李晨光，王元華，厲 勇，王仲義

（1.中國石化天津分公司，天津 300271；2.華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200237；3.中國石化大連石油化工研究院，遼寧大連 116000）

符號說明

Gi、Gn——換熱管內(nèi)和熱交換器進(jìn)出口管內(nèi)質(zhì)量流速，kg/（m2·s）

GN1——?dú)怏w進(jìn)口時(shí)的質(zhì)量流速，kg/（m2·s）

ζ——結(jié)垢補(bǔ)償系數(shù)ζ=0.6+0.4/ln（10 300ri+2.7）

ri——管內(nèi)介質(zhì)結(jié)垢熱阻，（m2·K）/W

ro——管外壁污垢熱阻，（m2·K）/W

ρi——管內(nèi)介質(zhì)密度，kg/m3

ρ1——?dú)怏w進(jìn)口時(shí)的密度，kg/m3

ρf——出口空氣的平均密度，kg/m3

ρa(bǔ)——干空氣密度，kg/m3

φi——壁溫修正系數(shù)

φi=（μi/μw）0.14

μi——介質(zhì)黏度，Pa·s

μw——壁溫下介質(zhì)黏度，Pa·s

fi——管程流體的摩擦因數(shù)

ε——進(jìn)口條件下壓降校正系數(shù)

φ——考慮水膜使空氣阻力增加的系數(shù)，一般取1.2～1.5

ξ——管束阻力系數(shù)

ξ=(5.4+3.4Nr)Rea-0.28

Nr——管程數(shù)

Rea——空氣的雷諾數(shù)

Rew——噴淋水的雷諾數(shù)

Re、ReE——雷諾數(shù)和當(dāng)量雷諾數(shù)

ωmax——管束最窄截面處的風(fēng)速，m/s

∑ξ——擋水板阻力系數(shù)，單波取∑ξ=3

vd——擋水板最窄截面處風(fēng)速，m/s

vd≈1.2u

u——實(shí)際迎面風(fēng)速，m/s

Z——噴嘴排管數(shù)

hi——管內(nèi)冷卻介質(zhì)與管內(nèi)壁面之間的膜傳熱系數(shù)，W/（m2·K）

hw——管外噴淋水膜與管外壁面之間的膜傳熱系數(shù)，W/（m2·K）

hcf——冷凝液膜傳熱系數(shù)，W/（m2·K）

hsv——?dú)庀囡@熱傳熱系數(shù)，W/（m2·K）

h——水膜-空氣對流傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）

hv——多組分混合蒸汽冷凝氣相傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）

δ——管壁厚度，m

λ——管材導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）

di——換熱管內(nèi)徑，m

do——換熱管外徑，m

Gw——噴淋密度，kg/（m2·s）

Δtp——冷卻溫差，℃

Δtp=tpi-tpo

tpi——管內(nèi)冷卻介質(zhì)進(jìn)口溫度，℃

tpo——管內(nèi)冷卻介質(zhì)出口溫度，℃

β——逼近度，℃

β=tpo-twb

twb——濕球溫度，℃

tp——管內(nèi)冷卻介質(zhì)溫度，℃

tw——管外噴淋水膜溫度，℃

ta——空氣干球溫度，℃

r——0 ℃下水的蒸發(fā)焓，J/kg

qmw——噴淋水質(zhì)量流量，t/h

qma——干空氣質(zhì)量流量（風(fēng)量），t/h

qmp——管內(nèi)冷卻介質(zhì)質(zhì)量流量，t/h

w——含濕量，kg/kg

K——管內(nèi)冷卻介質(zhì)到管外噴淋水膜的總傳熱系數(shù)，W/（m2·K）

A——面積，m2

hd——管外噴淋水膜到空氣的傳質(zhì)系數(shù)，kg/（m2·s）

ws——水膜表面空氣飽和含濕量，kg/kg

Qa——干空氣的換熱量，J

Qm——蒸發(fā)傳質(zhì)換熱量，J

Qc——對流傳熱量，J

rw——0 ℃下噴淋水的蒸發(fā)焓，J/kg

cw——噴淋水比熱容，J/（kg·℃）

cp——管內(nèi)冷卻介質(zhì)比熱容，J/（kg·℃）

ca——ta/2 下干空氣的比熱容，J/（kg·℃）

cv——ta/2 下水蒸氣比熱容，J/（kg·℃）

caw——tw/2 下干空氣的比熱容，J/（kg·℃）

cvw——tw/2 下水蒸氣的比熱容，J/（kg·℃）

L——管長，m

λl——凝液導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）

C，m，n——待定系數(shù)

Pr——普朗特?cái)?shù)

Ga——空氣流量密度，kg/(m2·s)

p——壓強(qiáng)，Pa

蒸發(fā)冷卻技術(shù)是通過水與空氣的熱濕交換來獲取冷量的一種高效環(huán)保的冷卻方式。閉式冷卻塔是間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的一種典型應(yīng)用形式，閉式冷卻塔中的冷卻介質(zhì)與空氣和噴淋水不直接接觸，管內(nèi)冷卻介質(zhì)通過間壁式的換熱盤管和管外流體進(jìn)行熱交換。本文以閉式冷卻塔蒸發(fā)冷卻盤管為研究對象，建立并求解其傳熱傳質(zhì)理論模型，進(jìn)行蒸發(fā)冷卻盤管的熱力特性研究，以期為后續(xù)蒸發(fā)冷卻盤管的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行打下基礎(chǔ)。

1 閉式冷卻塔蒸發(fā)冷卻盤管傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型建立

1.1 蒸發(fā)冷卻盤管傳熱傳質(zhì)過程

閉式冷卻塔的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)包括噴淋泵、收水器、風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒及蒸發(fā)冷卻盤管等，其結(jié)構(gòu)組成見圖1。蒸發(fā)冷卻盤管部分的傳熱傳質(zhì)過程較為復(fù)雜，涉及管內(nèi)冷卻介質(zhì)、管外噴淋水和掠過管束的空氣3 股流體，整個(gè)傳熱傳質(zhì)過程可分為2 個(gè)階段，①以溫差為推動力，管內(nèi)冷卻介質(zhì)通過冷卻盤管將熱量傳遞給包裹在盤管外壁面的噴淋水膜。②以焓差為推動力，噴淋水膜表面與空氣之間進(jìn)行潛熱傳質(zhì)和顯熱傳熱過程。蒸發(fā)冷卻盤管單管傳熱過程示意見圖2。

圖1 閉式冷卻塔蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

圖2 蒸發(fā)冷卻盤管單管傳熱過程示圖

1.2 蒸發(fā)冷卻盤管傳熱傳質(zhì)控制方程

在蒸發(fā)冷卻盤管中，工藝?yán)鋮s介質(zhì)在管內(nèi)流動，噴淋水被噴灑在交錯(cuò)的水平管外，噴淋水蒸發(fā)到掠過管束的空氣中。對此過程中的模型進(jìn)行一定的簡化和假設(shè)［1］，可從基本原理導(dǎo)出蒸發(fā)冷卻盤管的傳熱傳質(zhì)分析模型。以最常見的水氣逆流式蒸發(fā)冷卻盤管為例，對圖3所示的管束單元模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析［2-3］。

圖3 蒸發(fā)冷卻盤管管束單元傳熱傳質(zhì)示圖

對管束單元，根據(jù)質(zhì)量守恒定律可得：

根據(jù)能量守恒可得：

由式（1）化簡可得：

即噴淋水吸熱蒸發(fā)的減少量全部轉(zhuǎn)換為干空氣中水蒸氣（含濕量w）的增加量。式（2）中，空氣中水蒸氣含量相對于干空氣質(zhì)量可忽略不計(jì)，再舍去2 階小項(xiàng)，化簡可得：

根據(jù)管內(nèi)介質(zhì)的熱量變化、管內(nèi)冷卻介質(zhì)與管外噴淋水膜的換熱量可得：

空氣含濕量的變化為：

空氣未飽和的情況下，空氣-水膜界面上的總焓轉(zhuǎn)移是由水蒸氣濃度差和溫度差引起的，即：

其中由濃度差引起的蒸發(fā)傳質(zhì)所帶來的換熱量為：

由溫度差引起的對流傳熱量為：

將式（8）、式（9）代入式（7）可得：

單位質(zhì)量干空氣中濕空氣（空氣、水蒸氣混合物）的焓值ia為：

噴淋水膜溫度下對應(yīng)的單位質(zhì)量飽和空氣焓值ias為：

由于空氣和噴淋水膜之間的溫差比較小，故可忽略溫度變化導(dǎo)致的干空氣和水蒸氣比熱容的變化，則由式（11）、式（12）可得：

或

將式（14）代入式（10），有：

引入劉易斯因子Lef=h/(hdca)，由于wcv相對于ca很小，可忽略，所以h/(ca+wcv)hd可近似等于Lef。

根據(jù)文獻(xiàn)［2］給出的經(jīng)驗(yàn)式，有：

將式（15）代入式（7），可得：

聯(lián)立式（3）～式（6）、式（16）、式（17）即可求解蒸發(fā)冷卻盤管管束單元的傳熱傳質(zhì)情況，此方法即Poppe 法。

1.3 蒸發(fā)冷卻盤管壓降計(jì)算模型

1.3.1 管程流體壓降

對管內(nèi)無相變氣體或液體冷卻過程，冷卻盤管內(nèi)單相流體的總壓降Δpi由沿程摩擦損失Δpt、彎頭損失Δpr及進(jìn)出口處的阻力損失ΔpN組成的［4］：

其中

對管內(nèi)氣體冷凝過程，總壓降計(jì)算式為［4］：

1.3.2 管外空氣壓降

管外空氣總壓降Δpw由通過管束的阻力Δp1、通過擋水板的阻力Δp2及通過噴水排管的阻力Δp3組成［5］：

其中

1.4 熱力模型中各參數(shù)確定

1.4.1 管內(nèi)冷卻介質(zhì)到管外噴淋水膜總傳熱系數(shù)

管內(nèi)冷卻介質(zhì)到管外噴淋水膜的總傳熱系數(shù)K 計(jì)算公式為：

1.4.2 管內(nèi)膜傳熱系數(shù)hi

水平管內(nèi)無相變氣體或液體冷卻的管內(nèi)膜傳熱系數(shù)采用Sieder and Tate 推薦的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算［6］。當(dāng)Re ＞104時(shí)（湍流區(qū)），有：

當(dāng)管內(nèi)為純組分蒸汽的冷凝時(shí)，水平管內(nèi)冷凝膜傳熱系數(shù)可按Akers 關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算［7］。

水平管內(nèi)多組分混合蒸汽冷凝傳熱的計(jì)算可以分成兩部分，首先計(jì)算冷凝液膜的傳熱系數(shù)，其次求出氣相傳熱系數(shù)，然后綜合求出冷凝傳熱系數(shù)hi，c［8-9］：

1.4.3 管外傳熱系數(shù)hw

對于管外噴淋水膜與管外壁面間的傳熱系數(shù)，國內(nèi)外已有很多學(xué)者做過研究并擬合出計(jì)算關(guān)聯(lián)式，但由于實(shí)驗(yàn)盤管的結(jié)構(gòu)不同，所以計(jì)算公式也不一致。

Paker R O 等［3］實(shí)驗(yàn)得出hw受噴淋水溫度tw和噴淋水質(zhì)量流量qmw影響很大，水氣逆流和水氣順流時(shí)的hw分別按照式（31）、式（32）進(jìn)行計(jì)算：

Mizushina T 等［10］對不同管徑的換熱盤管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合得到：

Niitsu Y 等［11-13］實(shí)驗(yàn)給出16 mm 管徑換熱管的hw計(jì)算關(guān)聯(lián)式：

Heyns J A 等［14］實(shí)驗(yàn)擬合的公式加入了空氣流量對傳熱系數(shù)的影響：

1.4.4 管外噴淋水膜到空氣的傳質(zhì)系數(shù)hd

噴淋水膜與空氣之間存在質(zhì)量擴(kuò)散和熱量傳遞的耦合，是整個(gè)傳熱傳質(zhì)過程中最復(fù)雜的環(huán)節(jié)，目前沒有統(tǒng)一的計(jì)算公式，廣泛運(yùn)用的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)式有以下幾個(gè)。

Paker R O 等［3］的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)式：

Mizushina T 等［10］的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)式：

Niitsu Y 等［11-13］的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)式：

Heyns J A 等［14］的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)式：

1.4.5 各流體物性參數(shù)

對于熱力模型中涉及到的噴淋水和管內(nèi)冷卻介質(zhì)的物性參數(shù)（比定壓熱容、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)等），采用Aspen HYSYS V9 軟件進(jìn)行查詢。對于濕空氣，水膜表面空氣飽和含濕量ws和水膜表面飽和蒸汽壓ps分別采用以下公式進(jìn)行計(jì)算［15-17］：

2 閉式冷卻塔蒸發(fā)冷卻盤管傳熱傳質(zhì)MATLAB 計(jì)算求解

2.1 解析模型

以水氣逆流式為例，將蒸發(fā)冷卻盤管的每個(gè)管程都劃分為n 個(gè)管束單元，所有管束單元可以組成Nr×n 的矩陣。蒸發(fā)冷卻盤管的解析模型見圖4。對每個(gè)單元進(jìn)行熱力計(jì)算，采用控制方程組——式（1）～式（6）、式（16）、式（17）求解每個(gè)單元的dtp、dqmw、dtw、dw、dia，將上一行單元計(jì)算的結(jié)果qmw、tw、w、ia作為下一行單元的輸入條件，前一列計(jì)算的結(jié)果tp作為后一列單元的輸入條件，每個(gè)單元的流體物性按單元的進(jìn)口溫度、壓力進(jìn)行查詢或計(jì)算。

圖4 蒸發(fā)冷卻盤管解析模型

水氣逆流式蒸發(fā)冷卻盤管傳熱傳質(zhì)的控制方程為式（42）～式（46），根據(jù)各公式可以得到每個(gè)單元變量之間的聯(lián)系，從而將計(jì)算傳遞下去。

2.2 求解過程

采用二維計(jì)算求解蒸發(fā)冷卻盤管傳熱傳質(zhì)性能，求解程序框圖見圖5。

圖5 MATLAB 求解程序框圖

在MATLAB 計(jì)算中，計(jì)算方向沿管內(nèi)冷卻介質(zhì)流動方向，即奇數(shù)行從單元1 計(jì)算到單元n，進(jìn)入下一行偶數(shù)行從單元n 計(jì)算到單元1，依次從第一行（管程1）計(jì)算到最后一行（管程N(yùn)r），計(jì)算結(jié)束。由于第一行單元的空氣焓值、含濕量未知，即管束的空氣出口焓值iao、含濕量wo未知，故需進(jìn)行假設(shè)，然后依次計(jì)算得到每個(gè)單元的tp、qmw、tw、w、ia。當(dāng)滿足計(jì)算收斂條件，即計(jì)算進(jìn)口空氣焓值、含濕量（最后一行的空氣焓值、含濕量）與實(shí)際進(jìn)口空氣焓值、含濕量的偏差小于0.5%后，停止假設(shè)，輸出結(jié)果，得到每個(gè)單元的tp、qmw、tw、w、ia，否則繼續(xù)假設(shè)，重新計(jì)算。

2.3 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

根據(jù)Hasan 的實(shí)驗(yàn)裝置［18］，設(shè)定蒸發(fā)冷卻盤管內(nèi)冷卻介質(zhì)的質(zhì)量流量qmp=2.88 t/h，風(fēng)量qma=10.8 t/h，噴淋水質(zhì)量流量qmw=4.932 t/h。蒸發(fā)冷卻盤管結(jié)構(gòu)參數(shù)為，管程數(shù)Nr=12，單程管數(shù)Nt=19，管外徑do=10 mm，管內(nèi)徑di=8 mm，橫向間距S1=0.06 m，縱向間距S2=0.02 m，管長L=1.2 m。管內(nèi)為無相變的液體冷卻過程，MATLAB 求解計(jì)算得出的管內(nèi)冷卻介質(zhì)溫度tp（P）、管外噴淋水水膜溫度tw（P）沿管程變化情況與文獻(xiàn)［18］實(shí)驗(yàn)結(jié)果tp（H）、tw（H）的比較見圖6。

圖6 蒸發(fā)冷卻盤管管內(nèi)冷卻介質(zhì)溫度及管外噴淋水水膜溫度沿管程變化曲線對比

由圖6 可知，計(jì)算得到的每個(gè)管程的冷卻介質(zhì)溫度和噴淋水水膜溫度都與實(shí)驗(yàn)測試值高度吻合，誤差均遠(yuǎn)低于5%。

3 蒸發(fā)冷卻盤管運(yùn)行參數(shù)對熱力性能影響分析

3.1 冷卻性能評價(jià)指標(biāo)

在蒸發(fā)冷卻盤管結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的情況下，采用不同的運(yùn)行參數(shù)會導(dǎo)致同一設(shè)備表現(xiàn)出不同的熱力性能。研究采用的蒸發(fā)冷卻盤管管束規(guī)格為26.7 mm×23.7 mm×2 m，單程有36 根管（正三角形排列，單程由2 排管束組成，每排18 根管），共10 程。對噴淋水未采用其他冷卻措施，即要求噴淋水膜進(jìn)口溫度twi與出口溫度two相同。對蒸發(fā)冷卻盤管進(jìn)行校核型計(jì)算，預(yù)測其在給定運(yùn)行參數(shù)下的熱力性能，分析主要運(yùn)行參數(shù)（管內(nèi)冷卻介質(zhì)流量、噴淋水流量、風(fēng)量及空氣濕球溫度）對蒸發(fā)冷卻盤管熱力性能的影響規(guī)律。

蒸發(fā)冷卻盤管的冷卻性能有冷卻溫差Δtp和冷卻效率η 這2 個(gè)評價(jià)指標(biāo)。冷卻溫差是指進(jìn)口冷卻介質(zhì)溫度與出口冷卻介質(zhì)溫度之差，也稱冷卻幅度。冷卻效率為冷卻幅度與冷卻幅度、冷卻逼近度之和的比值。在極限情況下，冷卻效率最大為100%，即冷卻介質(zhì)出口溫度下降到空氣的濕球溫度。冷卻效率計(jì)算公式為：

3.2 運(yùn)行參數(shù)影響分析

3.2.1 冷卻介質(zhì)質(zhì)量流量

給定運(yùn)行參數(shù)，管內(nèi)冷卻介質(zhì)的進(jìn)口溫度tpi=50 ℃，噴淋水質(zhì)量流量qmw=54.78 t/h，風(fēng)量qma=45.65 t/h，空氣干球溫度ta=30 ℃，濕球溫度twb=24 ℃。

僅改變蒸發(fā)冷卻盤管管內(nèi)冷卻介質(zhì)質(zhì)量流量qmp（qmp取值在20～140 t/h），計(jì)算得到了蒸發(fā)冷卻盤管熱力性能隨冷卻介質(zhì)質(zhì)量流量變化的曲線，見圖7。

圖7 冷卻介質(zhì)質(zhì)量流量對蒸發(fā)冷卻盤管熱力性能影響曲線

從圖7 可以看出，隨著冷卻介質(zhì)質(zhì)量流量的增大，冷卻介質(zhì)出口溫度、噴淋水出口溫度、出口空氣焓值均升高，總傳熱系數(shù)增大，冷卻效率降低，管程壓降上升，熱負(fù)荷增大。這是因?yàn)殡S著冷卻介質(zhì)質(zhì)量流量的增大，流速增大，湍流加強(qiáng)，層流邊界層減薄，提高了總傳熱系數(shù)。但由于介質(zhì)進(jìn)出口冷卻溫差減小，所以冷卻效率反而下降。管外空氣壓降與管內(nèi)介質(zhì)流動不相關(guān)，因此空氣壓降不隨流速變化。而管程壓降隨著冷卻介質(zhì)質(zhì)量流量的增大而增大，因?yàn)榱髁吭酱螅魉僭礁?，管?nèi)流動壓降也就越大。

因此，在保證冷卻介質(zhì)出口溫度達(dá)到要求的條件下，增大蒸發(fā)冷卻盤管管內(nèi)冷卻介質(zhì)質(zhì)量流量可以增大閉式冷卻塔的熱負(fù)荷，提高單臺閉式冷卻塔的運(yùn)行效率。

3.2.2 噴淋水質(zhì)量流量

給定運(yùn)行參數(shù)，管內(nèi)冷卻介質(zhì)的質(zhì)量流量qmp=45.65 t/h，進(jìn)口溫度 tpi=50 ℃，風(fēng)量qma=45.65 t/h，空氣干球溫度ta=30 ℃，濕球溫度twb=24 ℃。改變噴淋水質(zhì)量流量qmw，計(jì)算得到了蒸發(fā)冷卻盤管熱力性能隨噴淋水與冷卻介質(zhì)質(zhì)量流量比（qmw/qmp）變化情況，見圖8。

圖8 蒸發(fā)冷卻盤管熱力性能隨噴淋水與冷卻介質(zhì)質(zhì)量流量比變化曲線

噴淋水質(zhì)量流量增大，則噴淋水與冷卻介質(zhì)質(zhì)量流量比增大。由圖8 可知，隨著噴淋水質(zhì)量流量的增大，冷卻介質(zhì)出口溫度降低，噴淋水出口溫差有所上升，但上升趨勢不大，出口空氣焓值增大。當(dāng)qmw/qmp大于1.2 后，冷卻介質(zhì)出口溫度隨噴淋水質(zhì)量流量增大而下降的趨勢逐漸減緩?？倐鳠嵯禂?shù)、冷卻效率、空氣壓降和熱負(fù)荷均隨噴淋水質(zhì)量流量的增大而上升。噴淋水質(zhì)量流量的大小直接影響管外水膜的狀態(tài)。噴淋水質(zhì)量流量過小，則盤管表面未全部被水膜包裹，存在空區(qū)，降低了傳熱效率。噴淋水質(zhì)量流量過大，則液膜過厚，增大了傳熱熱阻。此外，噴淋水質(zhì)量流量的改變會影響噴淋水的噴出速度和水滴粒徑，從而對噴淋水在冷卻塔塔內(nèi)的蒸發(fā)傳質(zhì)過程造成影響。空氣壓降隨著噴淋水質(zhì)量流量的增大而上升，這是因?yàn)殡S著噴淋水質(zhì)量流量增大，冷卻塔塔內(nèi)的水幕越發(fā)密集，空氣流動的阻力也就越大。通過增大噴淋水質(zhì)量流量可以有效增大閉式冷卻塔的熱負(fù)荷，但隨著噴淋水質(zhì)量流量的進(jìn)一步加大，這種影響逐漸減小。

3.2.3 風(fēng)量

給定運(yùn)行參數(shù)，管內(nèi)冷卻介質(zhì)的質(zhì)量流量qmp=45.65 t/h，進(jìn)口溫度tpi=50 ℃，噴淋水質(zhì)量流量qmw=54.78 t/h，空氣干球溫度ta=30 ℃，濕球溫度twb=24 ℃。改變風(fēng)量，計(jì)算得到了蒸發(fā)冷卻盤管熱力性能隨風(fēng)量與冷卻介質(zhì)質(zhì)量流量比變化情況，見圖9。

圖9 風(fēng)量對蒸發(fā)冷卻盤管熱力性能影響曲線

由圖9 可知，風(fēng)量的增大會導(dǎo)致冷卻介質(zhì)出口溫度、噴淋水出口溫度和出口空氣焓值降低，總傳熱系數(shù)、冷卻效率、空氣壓降和熱負(fù)荷增大。從傳熱傳質(zhì)機(jī)理來看，噴淋水膜在空氣中蒸發(fā)，傳質(zhì)的推動力是空氣和水膜附近的水蒸氣分壓力之差，隨著噴淋水的不斷蒸發(fā)，空氣中的水蒸氣含量增多，這種推動力逐漸減小。若風(fēng)量很大，則空氣中含濕量增大得較為緩慢，有利于噴淋水膜的蒸發(fā)傳質(zhì)過程。風(fēng)量越大，對噴淋水膜的擾動作用越大，有利于減薄水膜厚度，進(jìn)而減小水膜熱阻，增大噴淋水到空氣的對流傳熱系數(shù)。若空氣溫度較低，還可對水膜起到直接冷卻作用。但風(fēng)量并非越大越好，隨著風(fēng)量的增大，噴淋水會被吹散，噴淋水膜-空氣間的穩(wěn)定傳質(zhì)傳熱過程傾向于無序?？諝鈮航狄搽S著風(fēng)量的增大而增大，雖然增大風(fēng)量可以提高閉式冷卻塔的熱負(fù)荷，但風(fēng)機(jī)的功耗將增大。

3.2.4 空氣濕球溫度

給定運(yùn)行參數(shù)，管內(nèi)冷卻介質(zhì)的質(zhì)量流量qmp=45.65 t/h，進(jìn)口溫度tpi=50 ℃，噴淋水質(zhì)量流量qmw=54.78 t/h，風(fēng)量qma=45.65 t/h。改變空氣濕球溫度，計(jì)算得到了蒸發(fā)冷卻盤管部分熱力性能隨空氣濕球溫度的變化情況，見圖10～圖12。

圖10 空氣濕球溫度對蒸發(fā)冷卻盤管流體溫度和焓值影響曲線

圖11 空氣濕球溫度對蒸發(fā)冷卻盤管總傳熱系數(shù)和冷卻效率影響曲線

圖12 空氣濕球溫度對蒸發(fā)冷卻盤管熱負(fù)荷影響曲線

由圖10～圖12所示的各條曲線可以知道，隨著空氣濕球溫度的升高，冷卻介質(zhì)出口溫度、噴淋水出口溫度和出口空氣焓值均上升，出口空氣焓值的上升趨勢更為明顯?？倐鳠嵯禂?shù)和冷卻效率隨空氣濕球溫度的升高變化不大，但熱負(fù)荷是下降的。

空氣濕球溫度升高的實(shí)質(zhì)就是降低了水膜與空氣的傳質(zhì)推動力，濕球溫度越高，空氣相對濕度越大，則能夠繼續(xù)吸收的水蒸氣的量越少，噴淋水膜的蒸發(fā)傳質(zhì)過程越弱。且冷卻塔所能冷卻到的極限溫度就是空氣的濕球溫度，因此濕球溫度的提高將急劇降低閉式冷卻塔的熱負(fù)荷。

4 結(jié)束語

以閉式冷卻塔蒸發(fā)冷卻盤管為研究對象，建立并求解其傳熱傳質(zhì)理論模型，進(jìn)行了蒸發(fā)冷卻盤管熱力特性的研究：

（1）對蒸發(fā)冷卻盤管單元控制體進(jìn)行熱量、質(zhì)量守恒分析，結(jié)合傳熱傳質(zhì)基本理論得到蒸發(fā)冷卻盤管內(nèi)3 股流體的傳熱傳質(zhì)控制方程，通過方程求解管內(nèi)冷卻介質(zhì)溫度、噴淋水膜溫度和質(zhì)量、空氣焓值和含濕量沿管內(nèi)流動方向上的變化。建立了管內(nèi)冷卻介質(zhì)的流動壓降和掠過管束的空氣壓降計(jì)算模型。

（2）分析確定了閉式冷卻塔蒸發(fā)冷卻盤管熱力計(jì)算模型中涉及到的重要參數(shù)——管內(nèi)冷卻介質(zhì)到管外噴淋水膜的總傳熱系數(shù)、管內(nèi)膜傳熱系數(shù)（單相冷卻和氣相冷凝情況）、管外膜傳熱系數(shù)、噴淋水膜到空氣的傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算方法，3 股流體的物性參數(shù)查詢和計(jì)算等，從而實(shí)現(xiàn)了熱力計(jì)算模型的求解。

（3）采用MATLAB 編程對蒸發(fā)冷卻盤管熱力計(jì)算模型進(jìn)行求解，得到管內(nèi)冷卻介質(zhì)、管外噴淋水膜沿管程的溫度變化曲線，并與文獻(xiàn)［18］中的Hasan 實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對比結(jié)果顯示二者偏差低于5%。

（4）基于校核計(jì)算程序，針對主要運(yùn)行參數(shù)（管內(nèi)冷卻介質(zhì)質(zhì)量流量、噴淋水質(zhì)量流量、風(fēng)量、空氣濕球溫度）對蒸發(fā)冷卻盤管熱力性能的影響情況進(jìn)行研究，得到了各空氣參數(shù)對盤管總傳熱系數(shù)、冷卻效率、空氣壓降以及熱負(fù)荷的影響規(guī)律，對閉式冷卻塔的運(yùn)行優(yōu)化研究具有一定的指導(dǎo)意義。