干球溫度和濕球溫度對(duì)濕式空冷器冷卻能力的影響

任志強(qiáng)

（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306）

干球溫度和濕球溫度對(duì)濕式空冷器冷卻能力的影響

任志強(qiáng)

（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306）

依據(jù)濕式空冷器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)建立了性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)研究了干球溫度和濕球溫度對(duì)濕式空冷器冷卻能力的影響。結(jié)果表明，當(dāng)濕球溫度一定時(shí)，干球溫度對(duì)濕式空冷器的影響較大；因此，設(shè)計(jì)濕式空冷器時(shí)不能只考慮濕球溫度，不考慮干球溫度。同時(shí)分析了濕球溫度與濕空冷管程進(jìn)水溫度的溫差對(duì)濕式空冷器冷卻能力的影響。

濕式空冷器；干球溫度；濕球溫度；冷卻能力

空冷器通常利用翅片管外的流動(dòng)冷空氣來降低管內(nèi)熱流體的溫度，或冷凝管內(nèi)氣體。濕式空冷器（以下簡(jiǎn)稱濕空冷）利用噴淋霧化水來降低濕空冷的進(jìn)風(fēng)溫度，從而擴(kuò)大管內(nèi)外溫差，提高濕空冷的換熱效果。同時(shí)由于加濕后的空氣在管束表面形成一層水膜，水膜蒸發(fā)吸熱也會(huì)提高濕空冷的冷卻能力。由于濕空冷進(jìn)風(fēng)與霧化水直接接觸，根據(jù)焓差法，其冷卻能力與環(huán)境濕球溫度之間關(guān)系緊密，而且不同的環(huán)境干球溫度對(duì)濕空冷進(jìn)風(fēng)口處的空氣加濕效果同樣會(huì)有影響，進(jìn)而對(duì)濕空冷的冷卻能力也有一定影響。文獻(xiàn)［1］對(duì)比了干空冷、濕空冷和冷卻塔的冷卻能力及適用范圍；文獻(xiàn)［2］介紹了閉式對(duì)流濕空冷的試驗(yàn)研究和數(shù)學(xué)模型，并分析了濕空冷的冷卻能力與空氣流速和噴淋水量之間的關(guān)系；文獻(xiàn)［3］介紹了采用大量噴嘴的濕空冷用于大冷卻負(fù)荷系統(tǒng)的可行性；文獻(xiàn)［4］試驗(yàn)研究了濕空冷管外放熱能力和空氣阻力特性，并給出了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式；文獻(xiàn)［5］探討了噴水強(qiáng)度、風(fēng)速、熱流體溫度及翅片排列結(jié)構(gòu)等參數(shù)對(duì)濕空冷換熱能力的影響；文獻(xiàn)［6］采用焓差法分析了濕空冷水膜的傳熱傳質(zhì)，并得出關(guān)聯(lián)式。目前關(guān)于濕空冷的研究主要集中在設(shè)計(jì)計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，以及噴淋水量、空氣流量和濕球溫度對(duì)換熱能力的影響方面，尚未看到考慮環(huán)境干濕球溫度同時(shí)影響濕空冷換熱能力的研究，也未看到濕空冷進(jìn)水溫度和環(huán)境濕球溫度的溫差對(duì)濕空冷換熱能力的影響的研究，因此，本文就這2個(gè)問題對(duì)照理論模型進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 工作原理和應(yīng)用特點(diǎn)

濕空冷結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 濕空冷結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of wet-type air cooler

由圖1可知，濕空冷主要由構(gòu)架、進(jìn)風(fēng)格柵、霧化噴頭、翅片管換熱器和軸流風(fēng)機(jī)組成，利用霧化噴頭向來流空氣噴淋霧化水，使得進(jìn)風(fēng)空氣的溫度下降到接近環(huán)境的濕球溫度，擴(kuò)大了管內(nèi)外傳熱溫差；同時(shí)霧化水滴隨著空氣一起噴灑在翅片管換熱器上，在管束表面形成一層水膜。空氣流過翅片間隙時(shí)，溫度升高，相對(duì)濕度下降，吸濕能力增強(qiáng)，空氣掠過水膜時(shí)，水膜吸收管內(nèi)熱量向空氣蒸發(fā)。這樣，在管外空氣與翅片管束顯熱交換的基礎(chǔ)上又增加了潛熱交換，從而強(qiáng)化了管內(nèi)外換熱效果。

濕空冷的傳熱有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）由于霧化增濕作用，空氣的溫度可以降到接近于來流空氣的濕球溫度，這有利于小溫差的傳熱。我國(guó)除沿海地區(qū)外，其它地區(qū)夏季干、濕球溫度的差值在3～6℃，濕空冷的這種增濕降溫效果對(duì)小溫差傳熱是經(jīng)濟(jì)的。

（2）由于水的比熱容約為空氣的4倍，而且管束表面水膜蒸發(fā)也會(huì)從空氣中吸熱，濕空氣穿過管束的溫升比干空氣小很多，所以管內(nèi)外可維持較大的傳熱溫差，獲得較大的傳熱推動(dòng)力。

由于以上傳熱特點(diǎn)，濕空冷除了適用于干燥地區(qū)外，在濕度較高的地區(qū)，同樣有較好的換熱效果。但為了盡量避免翅片管束結(jié)垢，濕空冷主要用來冷卻或冷凝80℃以下的工藝流體。濕空冷的冷端溫差（管內(nèi)流體出口溫度與管外空氣進(jìn)口溫度之差）一般不宜大于15℃，若大于20℃，則使用干空冷為宜。

2 濕空冷設(shè)計(jì)參數(shù)

換熱器盤管參數(shù)：銅管，內(nèi)徑為11.7 mm；壁厚為1 mm；波紋型鋁翅片，翅片節(jié)距為2 mm，翅片厚度為0.115 mm。

換熱器尺寸：管束長(zhǎng)2 310 mm，管束寬1 110 mm，每排29根管，4管程（單側(cè)），4排管（單側(cè)），總換熱面積為15 m2。

濕空冷尺寸：長(zhǎng)2 500 mm，寬1 130 mm，高1 350 mm。

風(fēng)機(jī)風(fēng)量為23 000 m3／h，使用EC無刷軸流風(fēng)機(jī)。濕空冷供水用多級(jí)離心泵，最大流量為80 m3／h，揚(yáng)程為50m。理論冷卻負(fù)荷為60 kW，換熱面積裕量為20%。

3 濕空冷試驗(yàn)臺(tái)

依據(jù)文獻(xiàn)［7］的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)濕空冷試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)的流程見圖2。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)流程示意Fig.2 Experimental process

由圖2可知，試驗(yàn)臺(tái)由鍋爐提供熱源，并通過板式換熱器為濕空冷提供待冷卻熱水，濕空冷入口水溫用三通閥來控制，保證試驗(yàn)中濕空冷出入口水溫。試驗(yàn)臺(tái)可對(duì)濕空冷入口空氣進(jìn)行加熱或降溫處理，可在不同的進(jìn)風(fēng)溫度下進(jìn)行濕空冷的性能試驗(yàn)。自來水經(jīng)Y形過濾器后供噴霧使用。濕空冷進(jìn)、出水口布置溫度傳感器和壓力傳感器，在濕空冷出水口布置流量計(jì)，濕空冷進(jìn)、出風(fēng)口布置有溫度傳感器、壓力傳感器、風(fēng)速傳感器和濕度傳感器，并使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及后續(xù)處理。

為保證試驗(yàn)精度，管路上的溫度傳感器均為德國(guó)久茂生產(chǎn)的PT1000型擰入式熱電阻溫度傳感器；空氣側(cè)的溫、濕度傳感器為德國(guó)久茂生產(chǎn)的溫、濕度探頭，精度為0.15%；流量傳感器使用廈門宏控生產(chǎn)的插入式渦輪流量計(jì)，測(cè)量精度為0.5 t／h；數(shù)據(jù)采集器使用美國(guó)吉時(shí)利生產(chǎn)的Keithley2700數(shù)據(jù)采集器。以上傳感器均符合文獻(xiàn)［7］的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，且在標(biāo)定有效期內(nèi)。根據(jù)濕空冷進(jìn)出口溫度可自動(dòng)調(diào)節(jié)三通閥、離心水泵和EC軸流風(fēng)機(jī)，以控制濕空冷的進(jìn)出口水溫。

4 干、濕球溫度對(duì)濕空冷冷卻能力的影響

濕空冷在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于向進(jìn)口空氣噴霧化水，使得換熱器管束表面覆蓋有一層水膜，水膜氣化吸熱，使得換熱過程既有傳熱又有傳質(zhì)，所以濕空冷入口空氣的相對(duì)濕度會(huì)影響濕空冷的換熱能力，當(dāng)保持濕球溫度不變時(shí)，相對(duì)濕度的高低就由干球溫度的高低反映出來，干球溫度與濕空冷最大冷卻負(fù)荷關(guān)系見圖3，當(dāng)濕空冷進(jìn)口空氣濕球溫度不變時(shí)，濕空冷冷卻負(fù)荷與空氣干球溫度的關(guān)系呈穹窿形曲線，每條曲線均有濕空冷最大冷卻負(fù)荷值的“穹頂”。

圖3 干球溫度與濕空冷最大冷卻負(fù)荷關(guān)系Fig.3 Relationship between dry-bulb temperature and maximum cooling capacity of wet-type air cooler

在試驗(yàn)研究干、濕球溫度對(duì)濕空冷冷卻能力的影響時(shí)，需保證濕空冷入口水溫37℃和出口水溫32℃不變，通過改變濕空冷入口空氣溫、濕度參數(shù)和管程熱水流量來評(píng)定濕空冷的換熱量。由圖3可知，在以上試驗(yàn)條件下，濕球溫度不變時(shí)，對(duì)應(yīng)濕空冷最大冷卻負(fù)荷值的“穹頂”點(diǎn)的干球溫度約在31.5～32.5℃附近。在穹頂左側(cè)，空氣干球溫度與濕球溫度越接近，濕空冷冷卻能力越小。在穹頂右側(cè)，即干球溫度較大時(shí)，管外風(fēng)溫較高，管內(nèi)外溫差較小，濕空冷的冷卻能力也會(huì)有所減小。由圖3還可看出，當(dāng)濕空冷進(jìn)口干球溫度保持不變時(shí)，隨著進(jìn)口空氣濕球溫度的降低，濕空冷的冷卻能力顯著增強(qiáng)。

待試驗(yàn)工況穩(wěn)定后，根據(jù)濕空冷的熱水流量和進(jìn)出水溫，可計(jì)算得出濕空冷的冷卻負(fù)荷，結(jié)果見圖4。

圖4 濕球溫度與濕空冷最大冷卻負(fù)荷關(guān)系Fig.4 Relationship between wet-bulb temperature and maximum cooling capacity of wet-type air cooler

由圖4可知，入口空氣濕球溫度對(duì)濕空冷換熱能力的影響較大，入口空氣濕球溫度每降低1℃，濕空冷冷卻負(fù)荷約增加10%。隨著濕球溫度的上升，濕空冷的冷卻能力明顯下降。

綜合圖3和圖4可知，①濕空冷的冷卻負(fù)荷與進(jìn)口空氣干球溫度和濕球溫度均有關(guān)系；②濕球溫度對(duì)濕空冷冷卻能力的影響更大；③干球溫度與濕球溫度越接近，濕空冷的冷卻能力越差，所以在夏季干、濕球溫差較大的地區(qū)，濕空冷有明顯優(yōu)勢(shì)。

設(shè)定濕空冷進(jìn)風(fēng)濕球溫度為26℃，相對(duì)濕度為55%，并保證濕空冷進(jìn)出口水溫相差5℃。試驗(yàn)中改變濕空冷管程進(jìn)口水溫，待系統(tǒng)穩(wěn)定后測(cè)量水流量，算得濕空冷的冷卻負(fù)荷，從而得到管程熱水進(jìn)口水溫與濕空冷冷卻負(fù)荷的關(guān)系，見圖5。

圖5 進(jìn)水溫度與濕空冷最大冷卻負(fù)荷關(guān)系Fig.5 Relationship between inlet water temperature and maximum cooling capacity of wet-type air cooler

由圖5可知，進(jìn)水溫度接近環(huán)境濕球溫度時(shí)，濕空冷的換熱能力較小。這是因?yàn)閾Q熱器管內(nèi)工質(zhì)與管外空氣的換熱溫差越小，傳熱驅(qū)動(dòng)力就越小，換熱量就越小。

5 結(jié)論

（1）空氣濕球溫度一定時(shí)，濕空冷冷卻負(fù)荷與空氣干球溫度呈穹窿形曲線；“穹頂”即意味著濕空冷最大冷卻負(fù)荷對(duì)應(yīng)的最佳干球溫度；穹頂左側(cè)，即空氣干球溫度與濕球溫度接近時(shí)，濕空冷冷卻能力較??；穹頂右側(cè)，即干球溫度較大時(shí)，管外風(fēng)溫較高，濕空冷的冷卻能力也會(huì)有所減小。

（2）入口空氣濕球溫度對(duì)濕空冷冷卻能力的影響較大；入口空氣濕球溫度每降低1℃，濕空冷換熱能力增加約10%；隨著濕球溫度的提高，濕空冷的冷卻能力有明顯的下降。

（3）濕空冷管程進(jìn)水溫度越接近環(huán)境濕球溫度，濕空冷的換熱能力越小。

（4）濕空冷在干燥地區(qū)能夠發(fā)揮最大的優(yōu)勢(shì)，比干空冷的體積小得多，可節(jié)省投資；與冷卻塔相比，則可節(jié)省大量的水，適用于缺水地區(qū)或取水不方便地區(qū)。對(duì)于我國(guó)大部分地區(qū)夏季最高濕球溫度不超過28℃的情況，在夏季使用濕空冷代替冷卻塔是可行的。

［1］Lucas M，Martinez P J，Viedma A.Comparative experimental drift study between a dry and adiabatic fluid cooler and a cooling tower ［J］.International Journal of Refrigeration，2008，31（7）：1169－1175.

［2］Jiang Jing jing，Liu Xiao Hua，Jiang Yi.Experimental and nu -merical analysis of a cross－flow closed wet cooling tower［J］.Applied Thermal Engineering，2013，61（2）：678－689.

［3］Xie J L，Tan Y B，Wong T N.Multi－nozzle array spray cooling for large area high power devices in a closed loop system［J］.Inter -national Journal of Heat & Mass Tranfer，2004，78（6）：1177－1186.

［4］哈爾濱工業(yè)大學(xué)熱工教研室，哈爾濱空調(diào)機(jī)廠技術(shù)科.濕式空冷器管外放熱和空氣阻力的實(shí)驗(yàn)研究［J］.化工與通用機(jī)械，1978，（6）：14－20.

［5］楊寧生，陶宏平，孫相玉，等.噴霧強(qiáng)化空冷器的散熱研究［J］.高校化學(xué)工程學(xué)報(bào)，1990，（3）：232－238.

［6］楊強(qiáng)生，饒欽陽(yáng)，范云良，等.噴霧強(qiáng)化空氣冷卻器的實(shí)驗(yàn)研究［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，（3）：313－317.

［7］CTI Code ATC105，Acceptance Test Code for Water Cooling Towers ［S］.

Impact of dry-bulb and wet-bulb temperature on cooling capacity of wet-type air cooler

REN Zhi-qiang
（Merchant Marine Academy,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China）

According to the test standard of wet-type air cooler,a performance test-bed was established to study the impact of dry-bulb and wet-bulb temperature on cooling capacity of wet-type air cooler.The results showed that,when the wet-bulb temperature was fixed,dry-bulb temperature had appreciably effect on the cooling capacity of the wet-type air cooler; the consideration of the wet-type air cooler design should include not only wet-bulb temperature,but also dry-bulb temperature.The influence of the temperature difference between wet-bulb and inlet water of wet air cooled tube on cooling capacity of wet-type air cooler were also analyzed.

wet-type air cooler; dry-bulb temperature; wet-bulb temperature; cooling capacity

TU991.42

A

1009－2455（2016）01－0047－04

任志強(qiáng)（1989－），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，主要從事冷卻塔的相關(guān)研究，（電子信箱）renzhiqiangsh＠163.com。

2015-11-24（修回稿）

工程實(shí)例