淋水密度和环境条件对逆流密闭式冷却塔的换热

摘要：基于CFD软件和逆流密相关理论，对气流运动采用标准k-ε湍流模型，填料区、喷淋区和盘管区采用离散相模型计算，对填料区的膜状流动用滴状流动近似模拟。基于该模型，对设计制冷量为10 t/h 的逆流密闭式冷却塔的气水流动与热质交换进行数值模拟。模拟分析了淋水密度和环境条件对冷却塔热力特性的影响，并分析得到了使冷却塔性能达到优的无量纲参数气水比的取值。数值模拟结果表明：淋水密度和环境条件对逆流密闭式冷却塔的换热效果影响很大。

淋水密度是闭式冷却塔热交换的一个标准参数，对热交换有直接影响

（一）引言

在逆流密闭式冷却塔中，循环工艺流体流过管内，通过管壁将热量传给管外的喷淋水，然后主要通过喷淋水的蒸发散热，将热量传递给空气，从而使循环工艺流体温度下降。本文通过应用FLUENT软件中的DPM模型的数值求解，对某制冷量为10t/h 的冷却塔的变工况热力特性进行数值模拟，为完善带填料的逆流密闭式冷却塔的设计和运行提供了参考依据。

1、物理模型及计算方法

根据闭式冷却塔介质的流动特性和FLUENT软件模型的特点，采用以下计算模型和设置：

①由于闭式冷却塔中水气体积比小于10%，在填料区、雨区和盘管区运用离散相模型计算冷却塔的流场，其中空气被当作连续相，采用欧拉法求解，水滴被当作离散相，采用拉格朗日法计算；对填料区的膜状流动用滴状流动近似模拟，并且通过控制水滴粒子速度来得到所需要的传质传热过程。

②采用稳态雷诺应力平均N-S 方程，选用标准k-ε 湍流模型，其中在输运方程中考虑了浮力项。

③计算中，控制微分方程的离散化采用了有限差分法中的控制容积公式法，控制方程的对流项采用二阶迎风离散格式。

④流场计算则采用典型的SIMPLE算法。

⑤FLUENT 求解器采用分离隐式。

⑥能量方程的收敛精度为10-6，其余方程的收敛精度为10-4。

1.1 连续相（湿空气）控制方程

当机组稳定工况运行，且环境因素不变，闭式冷却塔也将在稳定工况下运行，其内外流场可以当作稳态计算。因此气相的通用控制方程如下：

式中：ρ为空气密度；ui 为速度矢量；Φ为通用变量，分别表示各方向速度分量（u、v、w）、水蒸气组分Y、温度T、湍动能K和湍流耗散率ε，ΓΦ 为广义扩散系数，SΦ为广义源项。

1.2 离散相（水滴）控制方程

FLUENT离散相模型可以计算水滴的轨迹以及水滴的动量、质量和能量传递。在湿冷塔的喷淋区和雨区，循环水以水滴型式自由下落，可以通过拉格朗日法计算其流场，并能耦合计算水滴与气相的热质交换。水滴的温度变化为：

式中：Tadb、Tp、Ap、Mp 分别是控制单元内气相干球温度、水滴温度、水滴表面积和水滴质量；h、hfg 和t 分别为传热系数、水的蒸发潜热和时间。当水滴和气相耦合计算时，相间能量、质量和动量传递将作为源项添加到主控方程。

1.3 填料内热质交换模型

填料区膜状流动重要的优点是增大了水与冷空气的接触面积，从而增强了冷却效果，而滴状流动没有这样的优点，除非液滴半径非常小。为了平衡热交换效果，通过控制液滴速度来加大液滴加冷空气的接触时间。

1.4 冷却塔内阻力模型

热态的冷却塔阻力包括几何边界阻力和相间作用力，其中相间作用力对连续相压降的影响在离散相模型内部实现。几何边界阻力主要包括进风口、盘管、填料、配水管网和收水器5 部分。由于这些细密几何体在GAMBIT内实现困难，因此它们对连续相产生的作用被作为附加动量汇添加到主控方程。它通过用户自定义函数在CFD 软件中实现。冷却塔各区动量汇方程一般形式如下：

Sv=-0.5KρVp。式中：Vp 为空气通过几何边界面的垂直速度分量；Kρ为压力损失系数，它是一个基于实验经验关系式。对于进风口、盘管、填料、配水管网和收水器的压力损失系数根据有关实验资料可以取值。

1.5 边界条件

本文模拟的对象为设计流量为10t/h 的逆流密闭式冷却塔，闭式冷却塔高度为4.1m，填料横截面尺寸为1200 mm×1200 mm，填料层高度为1000 mm，盘管为水平制式。利用GANBIT 软件生成相应的几何模型以及计算网格。划分网格时考虑到模拟计算精度的要求和计算机硬件性能的限制以及冷却塔的结构特点，对塔内区域采用相对细化的结构化网格划分，塔外环境区域则以塔体表面网格为边界，总网格数约为135 万。空气进为压力边界条件，空气出口为排气扇边界条件，集水盘、盘管壁面和冷却塔壳体设为壁面，计算中考虑重力和浮力，离散相边界条件在进出口、水池底面、收水器边界均为逃逸，在闭式冷却塔壁面和盘管壁面为反射。盘管换热斜率特性系数是影响模拟准确性的重要因素。文献中先给出了对逆流密闭式冷却塔盘管换热斜率特性参数这一概念，定义盘管换热斜率特性系数是盘管前的单位长度换热量与末单位长度换热量的比值。在文献中假定盘管前端的换热量是末端的两倍，得到了相对的模拟结果。本文同样引用这一概念。

式中：qi 为从冷却水进口算起第i 组水平盘管管束的单位面积热流量，W/m2；qm是整个闭式冷却塔管束的平均单位面积热流量，W/m2；N 是水平管束组的总数；i 指从冷却水进口算起第组水平管素（i=1 表示冷却水进水的那组水平管束，i=N 表示冷却水出口的那组水平管束）。

（二）计算模拟结果

2.1 标准工况模拟

标准工况参数和环境边界条件为：空气干球温度为32℃，大气压力为100kPa ，空气相对湿度为60%。循环水流量为10t/h，循环水进塔水温为37℃，喷嘴水滴当量直径为5mm，它们通过FLUENT 的面射流模型实现。

由图2中可以看出，在逆流密闭式冷却塔中，空气从冷却塔底部从冷却塔底部两侧的入口以-45°的方向进入冷却塔。由于盘管采用差排的布置方式，所以在盘管区有强烈的绕流，盘管附近的区域为空气气流高速区，流速为4 m/s 左右。离开盘管后空气流速降低并逐渐趋于均匀稳定。在接近出口是速度为2.4 m/s左右，这与塔内理论计算速度基本一致，与实验所测数据也十分接近。盘管区同一水平面上不同位置的风速也不同，越靠近冷却塔壁面风速越低，中间的盘管区风速高，可以得到冷却塔内部盘管热交换率随着盘管与闭式冷却塔壁的距离的增加而增大的结论。

由图3 中可以看出，空气以干球温度305K 进入冷却塔内，由于空气遇到喷淋水与喷淋水之间蒸发换热，所以空气的温度随空气流动方向逐渐降低，空气温度的低值为302K。在盘管区由于中心线附近盘管的风速大于靠近冷却塔壁附近的风速，所以冷却塔中心线附近的蒸发换热强于冷却塔壁附近的蒸发换热，所以盘管附近空气的温度随着盘管与冷却塔壁距离的增大而降低。

2.2 淋水密度、环境温度和湿度、气水比对闭式冷却塔热力性能的影响

2.2.1 淋水密度、气水比对闭式冷却塔热力性能的影响

保证风量9681 m3/h 不变仅淋水密度变化。选取6个工况点进行模拟，得到其与闭式冷却塔冷却水进出口温差关系如图4。可以看出：当淋水密度增加，冷却水进出口温差先增大后减小。先增大是因为冷却塔出口空气湿度随着淋水密度的增加逐渐趋于饱和，闭式冷却塔空气进出口焓差反应冷却塔的气水两相间换热效果，在空气流量不变的情况下冷却塔空气出口空气相对湿度增加说明空气带走了喷淋水中更多的热量，从而使冷却塔换热能力增加，冷却水进出口温差增大。当闭式冷却塔出口空气到达饱和继续增大淋水密度时，闭式冷却塔空气进出口焓差不变，空气带走喷淋水中的热量不变，而单位体积内水滴数增加，相间曳力增大，单位面积水滴的冷却空气量减小，传热恶化，冷却塔的换热能力降低，冷却水进出口温差减小。比较图5 和图6，可以看出随着风量的增大，使闭式冷却塔换热达到优的淋水密度向增大的方向移动。定义无量纲参数气水比为空气的质量流量与喷淋水的质量流量之比。从图7 中可以看出对应不同风量，优冷却换热工况对应的气水比在一个小范围波动（1.01~0.98），也是说气水比的值在1.01~0.98 这个范围闭式冷却塔的冷却效果较好。这为闭式冷却塔的设计提供了一个参考。

2.2.2 环境温度和湿度对闭式冷却塔热力性能的影响

固定风量：12679 m3/h，淋水密度：3.0kg/(m2·s)，仅环境干球温度、湿球温度变化。选取三个干球温度、三个湿球温度工况点进行模拟，得到其与冷却塔冷却水进出口温差关系如图8。可以看出：当环境温度增加，冷却水进出口温差减小，冷却塔换热能力下降。当环境湿球温度不变时，出塔水温在空气干球温度变化时几乎不变，可以看出逆流密闭式冷却塔的换热能力受湿球温度的影响较大，而基本不受干球温度影响。当湿球温度逐步增加，冷却水进出口温差呈加速下降趋势即冷却塔换热能力呈加速下降趋势。

 

（三）结论

本文基于DPM 热质交换模型以及FLUENT 自定义源项方法，建立了冷却塔比较完善、适用的数值求解模型。应用该模型，对设计冷却量为10t/h 的闭式冷却塔进行数值模拟和分析。一方面加深了对冷却塔内部温度场、湿度场、速度场的理性认识，另一方面通过分析淋水密度、环境温度和湿度、气水比对闭式冷却塔热力性能的影响得出一些对闭式冷却塔优化设计有价值的结论。