逆流濕式冷卻塔內(nèi)薄膜填料單通道熱力性能研究*

孔慶杰，高陽(yáng)，姚加文，李慧珍

(1. 江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常州 213001；2. 中航鋰電技術(shù)研究院有限公司，江蘇常州 213200)

冷卻塔是一種普遍用于工業(yè)熱力循環(huán)的冷卻設(shè)備，填料是冷卻塔循環(huán)冷卻的核心部件[1]，其產(chǎn)生的冷卻效果占整個(gè)冷卻塔的60%~70%[2]，因此，研究冷卻塔填料的熱力性能具有廣泛的工程應(yīng)用和重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，因此通過(guò)CFD數(shù)值模擬的方式考察填料的熱力性能的研究較多。Reuter等[3]對(duì)冷卻塔內(nèi)噴濺式和點(diǎn)滴式填料建立了二維軸對(duì)稱模型，利用用戶自定義函數(shù)(UDF)來(lái)定義邊界條件并計(jì)算冷卻塔填料內(nèi)熱質(zhì)交換。Lu等[4]模擬了自然通風(fēng)冷卻塔內(nèi)風(fēng)速對(duì)流動(dòng)和傳熱的影響，結(jié)果表明：當(dāng)風(fēng)速大于15 m/s時(shí)，冷卻塔內(nèi)幾乎不再發(fā)生流動(dòng)和傳熱。韓富強(qiáng)[5]基于液膜理論，對(duì)自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔中不同溝槽填料上的冷卻液膜進(jìn)行數(shù)值模擬和熱力計(jì)算，得出填料的波長(zhǎng)、振幅以及傾斜角度對(duì)冷卻塔出口水溫均有一定影響。魏明陽(yáng)[6]對(duì)自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔建立三維計(jì)算平臺(tái)，分析了淋水密度、冷卻水進(jìn)口溫度、環(huán)境空氣溫度和濕度、環(huán)境風(fēng)速及塔體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)冷卻塔傳熱傳質(zhì)性能的影響。劉珊[7]在逆流濕式冷卻塔填料通道內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)研究中，對(duì)單通道進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：隨著氣水比減小，冷卻塔出口水溫升高，阻力系數(shù)增大。由于對(duì)整個(gè)填料區(qū)建模較困難，大部分是針對(duì)整個(gè)冷卻塔的傳熱傳質(zhì)進(jìn)行研究，對(duì)填料單通道內(nèi)熱質(zhì)傳遞的數(shù)值模擬研究更少[8-9]。筆者針對(duì)斜波型薄膜填料單通道內(nèi)的傳熱傳質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證模擬的可靠性，對(duì)逆流濕式冷卻塔熱力性能的研究及優(yōu)化具有重要意義。

1 物理模型

1.1 幾何建模

該研究重點(diǎn)分析隨時(shí)間的變化，液相在填料表面的流動(dòng)形態(tài)對(duì)氣液熱質(zhì)傳遞的影響，因此忽略兩片交錯(cuò)填料之間的通道影響，將模型簡(jiǎn)化為單一的正弦波基底的斜波型通道。通過(guò)壁面等效法將薄膜填料通道內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)過(guò)程簡(jiǎn)化成液體沿著正弦波基底的斜波型彎曲通道流動(dòng)，空氣逆向外略液膜表面的過(guò)程。建立二維正弦波基底的斜波型薄膜填料的單通道模型，見圖1。

圖1 薄膜填料單通道幾何模型

圖1中單通道寬度為35 mm，為了確保冷卻水的進(jìn)水量，液相進(jìn)口寬度設(shè)置為2 mm，氣相進(jìn)口寬度設(shè)置為31 mm，填料高度設(shè)置為300 mm。為了更好地模擬填料單通道內(nèi)氣液兩相的傳熱傳質(zhì)，降低氣液進(jìn)出口位置對(duì)通道內(nèi)流場(chǎng)的影響，在通道頂部和底部各設(shè)置20 mm的豎直高度，為了避免氣-液的進(jìn)出口速率對(duì)流動(dòng)過(guò)程造成擾動(dòng)，將氣相與液相的出口均延長(zhǎng)30 mm。

1.2 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS軟件進(jìn)行幾何建模后，利用ICEM對(duì)其網(wǎng)格劃分，對(duì)二維模型采用了四邊形的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由于液相在流動(dòng)過(guò)程中厚度較薄，為了更好地研究其沿壁面處和在壁面拐角處的流動(dòng)狀況，在近壁面處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，見圖2。

圖2 薄膜填料單通道網(wǎng)格劃分

圖2中空氣通道較寬，其網(wǎng)格采用一般設(shè)置，網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.3，F(xiàn)luent中網(wǎng)格檢查無(wú)負(fù)體積，網(wǎng)格質(zhì)量較好。

1.3 數(shù)值計(jì)算方法

采用Fluent 15.0流體力學(xué)計(jì)算軟件對(duì)薄膜填料通道內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行模擬。多相流模型選用VOF模型，VOF參數(shù)選用隱式格式。壓力速率耦合項(xiàng)采用SIMPLEC算法。動(dòng)量方程選用二階迎風(fēng)離散格式。其余方程均選用一階迎風(fēng)離散格式。計(jì)算過(guò)程中，壓力項(xiàng)的松弛因子為0.3，動(dòng)量為0.7，湍動(dòng)能和耗散率為0.8，其他項(xiàng)均取為1。在液相流動(dòng)過(guò)程中，要考慮重力的影響，設(shè)定重力方向?yàn)閥軸方向，大小為9.8 m/s2。湍流模型采用RNGk-ε湍流模型。

1.4 邊界條件設(shè)置

1)進(jìn)口邊界條件。當(dāng)研究斜波型薄膜填料內(nèi)氣液兩相逆向流動(dòng)特性時(shí)，為了更接近液膜真實(shí)的流動(dòng)狀態(tài)，建模時(shí)采用多個(gè)出入口，其中冷卻水入口在貼近壁面的通道上部的兩端，空氣入口在通道下部的中央位置。

2)出口邊界條件。位于通道上部中央的區(qū)域?yàn)榭諝獬隹?，通道下部的壁面兩?cè)附近為冷卻水出口，均設(shè)置為outflow條件。

3)壁面邊界條件。主要研究的是薄膜填料通道內(nèi)氣液之間的換熱與流動(dòng)特性，此處不考慮壁面條件對(duì)氣液傳熱和溫度分布的影響，因此將壁面簡(jiǎn)化成絕熱壁面。

4)初始條件。假設(shè)在初始時(shí)刻，計(jì)算區(qū)域內(nèi)充滿了靜止的空氣，無(wú)冷卻水。

2 模擬計(jì)算結(jié)果

2.1 冷卻水進(jìn)口流量的影響

在空氣進(jìn)口溫度為293 K，冷卻水進(jìn)口溫度為313 K，空氣進(jìn)口速率為1.6 m/s的條件下，冷卻水進(jìn)口流量選擇0.57，0.66，0.75，0.85，1.0 kg/s，考察冷卻水進(jìn)口流量對(duì)液膜流動(dòng)狀態(tài)和換熱情況的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 冷卻水進(jìn)口流量對(duì)液膜流動(dòng)狀態(tài)和換熱情況的影響

由圖3可見：薄膜填料冷卻水進(jìn)口流量的變化會(huì)影響通道流域內(nèi)的液膜流動(dòng)狀態(tài)，冷卻水進(jìn)口流量增大時(shí)，液膜的厚度增大，流域內(nèi)空氣阻力也增大。當(dāng)冷卻水流量為0.85 kg/s時(shí)，部分空氣在流道拐角處受到液膜作用力與結(jié)構(gòu)的影響，流動(dòng)方向發(fā)生改變而產(chǎn)生漩渦。在漩渦處，氣液的相互作用加劇，阻力損失加大，應(yīng)盡量降低流量避免產(chǎn)生漩渦。同時(shí)，當(dāng)薄膜填料冷卻水進(jìn)口流量發(fā)生變化時(shí)，通道流域內(nèi)空氣與冷卻水的熱交換也發(fā)生了變化。當(dāng)冷卻水進(jìn)口流量較小時(shí)，液膜的厚度較薄，與空氣換熱的熱阻較小，冷卻水出口溫度較低，換熱效果好；當(dāng)冷卻水進(jìn)口流量增大時(shí)，液膜的厚度逐漸增大，單通道流域內(nèi)的液膜擾動(dòng)較大，使得空氣阻力增大，不利于空氣與冷卻水之間的換熱，冷卻水的出口溫度較高。

2.2 冷卻水進(jìn)口溫度的影響

在空氣進(jìn)口溫度為20 ℃，空氣進(jìn)口速率為1.6 m/s，冷卻水進(jìn)口速率為0.2 m/s的條件下，冷卻水進(jìn)口溫度選擇34，36，38，40，42 ℃，考察冷卻水進(jìn)口溫度對(duì)液膜流動(dòng)狀態(tài)以及氣液換熱情況的影響，結(jié)果見圖4。

由圖4可見：當(dāng)冷卻水進(jìn)口溫度為34~42 ℃時(shí)，空氣進(jìn)口速率和冷卻水進(jìn)口速率均不發(fā)生變化，流域內(nèi)液膜的流動(dòng)狀態(tài)也不發(fā)生變化，而冷卻水進(jìn)口溫度的升高會(huì)影響單通道流域內(nèi)的換熱。在其他參數(shù)不變的情況下，僅升高冷卻水的進(jìn)口溫度，進(jìn)入薄膜填料的總熱量增大，因此薄膜填料出口冷卻水溫度升高。填料進(jìn)口冷卻水溫度的升高不僅增強(qiáng)了冷卻水與空氣之間的顯熱交換，同時(shí)飽和蒸氣壓值也隨之升高，提高了水的蒸發(fā)率，增強(qiáng)了空氣與冷卻水之間的潛熱交換，所以冷卻水進(jìn)出口溫差增大，且增大幅度遠(yuǎn)大于薄膜填料進(jìn)口冷卻水溫度的升高幅度。綜上分析，在一定范圍內(nèi)升高冷卻水進(jìn)口溫度對(duì)氣液間的換熱有利，但由于模擬的冷卻水進(jìn)口溫度的變化范圍較窄，因此單通道流域內(nèi)溫度場(chǎng)的變化較小。

圖4 冷卻水進(jìn)口溫度對(duì)液膜流動(dòng)狀態(tài)以及氣液換熱情況的影響

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

通過(guò)逆流濕式冷卻塔實(shí)驗(yàn)臺(tái)(CWCT)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。逆流濕式冷卻塔實(shí)驗(yàn)臺(tái)中采用的是波高為7 mm，波長(zhǎng)為40 mm正弦波基底的PVC斜波型薄膜填料，填料組裝高度為300 mm，該類型填料波紋板由梯形波組成，均為直波，與豎直方向呈30°傾斜角[14]。

在空氣進(jìn)口溫度為293 K，空氣進(jìn)口速率為1.6 m/s，冷卻水進(jìn)口速率為0.2 m/s的條件下，冷卻水進(jìn)口溫度選擇34，36，38，40，42 ℃，考察冷卻水進(jìn)口溫度改變時(shí)，冷卻水出口溫度的模擬數(shù)值和實(shí)測(cè)數(shù)值的誤差，結(jié)果見圖5。

圖5 冷卻水出口溫度的模擬數(shù)值和實(shí)測(cè)數(shù)值的誤差

由圖5可見：冷卻水出口溫度的模擬數(shù)值均低于實(shí)測(cè)數(shù)值，且所有的誤差值均小于0.38%，表明采用該數(shù)值模擬方法較可靠。

3.1 冷卻水進(jìn)口溫度對(duì)冷卻效率的影響

在空氣進(jìn)口溫度20 ℃，空氣進(jìn)口速率1.6 m/s，薄膜填料進(jìn)口冷卻水速率為0.2 m/s條件下，填料進(jìn)口冷卻水溫度選擇34，36，38，40，42℃，考察填料進(jìn)口冷卻水溫度對(duì)填料冷卻效率的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 冷卻水進(jìn)口溫度對(duì)填料冷卻效率的影響

由圖6可見：數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果均表明，濕式冷卻塔內(nèi)薄膜填料的冷卻效率隨冷卻水進(jìn)口溫度的升高而增大，且當(dāng)冷卻水進(jìn)口溫度為36~40 ℃時(shí)，冷卻效率隨冷卻水進(jìn)口溫度升高而增大的趨勢(shì)明顯。僅當(dāng)增加進(jìn)口冷卻水溫度時(shí)，填料出口冷卻水溫度也隨之升高，且填料進(jìn)出口冷卻水溫差增大，增大幅度遠(yuǎn)大于填料進(jìn)口冷卻水溫度與空氣進(jìn)口濕球溫度的差值，因此，冷卻效率隨之大幅增加。而當(dāng)填料進(jìn)口冷卻水溫度較低時(shí)，冷卻效率隨冷卻水進(jìn)口溫度升高而增大的趨勢(shì)放緩，其主要原因是填料進(jìn)出口冷卻水溫差增幅較小。

3.2 冷卻水進(jìn)口溫度對(duì)填料冷卻特性數(shù)的影響

在空氣進(jìn)口溫度20 ℃，空氣進(jìn)口速率1.6 m/s，薄膜填料進(jìn)口冷卻水速率為0.2 m/s條件下，填料進(jìn)口冷卻水溫度選擇34，36，38，40，42℃，考察填料進(jìn)口冷卻水溫度對(duì)填料冷卻特性數(shù)的影響，結(jié)果見圖7。

圖7 冷卻水進(jìn)口溫度對(duì)填料冷卻特性數(shù)的影響

由圖7可見：數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果均表明，濕式冷卻塔內(nèi)薄膜填料的冷卻特性數(shù)隨冷卻水進(jìn)口溫度的增大而增大，且冷卻水進(jìn)口溫度在38~40 ℃時(shí)，冷卻特性數(shù)隨冷卻水進(jìn)口溫度升高而增大的趨勢(shì)明顯。僅當(dāng)增加薄膜填料進(jìn)口冷卻水溫度時(shí)，不僅增強(qiáng)了冷卻水與空氣之間的顯熱交換，同時(shí)飽和蒸氣壓值也隨之升高，提高了水的蒸發(fā)率，增強(qiáng)了空氣與冷卻水之間的潛熱交換，因此冷卻特性數(shù)增大。

3.3 冷卻水進(jìn)口溫度對(duì)填料散熱量的影響

在空氣進(jìn)口溫度20 ℃，空氣進(jìn)口速率1.6 m/s，薄膜填料進(jìn)口冷卻水速率為0.2 m/s條件下，填料進(jìn)口冷卻水溫度選擇34，36，38，40，42 ℃，考察填料進(jìn)口冷卻水溫度對(duì)填料散熱量的影響，結(jié)果見圖8。

圖8 冷卻水進(jìn)口溫度對(duì)填料散熱量的影響

由圖8可見：數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果表明，模擬和試驗(yàn)數(shù)值的最大誤差為2.86%，誤差在可接受的范圍內(nèi)。濕式冷卻塔內(nèi)薄膜填料的散熱量隨冷卻水進(jìn)口溫度的升高而增大，且冷卻水進(jìn)口溫度在36~40 ℃時(shí)，散熱量隨冷卻水進(jìn)口溫度的升高而明顯增大。影響填料散熱量的主要因素是冷卻水進(jìn)出口溫差和氣水比，在氣水比不變的情況下，濕式冷卻塔薄膜填料散熱量則隨冷卻水進(jìn)出口水溫差的增大而增加。

4 結(jié)論

以逆流濕式冷卻塔內(nèi)薄膜填料單通道為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的技術(shù)路線，分析了冷卻水的進(jìn)口流量和進(jìn)口溫度對(duì)冷卻塔薄膜填料熱力性能的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論。

1)冷卻水進(jìn)口流量為0.57~1 kg/s時(shí)，冷卻水進(jìn)口流量越大，越不利于冷卻水與空氣的熱交換，冷卻水出口溫度越高，當(dāng)冷卻水流量為0.85 kg/s時(shí)，部分空氣在流道拐角處產(chǎn)生漩渦。

2)冷卻水進(jìn)口溫度為34~42 ℃時(shí)，冷卻水進(jìn)口溫度越高，空氣與冷卻水之間的潛熱交換增強(qiáng)，冷卻水進(jìn)出口溫差增大，因此在一定范圍內(nèi)升高冷卻水進(jìn)口溫度有利于氣液之間換熱。

3)冷卻水進(jìn)口溫度為36~40 ℃時(shí)，逆流濕式冷卻塔內(nèi)薄膜填料冷卻效率、冷卻特性數(shù)以及散熱量隨冷卻水進(jìn)口溫度升高而增大的趨勢(shì)明顯，而冷卻水進(jìn)口溫度為40~42 ℃時(shí)，增大速率減小。

4)冷卻水進(jìn)口流量和進(jìn)口溫度均會(huì)影響濕式冷卻塔內(nèi)薄膜填料單通道熱力性能，模擬數(shù)值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的最大誤差為0.38%，該數(shù)值模擬方法較為可靠。