翅片管束蒸发冷却器性能研究

刘乃玲 李世强

山东建筑大学热能工程学院

对于闭式蒸发冷却塔的研究，大多数文献中描述的是盘管为光管的冷却塔，以及翅片管与光管并用的干湿两用冷却塔。干湿并用冷却塔最早应用于工业领域[1-2]：山东建筑大学房大兵[3]、龚晓燕[4]，分别对干湿串联、并联冷却塔进行了研究。传统干湿串联型冷却塔为干湿上下配置进行工作，东华大学的王宇彤、周亚素[5]等人对此类冷却塔冷却水流向对干湿串联的冷却塔性能影响进行了研究，得出了在只考虑冷却性能方面时，干湿复合冷却塔顺流时效果更好，丁枭[6]等人也做过此类理论研究。本文研究的冷却塔类型也为干湿两用冷却塔，在夏季可开启喷淋水，冬季关闭喷淋水，在同一管段进行两种工作状态。翅片管更多的应用于风冷及喷雾水式蒸发冷却器中，对翅片管应用于蒸发冷却研究较少，华东理工大学张庆[7]对翅片管用于进行蒸发进行了理论及实验研究，得出了传热和传质系数，为本文的研究内容提供了理论方法。

1 数学模型

对于蒸发冷却，其热湿交换性能可用以下一些公式分析[8]：

水冷段盘管总传热系数K与盘管与水膜的对流换热系数，管内的传热系数，以及管壁传热系数有关。

式中：NTU 为传热单元数，表征了换热器的换热能力大小；Ae为有管外效传热面积，m2；K为盘管总传热系数，W/(m2·℃)；Cpp为水的比热容，kJ/(kg·℃)；qp冷却水流量，kg/s。

式中：MW为水膜冷却数；hm为水膜散质系数kg/(m2·s)；G为空气质量流量，kg/s。

在计算自循环水温t时，先假定一个自循环水温，由上式计算出另一个自循环水温，计算出的水温与假定值不同时，以此计算值为假定值重新计算，直至计算值与假定值偏差在许可范围内。

式中：t为自循环水温，℃；T1、T2分别为冷却水进出塔水温，℃；i''t为自循环水温下饱和空气的焓，kJ/kg；il为进塔空气的焓，kJ/kg。

2 水冷区参数确定

盘管总传热系数K用下式计算

式中：Ao为管外表面积，m2；Ai为管内表面积，m2；Ae为有管外效传热面积，m2；ag管壁的传热系数，W/(m2·℃)；αi管内传热系数，W/ (m2·℃)；ho为传热系数，W/(m2·℃)。

对于翅片管表面蒸发冷却传热过程，目前研究较少，华东理工大学的张庆[7]进行了实验及理论分析，并给出传热传质关联式。传热关联式为空气的质量流量，喷淋强度，以及空气相对湿度的函数：

式中：Ga为最大空气的质量流量kg/(m2·s)；ma空气质量流量，kg/s；Amin盘管间最小流道面积，m2；mw喷淋水质量流量，kg/s；Afr喷淋面积，m2；B为喷淋强度kg/(m2·s)；R为相对湿度。

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

忽略管壁结构热阻的影响，管壁的传热系数ag用下式计算：

式中：λ为钢管导热系数，W/(m·℃)；Am对数平均管表面积，m2。

传质关联式为空气及喷淋水雷诺数，以及相对湿度的表达式[7]：

式中：Rew为管外水雷诺数；Rea为空气雷诺数；n管根数；lf翅片管管长，m；μw喷淋水的动力粘度，kg/(m·s)；do基管外表面直径，m；μa空气动力粘度，kg/(m·s)。

适用范围：4459.509≤Rea≤10986.907，4.418 ≤Rew≤112.474，45.16%≤R≤79.30%。

对此类型冷却塔各结构对冷却塔出水温度的影响进行分析，分别对不同管根数，不同管排数，喷淋强度，最大风速进行分析，在分析一个变量时，对其他变量取中间值。

3 计算结果及分析

计算的环境参数取北方夏季典型气象参数：干球温度为34 ℃，湿球温度为27 ℃。翅片管选用通用的国产低翅片型号，结构如表1：

表1 国产低翅片管结构表

3.1 管根数影响

选取冷却水量分别为100t/h、200t/h、300t/h、400t/h。分别计算各不同冷却水量时冷却水出水温度随管根数的变化。取管根数为50、60、70、80、90、100。计算结果如图1 所示。

图1 冷却水温降随管根数变化图

由图1 可以看到不同冷却水量对应的最佳每排管根数是不同的，当冷却水为100t/h 时，每排的翅片管根数从50 增加到60 时，冷却水温度下降0.6 ℃，继续增加管根数时，冷却水温度下降变小，每增加10 根管温差将小于0.5 ℃。当冷却水流量为200t/h 时，管根数达到70 根时，继续增加管根数，每增加10 根管温降小于0.5 ℃。当冷却水流量为300t/h 时，管根数在达到80 根时，继续增加管根数，每增加10 根管温降小于0.5 ℃。当冷却水流量达到400t/h 时，最佳管根数达到90。继续增加管根数。每增加10 根管温降小于0.5 ℃。此数据为管排数设定在8 排时计算得出，下面探究管排数的变化对冷却塔出水温度趋势变化的影响。

3.2 管排数影响

选择冷却水流量为100t/h、200t/h、300t/h、400t/h进行计算，管根数设定为每排80 根，依次计算管排数为2、4、6、8、10 排时冷却水出水温度变化。将数据绘制成折线图（图2）：

图2 冷却水温降随管排数变化图

从图2 可以很明显看出管排数的变化对不同流量冷却水出口温度的影响，在管排数为4 到8 排时，管排数的增加对冷却水温度的下降有较大影响。继续增大管排数，冷却水下降趋势不明显。

以上是对固定的风量，喷淋强度，以及每排管根数，通过改变盘管排数来探究盘管排数对不同流量下冷却水温度变化趋势的影响。为进一步研究管排数对冷却水温降的变化规律，下面固定冷却水量为200t/h。改变冷却塔其他参数进行分析。通过改变喷淋强度，最小截面处空气质量流量，每排管根数以及管长进行纵向对比。

1）200t/h、喷淋强度0.6 kg/(m2·s)，最小截面处空气质量流量5.5 kg/(m2·s)，每排根数80 根的计算结果作为参照组。

2）改变每排管根数，将每排根数减少到40 根进行计算。

3）改变喷淋强度，将喷淋强度增大至1.2 kg/(m·s)进行计算。

4）最小截面处空气质量流量，将最小截面处空气质量流量增大至7.5 kg/(m·s)进行计算。

5）改变管长，将管长减小到3 m。

计算结果如图3：

图3 冷却水温度随管排数变化图

由图3 可以看出，最佳管排数为6 到8 排之间。在盘管数达到8 之后增加管排数来增加换热面积对冷却水温降影响不大。喷淋水强度及最小截面处空气质量流量对最佳管排数的影响较小。管根数和管长度减小时，将管排数增加到8 排以上，冷却水温度仍有小幅度下降。

3.3 喷淋强度影响

计算冷却水流量100t/h、200t/h、300t/h、400t/h 时，管排数为8 排，管根数为80，最小截面风速为6.5 kg/(m2·s)。计算喷淋水强度对冷却水出水温降变化趋势的影响（图4）。

图4 冷却水温降随喷淋强度变化图

由图4 可以看到在不同流量时对应的最佳喷淋强度不同，在流量为100t/h 到400t/h 范围内，在最小截面处空气质量流量固定为6.5 kg/(m2·s)时，最佳喷淋强度的范围在0.2 kg/(m2·s)到0.8 kg/(m2·s)之间，最佳喷淋强度随冷却水流量的增加而增加，在喷淋水强度到达一定值时，继续增加喷淋水强度，对冷却效果几乎没有影响。

3.4 风速影响

计算冷却水量100t/h、200t/h、300t/h、400t/h 时，冷却水温降受风速变化的影响，风速的选择范围应在传热关联式适用的范围内。选择不同的风量，使截面最小处空气质量流量为3.5、4.5、5.5、6.5、7.5 kg/(m2·s)进行计算（图5）。

图5 冷却水温降随最小截面处空气质量流量变化图

从图5 可以看出，最小处空气质量流量的变化对冷却水出水温度的变化相比于喷淋强度要更加显著，且在计算风速范围内，随着风速的增加，冷却水温降始终随风速变化而变化的比较明显。

3.5 气水比的探究

在冷却塔结构确定的情况下，气水比是对冷却水温度降低的重要影响因素，对冷却水流量为300t/h，冷却塔结构固定：盘管排数为8 排，管根数为80，管长为6.5 m。将传热公式适用范围内的最小截面处空气质量流量以及喷淋水强度分别进行组合计算（图6）。

图6 冷却水温降受最小截面处空气质量流量及喷淋强度共同影响变化图

从图6 可以看到，在不同风量下，冷却水的温降趋势总在一定的喷淋水强度范围内变化放缓，说明在喷淋水达到一定量时，继续增加喷淋水，对冷却水温降影响很小。

4 结论

冷却水温降受结构及运行参数两方面共同影响。

1）对于结构，在换热管排达到一定排数时，继续增加管排数，冷却效果提升不明显。若要增加换热面积提高换热量，将换热面积增加在管长及管根数上要比将换热面积增加在管排数上的冷却效果好。

2）在运行参数方面，风量与喷淋水量共同影响。当喷淋强度达到一定值时，继续提高喷淋强度，对冷却效果提升不明显。最小截面处空气质量流量的增加对冷却效果也有显著提升，随着风量持续增加，冷却效果提升略有下降，但在计算范围内下降不明显。