却性能的变化规律，结果表明：1）就结构参数而言，随着单排管根数与排管长度的增加，复合型冷却塔的实际换热量与冷却效率均增加，而随着盘管间距的增加，实际换热量与冷却效率均降低。与此同时，翅片管排数所占比值越大，复合型塔的冷却性能越差，且光管蒸发冷却效果优于翅片管的风冷效果。2）对运行参数而言，随着空气流量及喷淋水量的增加，冷却塔的实际换热量与冷却效率均增加，而随着空气湿球温度的上升，冷却塔的实际换热量下降但冷却效率提高，随着冷却水量增加，冷却塔的实际换热量增大但冷却效率下降。