基于熱濕傳遞方程的復合塔冷卻性能分析

基于熱濕傳遞方程的復合塔冷卻性能分析

0結構參數(shù)與運行參數(shù)的優(yōu)化該塔塔建成是減少水溫的重要設備，廣泛應用于民用空調(diào)、冶金、化工、能源、紡織等行業(yè)。Dehaghani等綜上分析可知，目前復合型冷卻塔的研究主要集中于對用水量、干濕冷比例、冷卻水流向、不同風量等宏觀因素的研究，而對復合型冷卻塔具體結構參數(shù)與運行參數(shù)的研究較少，為此，本文基于傳熱傳質(zhì)理論，對復合型冷卻塔的結構參數(shù)（盤管根數(shù)、盤管排數(shù)、盤管長度、盤管間距）與運行參數(shù)（空氣濕球溫度、空氣流量、冷卻水量、噴淋水量）對風冷蒸發(fā)復合型塔性能的影響進行了研究。1熱質(zhì)交換區(qū)的劃分圖1給出了復合型橫流閉式冷卻塔結構，如圖所示擋水板將塔體分為左右兩個腔室，右腔室自上而下有翅片管風冷熱交換區(qū)，光管蒸發(fā)式冷卻熱濕交換區(qū)及填料區(qū)噴淋水與空氣的熱濕交換區(qū)。復合型橫流閉式冷卻塔的傳熱傳質(zhì)過程是管內(nèi)冷卻水到管外噴淋水、空氣以及管外噴淋水到空氣的顯熱傳熱及潛熱傳質(zhì)的耦合過程，熱量的傳遞強化了噴淋水膜液膜表面水分的蒸發(fā)，質(zhì)量的傳遞促進了熱量的轉(zhuǎn)移。2常物性參數(shù)參數(shù)設置Merkel法1）傳熱傳質(zhì)過程為穩(wěn)態(tài)。2）所涉及參數(shù)均為常物性參數(shù)。3）流體為理想不可壓縮流體。4）忽略塔與外界的傳熱?；谏鲜龊喕僭O，根據(jù)能量平衡及熱質(zhì)傳遞理論，可得各區(qū)域的熱質(zhì)交換模型。2.3填料區(qū)的能量平衡方程設單位時間內(nèi)通過水表面的面積為dS，則水與空氣間的顯熱交換量為：潛熱交換量為：空氣的得熱量為：噴淋水散熱量為：則填料區(qū)的能量平衡方程為：式中：Q為換熱量，W;c為比熱容，J/(kg·K);M為質(zhì)量流量，kg/s;K3計算與結果分析3.1計算條件基于上述傳熱傳質(zhì)數(shù)學模型，利用Matlab軟件編制了塔內(nèi)翅片區(qū)、光管區(qū)及填料區(qū)的熱濕交換過程計算程序3.2參數(shù)的影響3.2.1單排管根數(shù)的影響考慮到翅片與光管區(qū)盤管結構參數(shù)的不同，設定翅片管和光管的單排管根數(shù)基數(shù)分別為9和12根。分析圖2可以看出，隨著單排管根數(shù)的增加，翅片管區(qū)，光管區(qū)冷卻散熱量及風冷與蒸發(fā)冷負荷之比均增大，如當單排管根數(shù)的增量由1增加至7根時，翅片管換熱量增加了3kW，而光管區(qū)散熱量增加很少。這主要是由于翅片管和光管區(qū)的換熱面積會隨單排管根數(shù)的增加而增大，且翅片管換熱面積的增加幅度遠大于光管，在盤管傳熱傳質(zhì)系數(shù)的綜合作用下使得管內(nèi)冷卻水散熱量增加。這表明單排管根數(shù)的增加有利于冷卻水的散熱，且對翅片管的換熱強化作用大于光管，從風冷與蒸發(fā)冷負荷比的增加亦可得出這一點。正如圖2所示，塔的實際換熱量和冷卻效率均隨單排管根數(shù)的增加而增大，如單排管根數(shù)增加7根后，冷卻效率提高了7%。因此單排管根數(shù)的增加有利于強化換熱，提高塔的冷卻性能。3.2.2管排數(shù)比對散熱量的影響由圖3可知，隨翅片管與總管排數(shù)比值的增加，翅片管散熱量及風冷與蒸發(fā)冷負荷比均呈上升趨勢，而光管散熱量急劇下降。如管排數(shù)比值為2:14時，翅片管和光管的散熱量分別為5kW和21kW，負荷比為0.23。而當管排數(shù)比值增加到12:14時，兩者散熱量幾乎相等，對應的負荷比為0.97。這意味著隨著翅片管與總管排數(shù)比值的增大，風冷效果顯著增強，并逐步逼近蒸發(fā)式冷卻。其主要原因在于翅片管與總管排數(shù)比值的增大使得翅片管排數(shù)增加、光管排數(shù)減小，因此翅片區(qū)傳熱得到強化，而光管區(qū)的傳熱則被削弱。從圖3中還可以看出光管區(qū)散熱量的減小幅度大于翅片區(qū)散熱量的增加，從而導致塔的總散熱量減少。正如圖3所示，塔的實際換熱量和冷卻效率均隨著比值的增加而減小，如當比值從2:14增大到12:14時，塔的實際換熱量與冷卻效率分別降低了約33與20%。這表明翅片管排數(shù)所占的比值越大，復合型塔的冷卻性能越差，且光管的蒸發(fā)冷卻效果優(yōu)于翅片管的風冷效果。3.2.3盤管直徑和管長對冷卻性能的影響分析圖4可知，管內(nèi)冷卻水散熱量，塔的實際換熱量和冷卻效率均隨單根管長度增加而增大。正如圖4所示，當單根管長度從1.2m增加到2.4m時，翅片管和光管內(nèi)冷卻水散熱量分別增加了1.5kW和3kW。其原因是隨著管長增加，雖然盤管的傳熱傳質(zhì)系數(shù)減小，但同時管內(nèi)外介質(zhì)的總換熱面積也隨之增加，并且換熱面積增加導致的換熱強化程度大于傳熱傳質(zhì)系數(shù)的下降程度，從而使得綜合換熱效果增強，管內(nèi)冷卻水的散熱量也越多，因此塔的冷卻性能也會隨之提高。進一步從圖4還可以看出，當單根管長度為1.2m時，冷卻效率為48%，而管長增加到2.4m后，冷卻效率提高至58%。這是由于翅片管和光管內(nèi)冷卻水散熱量的增加使得塔的實際換熱量增大，強化了塔內(nèi)的熱質(zhì)交換效果，因此冷卻效率提高。在塔尺寸允許的條件下，增加排管長度有利于提高塔的散熱量與冷卻性能。3.2.4翅片管和光管散熱量的影響考慮到翅片管基管上安裝有翅片，因此翅片管間距會大于光管，這里設兩者管間距基數(shù)分別為55mm和37mm。從圖5中可以看出翅片管和光管內(nèi)冷卻水散熱量均隨管間距的增加而減小，如當管間距增加14mm時，翅片管和光管散熱量分別減少1.5kW和1kW。這主要是由于管間距的增大會導致翅片管傳熱系數(shù)和光管傳質(zhì)系數(shù)的減小，從而削弱管內(nèi)冷卻水的散熱能力。同時，翅片管散熱量的減小幅度要大于光管，因此負荷比減小。這表明管間距的增加對翅片管風冷卻能力的削弱程度大于光管。進一步分析圖5可以發(fā)現(xiàn)，冷卻水的總散熱量隨著管間距的增加而減小，因此塔的實際換熱量和冷卻效率均隨之降低，如管間距從0.002m增加到0.014m，實際換熱量和冷卻效率分別減小了2.5kW和5%。這意味著排管間距的增加會使得塔的冷卻性能降低，導致冷卻效率降低。3.3運行參數(shù)的影響3.3.1空氣濕球溫度為了進一步獲得空氣濕球溫度對風冷蒸發(fā)復合型塔冷卻性能的影響規(guī)律，圖6給出了管內(nèi)冷卻水散熱量、塔換熱量和冷卻效率隨空氣濕球溫度的變化。從圖中可以看出，光管內(nèi)冷卻水散熱量、塔的實際和理想換熱量均隨空氣濕球溫度的升高而減小，而翅片管內(nèi)水的散熱量不變。如當空氣濕球溫度從26℃上升到29℃，光管內(nèi)冷卻水的散熱量和實際換熱量均減小4kW，其原因是翅片區(qū)風冷不受空氣濕球溫度的影響，而空氣濕球溫度的升高使得光管區(qū)蒸發(fā)冷卻的傳質(zhì)系數(shù)減小，從而削弱了空氣與介質(zhì)間的傳質(zhì)能力。與之對應的理想換熱量則減小15kW，這是由于冷卻水的理想出水溫度為塔周圍空氣的濕球溫度，隨著空氣濕球溫度的增加，理想出水溫度越高，則冷卻水與管外介質(zhì)的換熱量也隨之減小。進一步分析圖6還可以看出，冷卻效率隨著空氣濕球溫度的升高而增大，如空氣濕球溫度為26℃、29℃時的冷卻效率分別為49.5%、57.5%，這是因為實際和理想換熱量之間的差距隨著空氣濕球溫度的升高不斷減小，這意味著塔的實際冷卻能力不斷逼近理想運行狀態(tài)，因此冷卻效率隨之增大，而冷卻效率越高也就表明冷卻性能越好。3.3.2熱風與蒸發(fā)冷負荷比的影響從圖7可知，管內(nèi)冷卻水散熱量和負荷比均隨空氣流量的增加而增大，如空氣流量從0.75kg/s增加到1.45kg/s時，翅片管和光管內(nèi)的冷卻水散熱量分別增加了3kW和2kW，而對應的風冷與蒸發(fā)冷負荷比從0.33增加到0.47。這主要是由于空氣流量的增加使得翅片管和光管的傳熱傳質(zhì)系數(shù)增大而強化了盤管的散熱效果。風冷與蒸發(fā)冷負荷比的增加說明風冷散熱的比重大，這意味著空氣流量的增加對風冷效果的強化作用大于蒸發(fā)冷。由于翅片管和光管內(nèi)冷卻水散熱量均隨空氣流量的增加而增大，因此塔的實際換熱量也隨之增加，冷卻效率也隨之提高，正如圖7所示，當空氣流量從0.75kg/s增大至1.45kg/s后，冷卻效率提高了12%，這說明空氣流量的增加有利于提高復合塔的冷卻散熱量與冷卻效率，從而改善其冷卻性能。3.3.3冷卻水流量對冷卻效率的影響分析圖8可以看出，隨冷卻水流量的增加，光管內(nèi)冷卻水散熱量增大，負荷比減小，而翅片管的散熱量幾乎不變。如當冷卻水流量從0.7kg/s增加到1.9kg/s時，光管內(nèi)冷卻水散熱量增加了14kW，負荷比則減小0.35。其原因是隨冷卻水流量的增加，盤管傳熱系數(shù)增大，散熱能力增強，且冷卻水流量增加的同時也會使得冷卻負荷增大，而翅片管的散熱能力遠低于光管，所以翅片管的散熱量增加不明顯。負荷比的減小意味著，冷卻水流量越大光管的蒸發(fā)冷卻能力相比風冷就越強。進一步分析圖8可以看出，塔的實際換熱量和理想換熱量均隨冷卻水流量的增加而增大，且理想換熱量的增加幅度大于實際換熱量，因此塔冷卻效率隨之降低。正如圖8所示，冷卻水流量為0.7kg/s、0.9kg/s時的冷卻效率分別為66%、43%。這意味著冷卻水流量越大，塔的冷卻效果越差，同時塔冷卻性能也隨之降低。3.3.4淋水量對冷卻性能的影響分析圖9可以看出，光管內(nèi)冷卻水散熱量、塔的實際換熱量和冷卻效率均隨噴淋水量的增加而增大，而翅片區(qū)為風冷，因此翅片管內(nèi)散熱量不變。例如，當噴淋水量從2.0kg/s增大至4.5kg/s時，光管內(nèi)冷卻水散熱量和塔的實際換熱量均增加了4.5kW，其原因在于噴淋水量的增加會提高光管與空氣間的傳熱傳質(zhì)系數(shù)，強化光管區(qū)的冷卻散熱能力，有利于提高塔的冷卻性能。正如圖9所示，當噴淋水量從2.0kg/s增加到4.5kg/s時，冷卻效率從52%增加到63%，這意味著噴淋水量的增大有利于提高塔的冷卻效率，使得冷卻水與管外介質(zhì)間的換熱得到強化，塔的冷卻性能也隨之提高。4盤管長度對復合型塔冷卻性能的影響以南京地區(qū)氣候為例，模擬研究了風冷蒸發(fā)復合型橫流閉式冷卻塔在不同結構與運行參數(shù)下冷卻性能的變化規(guī)律，結果表明：1）就結構參數(shù)而言，隨著單排管根數(shù)與排管長度的增加，復合型冷卻塔的實際換熱量與冷卻效率均增加，而隨著盤管間距的增加，實際換熱量與冷卻效率均降低。與此同時，翅片管排數(shù)所占比值越大，復合型塔的冷卻性能越差，且光管蒸發(fā)冷卻效果優(yōu)于翅片管的風冷效果。2）對運行參數(shù)而言，隨著