翅片参数对风冷蒸发复合型横流闭式冷却塔换热性能的影响

孙念心，杨卫波

（扬州大学电气与能源动力工程学院，江苏扬州 225127）

冷却塔是工业领域中广泛使用的设备，其耗水量巨大，而我国水资源紧缺［1-3］，所以提高冷却塔的冷却性能对节约水资源意义重大。根据空气流向的不同，冷却塔可分为横流式冷却塔与逆流式冷却塔，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［4-5］。根据冷却方式的不同，冷却塔可分为干式冷却塔、湿式冷却塔及干湿混合型冷却塔，干湿混合型冷却塔是将风冷却与蒸发冷却相结合，其性能介于干式冷却塔与湿式冷却塔之间［6］，且节水效果明显［7-8］。许多国内外学者对此展开研究，包括建立复合式冷却塔的模型［9］，研究冷却水流向［10］、盘管换热面积［11］、不同风量［12-13］、单排管根数、管排数、管长度［14-15］等结构参数与运行参数对干湿式复合型冷却塔冷却性能的影响。复合型冷却塔的风冷部分主要依靠翅片管与空气进行热交换散热，翅片管的管壳形状［16］、翅片形状［17-18］、翅片材料［19］、翅片间距［20-21］、翅片厚度［22］等参数对传热性能有很大影响。但目前研究主要集中在单独地研究翅片参数对翅片管传热的影响或结构参数与运行参数对复合型冷却塔冷却性能的影响，而复合式冷却塔中翅片管的翅片参数改变对冷却塔换热性能及冷却效率的影响尚缺乏研究。本文基于传热传质方程，对复合型横流闭式冷却塔中的不同翅片参数进行了研究，以进一步探讨翅片结构改变对复合型冷却塔换热性能及冷却效率的影响。

1 风冷蒸发复合型冷却塔的结构

风冷蒸发复合型横流闭式冷却塔的结构如图1所示，该复合型塔的组成部分主要有壳体、风机、挡水板、喷淋装置、换热盘管、集水槽、风口和循环水泵等。换热盘管分为翅片管区和光管区两部分，喷淋装置的作用是使喷淋水均匀地覆盖在光管上，有利于喷淋水的蒸发冷却。该塔的工作原理为冷却水从上部的冷却水进口流经翅片管、光管，再由下部的冷却水出口流出。在翅片管区，冷却水与空气进行热交换；在光管区，冷却水与喷淋水在光管外形成的水膜及空气进行热湿交换。

图1 风冷蒸发复合型横流闭式冷却塔结构示意图

2 数学模型

为了简化模型和便于计算，本文假设［23］：①流体均为理想的不可压缩流体；②所涉及参数均为常物性参数；③翅片的传热系数不随温度变化，且翅片的温度只沿径向变化；④忽略塔体与外界的传热；⑤ 管外流动的空气不存在温差，且均匀分布。

翅片管内冷却水失去的热量［24］：

式中：Mf为翅片管内冷却水的质量流量（kg／s）；cf为翅片管内冷却水的比热（J／（kg·K））；Ti、To分别为冷却水的进出口温度（℃）。

翅片管的总传热量：

式中：Kc为翅片管总传热系数（W／（m2·K））；Ac为翅片管的总换热面积（m2）；ΔTm为对数平均温差（℃）。

翅片管外空气得到的热量：

式中：Ma为翅片管外空气的质量流量（kg／s）；ca为翅片管外空气的比热（J／（kg·K））；ti、to分别为空气的进出口温度（℃）；ia为空气的焓值（J／kg）。

翅片管内的冷却过程是在理想条件下进行的，所以翅片管内冷却水失去的热量等于翅片管的总传热量，即：

基于上式可得翅片管内冷却水温度变化量，可以表示为：

3 结果与讨论

3.1 模拟计算条件

本文基于传热传质的数学模型，利用Matlab软件分别对复合型冷却塔的翅片管区与光管区的热湿交换过程编译了相应的程序，程序中的模拟计算参数见表1。在研究某一参数影响时，其他参数均采用表1中的数值并保持不变。

表1 模拟计算条件

3.2 翅片参数的影响

3.2.1 翅片间距

图2为翅片管总传热系数随翅片间距的变化曲线。图2结果显示：随着翅片间距的增加，翅片管的总传热系数也增加。如当翅片间距为1.5 mm时，翅片管总传热系数为26.69 W／（m2·K）；而当翅片间距为2.2 mm时，翅片管总传热系数增加为31.62 W／（m2·K）。这是因为在翅片厚度不变的条件下，翅片间距越大，每米管长的翅片数就越少，翅片就越稀疏，从而翅片管的管外表面积就越小；翅片间距的增大会使翅片管外侧与空气的对流换热系数增大，但同时翅片间距的增加也会使空气侧最小流道断面积增加，管外最小流通截面处的质量流速减小，质量流速的减小又会使翅片管外侧与空气的对流换热系数减小，即翅片间距的增加对翅片管外侧与空气的对流换热系数将产生增大与减小两个相反的影响，且增大的程度大于减小的程度，所以最终翅片管外侧与空气的对流换热系数增加。在管外表面积减小与对流换热系数增加的综合作用下，翅片管总传热系数增加。

图2 翅片管总传热系数随翅片间距的变化

图3给出了冷却水出口温度及单位面积的换热量随翅片间距的变化曲线。分析图3可以看出：翅片间距越大，冷却水的出口温度越高。当翅片间距为1.5 mm时，冷却水出口温度为29.39℃；而当翅片间距为2.2 mm时，冷却水出口温度为29.83℃。其原因是翅片厚度不变时，随着翅片间距的增加，翅片管的总表面积减小，而总传热系数增加，且表面积的减小程度大于总传热系数的增加程度，所以换热效果减弱，翅片管总换热量减小，冷却水的出口温度上升。分析图3还可以看出：翅片间距越大，单位面积的换热量就越大。如当翅片间距为1.5 mm时，翅片管单位面积的换热量为0.27 kW／m2；而当翅片间距为2.2 mm时，翅片管单位面积的换热量度为0.32 kW／m2。这主要是由于尽管翅片间距增大使得翅片管总换热量减小，但翅片管的换热面积也减小，且换热面积的减小程度大于总换热量的减小程度，所以单位面积的换热量呈上升趋势。

图3 冷却水出口温度、单位面积的换热量随翅片间距的变化

图4示出冷却塔总效率、翅片管效率及翅片管效率占冷却塔总效率的比值随翅片间距的变化。

图4 效率及翅片管效率所占比值随翅片间距的变化

从图4中可以看出：随着翅片间距的增加，冷却塔总效率、翅片管效率及翅片管效率占冷却塔总效率的比值均呈下降趋势。冷却塔总效率由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%；翅片管效率占总效率的比值由0.83下降至0.78。这表明翅片间距的增加不利于冷却塔效率的提高，且翅片间距越大，翅片管在冷却塔中所发挥的作用就越小。这主要是因为翅片间距越大，从翅片区所流出的冷却水温度就越高，从而影响翅片管的冷却效率。

3.2.2 翅片厚度

翅片厚度对翅片管总传热系数的影响如图5所示，从图中可以看出：翅片厚度增加，翅片管的总传热系数也随之增加。当翅片厚度为0.5 mm时，翅片管总传热系数为26.69 W／（m2·K）；而当翅片间距为1.2 mm时，翅片管总传热系数为35.69 W／（m2·K）。其原因是由于在翅片间距不变时，翅片厚度越大，每米管长的翅片数就越少，翅片管的管外表面积就越小；同时空气侧最小流道断面积减小，管外最小流通截面处的质量流速增加，使得翅片管外侧与空气的对流换热系数增加，从而使翅片管总传热系数增加。

图5 翅片管总传热系数随翅片厚度的变化

图6为冷却水出口温度及单位面积换热量随翅片厚度的变化情况。图6表明翅片厚度的增加对冷却水出口温度影响较小。这主要是由于翅片管的总传热系数虽然增加，但翅片管的换热面积却在减小，两种作用相互抵消，使得空气所带走的冷却水中的热量基本不变，因此冷却水的出口温度基本不变。进一步分析图6可知：单位面积换热量随翅片厚度的增加而增大。如当翅片厚度从0.5 m增加到1.2 m时，单位面积的换热量从0.26 kW／m2增加到0.35 kW／m2。其原因是翅片厚度的增加对换热量基本没有影响，但是换热面积在减小，所以单位面积换热量会增加。

图6 冷却水出口温度温度、单位面积换热量随翅片厚度的变化

图7表示冷却塔总效率、翅片管效率及翅片管效率占冷却塔总效率的比值随翅片厚度的变化。从图中可以看出：翅片厚度对冷却塔总效率、翅片管效率及翅片管效率占冷却塔总效率的比值均影响不大，当翅片厚度从0.5 mm增加到1.2 mm时，冷却塔总效率只下降了0.54%，翅片管效率只下降了0.85%，翅片管效率占总效率的比值减少了0.001。这说明翅片区在整个冷却塔中发挥的作用基本不变。其原因是翅片厚度的改变对冷却水的出口温度影响不大，进而对冷却效率的影响也不大。

图7 效率及翅片管效率所占比值随翅片厚度的变化

3.2.3 翅片高度

分析图8可得，翅片高度越大，翅片管的总传热系数就越小。如当翅片高度从12 mm增加到19 mm时，翅片管总传热系数从35.45 W／（m2·K）减小到22.57 W／（m2·K），减小了36%。这是由于翅片高度的增加使得空气侧最小流道断面积减小，从而使得最小流通截面处质量流速减小，进而使得翅片管外侧与空气的对流换热系数减小；而翅片高度的增加会使翅片的表面积增大，表面积增大对翅片管总换热系数的增加有促进作用，但对流换热系数减小对翅片管总换热系数的影响比表面积增大对总换热系数的影响更大，所以总换热系数减小。

图8 翅片管总传热系数随翅片高度的变化

图9为翅片高度对冷却水出口温度及单位面积换热量的影响。分析图9可以看出：翅片高度越高，冷却水出口温度就越低，冷却效果越好。当翅片高度为12 mm时，冷却水出口温度为30.32℃；而当翅片高度为19 mm时，冷却水出口温度为29.26℃。其原因是虽然翅片高度的增加使得翅片管总传热系数减小，但同时也使得换热面积增大，且换热面积增大对换热效果的影响更大，所以使得空气与冷却水的热交换增强，空气所能带走的热量也越多，因此冷却水的出口温度就越低。

图9 冷却水出口温度、单位面积换热量随翅片高度的变化

从图9中还可以看出：单位面积的换热量随翅片高度的增加而减小，当翅片高度为12 mm时，翅片管单位面积的换热量为0.35 kW／m2；而当翅片高度为19 mm时，翅片管单位面积的换热量度为0.26 kW／m2。这是由于翅片高度越高，翅片管的总换热量越大，而换热面积也越大，且换热面积的增大程度大于总换热量的增大程度，所以单位面积的换热量随翅片高度的增加呈下降趋势。

图10为冷却塔效率、翅片管效率及翅片管效率占总效率的比值随翅片高度的变化。由图可得：随着翅片高度的增加，其效率及比值均呈上升趋势，冷却塔总效率上升了8.07%，翅片管总效率上升了12.84%，翅片管效率占总效率的比值增加了0.12。这表明：翅片高度越高，翅片区在整个冷却塔中所发挥的作用就越大，冷却效果越好。这主要是因为翅片高度的增加会导致冷却水出口温度降低，从而影响冷却塔效率。

图10 效率及翅片管效率所占比值随翅片高度的变化

4 结论

1）随着翅片间距、翅片厚度的增加，翅片区总传热系数增加，而随着翅片高度的增加，翅片管的总传热系数减小。与翅片间距相比，翅片厚度和翅片高度的变化对总传热系数的影响更大。

2）翅片高度越大，冷却水出口温度越低；而翅片间距越大，冷却水出口温度越高；翅片厚度的变化对冷却水出口温度基本无影响。

3）随着翅片间距、翅片厚度的增加，翅片管单位面积的换热量也增加；而随着翅片高度的增加，单位面积的换热量减小。

4）翅片高度越大，冷却塔效率、翅片管效率及翅片管效率占总效率的比值就越高，且变化幅度较大；翅片间距越大，冷却塔效率、翅片管效率及翅片管效率占总效率的比值就越低，且变化幅度较小；翅片厚度的改变对冷却塔效率、翅片管效率及翅片管效率占总效率的比值基本无影响。

模拟结果为风冷蒸发复合型冷却塔的优化设计提供了依据。