立式降膜閉式冷卻塔設(shè)計(jì)程序研究*

陳二雄，朱冬生，涂愛民，劉世杰，陳杭生

立式降膜閉式冷卻塔設(shè)計(jì)程序研究*

陳二雄1,2,3?，朱冬生1,2,3，涂愛民1,2,3，劉世杰1,2,3，陳杭生1,4

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

提出一種立式降膜閉式冷卻塔的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，按照此方法使用Visual Basic 6.0開發(fā)工具設(shè)計(jì)計(jì)算程序，并對(duì)程序流程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。結(jié)果顯示，該計(jì)算程序適用于立式扭曲管中不同工藝流體（冷卻水、噴淋水和空氣）進(jìn)行換熱的各種工況。通過(guò)對(duì)比程序計(jì)算和手工計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)二者吻合程度較好，因此通過(guò)計(jì)算程序能夠提高開發(fā)人員的設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性，減少迭代計(jì)算工作量，方便對(duì)不同設(shè)計(jì)方案結(jié)果進(jìn)行比較。后續(xù)可以衍生出針對(duì)各種發(fā)生相變過(guò)程（制冷劑、水蒸氣冷凝等）的熱力計(jì)算。

立式降膜；閉式冷卻塔；扭曲管；設(shè)計(jì)程序

0 引 言

目前在閉式冷卻塔設(shè)計(jì)計(jì)算中，還沒(méi)有簡(jiǎn)單易用且計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度高的方法，相關(guān)行業(yè)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)閉式冷卻塔的過(guò)程中更多的是采用依靠工作經(jīng)驗(yàn)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，較少一部分設(shè)計(jì)人員采用的是Excel表格計(jì)算方法，此方法需要使用者對(duì)表格非常熟悉，并需要多次計(jì)算并調(diào)整試算初始值，直到假設(shè)值和計(jì)算結(jié)果相吻合方能完成，此過(guò)程將消耗大量的時(shí)間和人力。此次，筆者考慮嘗試編制程序，利用計(jì)算機(jī)處理試算及迭代的過(guò)程，以方便對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)閉式冷卻塔進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率，節(jié)約人力和降低出錯(cuò)的概率[1]。

利用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)空調(diào)換熱器早有應(yīng)用，王玉玨等[1]開發(fā)了一種管殼式冷凝器計(jì)算程序，適用于多種管型和制冷劑，設(shè)計(jì)算例和手工計(jì)算結(jié)果表明吻合程度較好。方運(yùn)惠[2]利用Visual Basic 6.0工具開發(fā)套管式、折流桿式和強(qiáng)化換熱器設(shè)計(jì)輔助軟件，通過(guò)計(jì)算程序代替復(fù)雜的設(shè)計(jì)計(jì)算，大大減少了迭代計(jì)算時(shí)間，能夠按照工藝條件快速地設(shè)計(jì)出符合要求的熱交換器。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)扭曲管應(yīng)用在換熱設(shè)備的研究已進(jìn)行多年，劉世杰等[3]利用FLUENT軟件，以水為介質(zhì)，在雷諾數(shù)13 000 << 110 000條件下，研究了機(jī)械式蒸汽再壓縮（mechanical vapor recompression,MVR）蒸發(fā)器內(nèi)扭曲管的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)管內(nèi)傳熱與壓降性能的影響，擬合出了計(jì)算準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。朱冬生等[4]對(duì)扭曲管管內(nèi)湍流換熱過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，采用場(chǎng)協(xié)同理論分析了管內(nèi)強(qiáng)化傳熱機(jī)理，并獲得準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。

DZYUBENKO[5-6]對(duì)扭曲管管內(nèi)和管束間傳熱傳質(zhì)與流阻性能展開了研究，并擬合出關(guān)聯(lián)式。

基于提高閉式冷卻塔設(shè)計(jì)效率，節(jié)約人力和降低出錯(cuò)的概率等目的，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)扭曲管熱力性能計(jì)算準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式的相關(guān)研究，利用Visual Basic語(yǔ)言編制一個(gè)用于計(jì)算立式降膜閉式冷卻塔的計(jì)算程序，本文將從計(jì)算程序算法的角度對(duì)該程序進(jìn)行分析和介紹，并對(duì)工程實(shí)例中采用傳統(tǒng)方法計(jì)算和本程序計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析該程序的可靠性和有效性。

1 程序設(shè)計(jì)目標(biāo)

本程序適用于立式降膜閉式冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要針對(duì)扭曲管，管內(nèi)冷卻介質(zhì)為水，管外介質(zhì)為水和空氣，管內(nèi)冷卻水先把熱量傳遞給管外壁液膜，液膜吸熱升溫，最后液膜把熱量傳遞給空氣，空氣被風(fēng)機(jī)排到機(jī)組外面。

程序在輸入必要參數(shù)后能夠自動(dòng)進(jìn)行閉式冷卻塔熱力性能計(jì)算，在滿足噴淋水流量、風(fēng)機(jī)風(fēng)量以及換熱器結(jié)構(gòu)等參數(shù)后，確定閉式冷卻塔整體結(jié)構(gòu)。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算思想

（1）目前，閉式冷卻塔設(shè)計(jì)軟件不多，主要原因是生產(chǎn)企業(yè)都是大多依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，且光滑圓管熱力計(jì)算公式較為成熟準(zhǔn)確。而本程序主要用于扭曲管立式降膜閉式冷卻塔設(shè)計(jì)，通過(guò)選用已公開證明有效的換熱模型，較為準(zhǔn)確地對(duì)立式降膜閉式冷卻塔進(jìn)行熱力性能計(jì)算。

（2）針對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的扭曲管，利用相同的換熱模式進(jìn)行熱力性能計(jì)算，通過(guò)合理安排換熱器管排數(shù)量和單排管數(shù)目，得到最佳換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。另外，通過(guò)計(jì)算管外壁換熱系數(shù)確定噴淋水和空氣流量和壓降，確定噴淋水泵和風(fēng)機(jī)的參數(shù)。

（3）目前商用閉式冷卻塔大多采用光滑不銹鋼圓管作為換熱管，換熱系數(shù)較扭曲管差，因此采用扭曲管替代光滑圓管有利于減少換熱器重量和體積，但是目前的經(jīng)驗(yàn)對(duì)于扭曲管立式降膜閉式冷卻塔設(shè)計(jì)不具有參考價(jià)值，需要重新設(shè)計(jì)一款適用于其結(jié)構(gòu)的軟件。

為了計(jì)算的簡(jiǎn)便，本文依據(jù)邁克爾焓差理論，假設(shè)如下[7]：①換熱盤管的管外表面被充分潤(rùn)濕，傳熱傳質(zhì)界面相同；②認(rèn)為盤管外噴淋水膜的表面溫度和內(nèi)部溫度一致；③所有物性參數(shù)為常量，不隨空氣濕度和水溫發(fā)生變化；④忽略輻射傳熱量；⑤出口空氣近似認(rèn)為是飽和空氣；⑥忽略水蒸發(fā)造成噴淋水質(zhì)量變化的影響。

3 程序流程

3.1 輸入?yún)?shù)

3.1.1 基本參數(shù)

輸入數(shù)據(jù)參數(shù)包括結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)和物性數(shù)據(jù)三大類。結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包括扭曲管結(jié)構(gòu)參數(shù)、盤管結(jié)構(gòu)參數(shù)；工藝參數(shù)包括冷卻水、噴淋水和空氣的溫度、流量等參數(shù)；物性參數(shù)包括冷卻水和噴淋水物性參數(shù)。

圖1為立式降膜閉式冷卻塔設(shè)計(jì)軟件的主界面，從圖中可以看出，主要包括工藝參數(shù)設(shè)定、冷卻水物性參數(shù)設(shè)定、噴淋水物性參數(shù)設(shè)定、扭曲管結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定、盤管結(jié)構(gòu)設(shè)定、空氣換熱量計(jì)算結(jié)果和計(jì)算結(jié)果輸出幾塊內(nèi)容。其中計(jì)算結(jié)果輸出為本設(shè)計(jì)軟件的最后結(jié)果。

圖1 軟件主界面

3.1.2 結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)輸入

扭曲管結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：換熱管材質(zhì)，加工扭曲管所用圓管外徑、壁厚，扭曲管管外長(zhǎng)軸、管外短軸、扭矩、管長(zhǎng)，管材導(dǎo)熱系數(shù)和管材密度等。

扭曲管是通過(guò)對(duì)普通圓管的表面進(jìn)行特殊加工使管內(nèi)流體擾流程度加強(qiáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)管內(nèi)強(qiáng)化傳熱的技術(shù)，扭曲管的橫截面呈橢圓形狀，其長(zhǎng)軸和短軸尺寸參數(shù)對(duì)整個(gè)換熱器的熱力性能有著重要的影響[8]。

盤管結(jié)構(gòu)參數(shù)包括換熱管片的數(shù)量、單片換熱管根數(shù)和管片間距。換熱管片由若干根扭曲管通過(guò)彎頭連接組成蛇形盤管的結(jié)構(gòu)，管片之間存在一定的間距供噴淋水和空氣流通。

3.1.3 工藝數(shù)據(jù)參數(shù)輸入

工藝參數(shù)包括冷卻水、噴淋水和空氣的溫度、流量等，用戶根據(jù)實(shí)際情況，輸入要求值。

其中冷卻水和空氣的工藝參數(shù)所需輸入的內(nèi)容如圖2所示，包括冷卻水換熱量、進(jìn)口溫度和體積流量，空氣流量和進(jìn)風(fēng)干濕球溫度。

圖2 參數(shù)設(shè)置界面

3.2 程序計(jì)算流程

主流程見圖3。輸入必要參數(shù)后，程序?qū)⑹紫雀鶕?jù)冷卻水入口溫度計(jì)算出口溫度及對(duì)數(shù)平均溫差[9]。

圖3 計(jì)算程序流程圖

冷卻水出口溫度由下式計(jì)算：

根據(jù)環(huán)境干濕球溫度和冷卻水進(jìn)口溫度，假定一個(gè)噴淋水的進(jìn)口溫度（比環(huán)境濕球溫度高2 ～ 5℃），通過(guò)設(shè)定噴淋水進(jìn)出口溫差為5℃得到噴淋水出水溫度和流量。

在得到上述冷卻水和噴淋水進(jìn)出口溫度后計(jì)算換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差：

程序開始前輸入已知設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)定閉式冷卻塔換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括換熱管片數(shù)量、單片換熱管數(shù)量和管片間距。先計(jì)算管內(nèi)外傳熱系數(shù)，最后得到總傳熱系數(shù)，根據(jù)換熱面積和對(duì)數(shù)平均溫差，計(jì)算出總換熱量，與設(shè)計(jì)換熱量進(jìn)行比較后，當(dāng)滿足條件（考慮設(shè)計(jì)余量，范圍應(yīng)在10% ～ 20%）則結(jié)束程序并輸出計(jì)算結(jié)果，否則重新調(diào)整換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)并再次運(yùn)行計(jì)算程序（圖3）。

3.3 換熱系數(shù)計(jì)算

3.3.1 管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算

管內(nèi)冷卻水與管壁之間的對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算關(guān)系式采用最廣泛的Dittus—Boelter關(guān)系式[10]：

考慮到扭曲管比普通光滑圓管換熱系數(shù)高1.5 ～ 2倍，因此上述換熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果需要乘以合適的系數(shù)，系數(shù)大小與扭曲管長(zhǎng)短軸比有關(guān)。

雷諾數(shù)計(jì)算公式為：

扭曲管管內(nèi)當(dāng)量直徑計(jì)算公式為：

3.3.2 管內(nèi)壓降計(jì)算

換熱器管內(nèi)壓降主要包括兩部分：直管內(nèi)摩擦壓降和各程回彎處的局部阻力降[11]。

（1）扭曲管直管內(nèi)摩擦阻力引起的壓降

（2）局部阻力降

換熱器回彎頭處局部阻力降通過(guò)以下公式計(jì)算[10]：

考慮到扭曲管比普通光滑圓管壓降大1.2 ～ 1.8倍，因此上述壓降計(jì)算結(jié)果需要乘以合適的系數(shù)，系數(shù)大小與扭曲管長(zhǎng)短軸比有關(guān)。

3.3.3 液膜側(cè)界膜換熱系數(shù)計(jì)算

閉式冷卻塔噴淋水沿著扭曲管管外傳熱面流動(dòng)，形成液膜。沿垂直傳熱管壁下流的液膜側(cè)界膜導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式較多，這里使用的是精度較好的威爾克實(shí)驗(yàn)公式[12]。

（1）過(guò)渡區(qū)的平均界膜導(dǎo)熱系數(shù)

其中，液膜雷諾數(shù)計(jì)算公式為：

式中：為管外降膜單位寬度的流量，kg/(m?h)。

考慮到閉式冷卻塔噴淋水在使用時(shí)不會(huì)全部覆蓋到換熱管表面，上式在計(jì)算時(shí)需要乘以一個(gè)系數(shù)，這里取0.75 ～ 0.95。

（2）流動(dòng)發(fā)達(dá)區(qū)平均界膜導(dǎo)熱系數(shù)

當(dāng)ii<<1 600時(shí)：

當(dāng)1 600 << 3 200時(shí)：

當(dāng)> 3 200時(shí)：

當(dāng)> 1 600時(shí)：

當(dāng)< 1 600時(shí)：

另外，ii由下式求得：

4 結(jié)果與討論

為了比較使用Excel表格和VB 6.0程序兩種方法計(jì)算得到的結(jié)果差異，針對(duì)其中某個(gè)案例分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行比較。

本閉式冷卻塔設(shè)計(jì)案例參數(shù)如下：換熱量150 kW，進(jìn)水溫度45℃，空氣流量為30 000 m3/h，進(jìn)風(fēng)干、濕球溫度分別為32℃、28℃，采用的換熱圓管外徑16 mm、壁厚1 mm、材質(zhì)為316L。由以上條件試設(shè)計(jì)閉式冷卻塔換熱器。

從表1可以看出，根據(jù)VB 6.0程序計(jì)算出來(lái)的結(jié)果與通過(guò)Excel表格計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，程序計(jì)算總傳熱系數(shù)結(jié)果比Excel表格計(jì)算結(jié)果小2.5%，換熱量盈余小11.3%，誤差均較小。其余計(jì)算結(jié)果偏差絕對(duì)值均在10%以內(nèi)。造成偏差的主要原因是迭代計(jì)算過(guò)程中，手工計(jì)算存在輸入數(shù)值偏差，而計(jì)算機(jī)程序不存在這個(gè)問(wèn)題。

由此可知，使用Excel表格和VB 6.0程序兩種方法計(jì)算得到的結(jié)果非常接近，基本可以確定能用VB6.0程序替代常規(guī)Excel表格方法用于設(shè)計(jì)閉式冷卻塔。

表1 兩種方法計(jì)算結(jié)果比較

5 結(jié)束語(yǔ)

采用“編程語(yǔ)言+換熱模型”結(jié)合的方法開發(fā)的閉式冷卻塔熱力計(jì)算程序能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算各種實(shí)際工況下的熱力性能，能夠判斷設(shè)計(jì)方案是否滿足實(shí)際應(yīng)用需求，對(duì)于大部分使用者，程序易于操作，只要輸入設(shè)計(jì)參數(shù)就能馬上得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。另外，可以在編程過(guò)程中加入多個(gè)不同的換熱模型，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。

最后，由于目前公開的換熱模型均存在計(jì)算偏差，與實(shí)際情況比較會(huì)有一定的誤差范圍，但是這一誤差可以通過(guò)大量的工程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)換熱模型進(jìn)行修正，使其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況相近。

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Design Procedure of Vertical Falling Film Closed Cooling Tower

CHEN Er-xiong1,2,3, ZHU Dong-sheng1,2,3, TU Ai-min1,2,3, LIU Shi-jie1,2,3, CHEN Hang-sheng1,4

(1.Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;2. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou 510640, China;3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou 510640, China;4.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

A computational design method for the vertical falling film closed cooling tower was proposed, and a corresponding calculation program was designed by Visual Basic 6.0. Results showed that, the calculation program was applicable to various heat transfer conditions of different process fluids (cooling water, spray water and air) in vertical twisted pipes. The program output fits well with the manual computation. Therefore, the calculation program can improve the design efficiency and accuracy of developers, reduce the workload of iterative calculation, and facilitate the comparison of the results of different design schemes. Moreover, it is friendly to beginners. Thermodynamic calculations can then be derived for various phase transition processes (refrigerant, water vapor condensation, etc.).

vertical falling film; closed cooling tower; twisted tube; program design

2095-560X（2021）05-0411-07

TK-9

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2021.05.007

陳二雄（1986-），男，碩士，工程師，主要從事強(qiáng)化傳熱和節(jié)能環(huán)保方向研究。