逆流湿式冷却塔内薄膜填料单通道热力性能研究*

孔庆杰，高阳，姚加文，李慧珍

(1. 江苏理工学院机械工程学院，江苏常州 213001；
2. 中航锂电技术研究院有限公司，江苏常州 213200)

冷却塔是一种普遍用于工业热力循环的冷却设备，填料是冷却塔循环冷却的核心部件[1]，其产生的冷却效果占整个冷却塔的60%~70%[2]，因此，研究冷却塔填料的热力性能具有广泛的工程应用和重要的现实意义。随着计算机技术的飞速发展，因此通过CFD数值模拟的方式考察填料的热力性能的研究较多。Reuter等[3]对冷却塔内喷溅式和点滴式填料建立了二维轴对称模型，利用用户自定义函数(UDF)来定义边界条件并计算冷却塔填料内热质交换。Lu等[4]模拟了自然通风冷却塔内风速对流动和传热的影响，结果表明：当风速大于15 m/s时，冷却塔内几乎不再发生流动和传热。韩富强[5]基于液膜理论，对自然通风逆流湿式冷却塔中不同沟槽填料上的冷却液膜进行数值模拟和热力计算，得出填料的波长、振幅以及倾斜角度对冷却塔出口水温均有一定影响。魏明阳[6]对自然通风逆流湿式冷却塔建立三维计算平台，分析了淋水密度、冷却水进口温度、环境空气温度和湿度、环境风速及塔体结构参数对冷却塔传热传质性能的影响。刘珊[7]在逆流湿式冷却塔填料通道内的气液两相流动研究中，对单通道进行数值模拟，结果表明：随着气水比减小，冷却塔出口水温升高，阻力系数增大。由于对整个填料区建模较困难，大部分是针对整个冷却塔的传热传质进行研究，对填料单通道内热质传递的数值模拟研究更少[8-9]。笔者针对斜波型薄膜填料单通道内的传热传质进行数值模拟，并通过试验验证模拟的可靠性，对逆流湿式冷却塔热力性能的研究及优化具有重要意义。

1.1 几何建模

该研究重点分析随时间的变化，液相在填料表面的流动形态对气液热质传递的影响，因此忽略两片交错填料之间的通道影响，将模型简化为单一的正弦波基底的斜波型通道。通过壁面等效法将薄膜填料通道内的气液两相流动过程简化成液体沿着正弦波基底的斜波型弯曲通道流动，空气逆向外略液膜表面的过程。建立二维正弦波基底的斜波型薄膜填料的单通道模型，见图1。

图1 薄膜填料单通道几何模型

图1中单通道宽度为35 mm，为了确保冷却水的进水量，液相进口宽度设置为2 mm，气相进口宽度设置为31 mm，填料高度设置为300 mm。为了更好地模拟填料单通道内气液两相的传热传质，降低气液进出口位置对通道内流场的影响，在通道顶部和底部各设置20 mm的竖直高度，为了避免气-液的进出口速率对流动过程造成扰动，将气相与液相的出口均延长30 mm。

1.2 网格划分

采用ANSYS软件进行几何建模后，利用ICEM对其网格划分，对二维模型采用了四边形的结构化网格。由于液相在流动过程中厚度较薄，为了更好地研究其沿壁面处和在壁面拐角处的流动状况，在近壁面处对网格进行加密，见图2。

图2 薄膜填料单通道网格划分

图2中空气通道较宽，其网格采用一般设置，网格质量均大于0.3，Fluent中网格检查无负体积，网格质量较好。

1.3 数值计算方法

采用Fluent 15.0流体力学计算软件对薄膜填料通道内的气液两相流动进行模拟。多相流模型选用VOF模型，VOF参数选用隐式格式。压力速率耦合项采用SIMPLEC算法。动量方程选用二阶迎风离散格式。其余方程均选用一阶迎风离散格式。计算过程中，压力项的松弛因子为0.3，动量为0.7，湍动能和耗散率为0.8，其他项均取为1。在液相流动过程中，要考虑重力的影响，设定重力方向为y轴方向，大小为9.8 m/s2。湍流模型采用RNGk-ε湍流模型。

1.4 边界条件设置

1)进口边界条件。当研究斜波型薄膜填料内气液两相逆向流动特性时，为了更接近液膜真实的流动状态，建模时采用多个出入口，其中冷却水入口在贴近壁面的通道上部的两端，空气入口在通道下部的中央位置。

2)出口边界条件。位于通道上部中央的区域为空气出口，通道下部的壁面两侧附近为冷却水出口，均设置为outflow条件。

3)壁面边界条件。主要研究的是薄膜填料通道内气液之间的换热与流动特性，此处不考虑壁面条件对气液传热和温度分布的影响，因此将壁面简化成绝热壁面。

4)初始条件。假设在初始时刻，计算区域内充满了静止的空气，无冷却水。

2.1 冷却水进口流量的影响

在空气进口温度为293 K，冷却水进口温度为313 K，空气进口速率为1.6 m/s的条件下，冷却水进口流量选择0.57，0.66，0.75，0.85，1.0 kg/s，考察冷却水进口流量对液膜流动状态和换热情况的影响，结果见图3。

图3 冷却水进口流量对液膜流动状态和换热情况的影响

由图3可见：薄膜填料冷却水进口流量的变化会影响通道流域内的液膜流动状态，冷却水进口流量增大时，液膜的厚度增大，流域内空气阻力也增大。当冷却水流量为0.85 kg/s时，部分空气在流道拐角处受到液膜作用力与结构的影响，流动方向发生改变而产生漩涡。在漩涡处，气液的相互作用加剧，阻力损失加大，应尽量降低流量避免产生漩涡。同时，当薄膜填料冷却水进口流量发生变化时，通道流域内空气与冷却水的热交换也发生了变化。当冷却水进口流量较小时，液膜的厚度较薄，与空气换热的热阻较小，冷却水出口温度较低，换热效果好；
当冷却水进口流量增大时，液膜的厚度逐渐增大，单通道流域内的液膜扰动较大，使得空气阻力增大，不利于空气与冷却水之间的换热，冷却水的出口温度较高。

2.2 冷却水进口温度的影响

在空气进口温度为20 ℃，空气进口速率为1.6 m/s，冷却水进口速率为0.2 m/s的条件下，冷却水进口温度选择34，36，38，40，42 ℃，考察冷却水进口温度对液膜流动状态以及气液换热情况的影响，结果见图4。

由图4可见：当冷却水进口温度为34~42 ℃时，空气进口速率和冷却水进口速率均不发生变化，流域内液膜的流动状态也不发生变化，而冷却水进口温度的升高会影响单通道流域内的换热。在其他参数不变的情况下，仅升高冷却水的进口温度，进入薄膜填料的总热量增大，因此薄膜填料出口冷却水温度升高。填料进口冷却水温度的升高不仅增强了冷却水与空气之间的显热交换，同时饱和蒸气压值也随之升高，提高了水的蒸发率，增强了空气与冷却水之间的潜热交换，所以冷却水进出口温差增大，且增大幅度远大于薄膜填料进口冷却水温度的升高幅度。综上分析，在一定范围内升高冷却水进口温度对气液间的换热有利，但由于模拟的冷却水进口温度的变化范围较窄，因此单通道流域内温度场的变化较小。

图4 冷却水进口温度对液膜流动状态以及气液换热情况的影响

通过逆流湿式冷却塔实验台(CWCT)对数值模拟结果进行对比验证。逆流湿式冷却塔实验台中采用的是波高为7 mm，波长为40 mm正弦波基底的PVC斜波型薄膜填料，填料组装高度为300 mm，该类型填料波纹板由梯形波组成，均为直波，与竖直方向呈30°倾斜角[14]。

在空气进口温度为293 K，空气进口速率为1.6 m/s，冷却水进口速率为0.2 m/s的条件下，冷却水进口温度选择34，36，38，40，42 ℃，考察冷却水进口温度改变时，冷却水出口温度的模拟数值和实测数值的误差，结果见图5。

图5 冷却水出口温度的模拟数值和实测数值的误差

由图5可见：冷却水出口温度的模拟数值均低于实测数值，且所有的误差值均小于0.38%，表明采用该数值模拟方法较可靠。

3.1 冷却水进口温度对冷却效率的影响

在空气进口温度20 ℃，空气进口速率1.6 m/s，薄膜填料进口冷却水速率为0.2 m/s条件下，填料进口冷却水温度选择34，36，38，40，42℃，考察填料进口冷却水温度对填料冷却效率的影响，结果见图6。

图6 冷却水进口温度对填料冷却效率的影响

由图6可见：数值模拟和试验测量的结果均表明，湿式冷却塔内薄膜填料的冷却效率随冷却水进口温度的升高而增大，且当冷却水进口温度为36~40 ℃时，冷却效率随冷却水进口温度升高而增大的趋势明显。仅当增加进口冷却水温度时，填料出口冷却水温度也随之升高，且填料进出口冷却水温差增大，增大幅度远大于填料进口冷却水温度与空气进口湿球温度的差值，因此，冷却效率随之大幅增加。而当填料进口冷却水温度较低时，冷却效率随冷却水进口温度升高而增大的趋势放缓，其主要原因是填料进出口冷却水温差增幅较小。

3.2 冷却水进口温度对填料冷却特性数的影响

在空气进口温度20 ℃，空气进口速率1.6 m/s，薄膜填料进口冷却水速率为0.2 m/s条件下，填料进口冷却水温度选择34，36，38，40，42℃，考察填料进口冷却水温度对填料冷却特性数的影响，结果见图7。

图7 冷却水进口温度对填料冷却特性数的影响

由图7可见：数值模拟和试验测量的结果均表明，湿式冷却塔内薄膜填料的冷却特性数随冷却水进口温度的增大而增大，且冷却水进口温度在38~40 ℃时，冷却特性数随冷却水进口温度升高而增大的趋势明显。仅当增加薄膜填料进口冷却水温度时，不仅增强了冷却水与空气之间的显热交换，同时饱和蒸气压值也随之升高，提高了水的蒸发率，增强了空气与冷却水之间的潜热交换，因此冷却特性数增大。

3.3 冷却水进口温度对填料散热量的影响

在空气进口温度20 ℃，空气进口速率1.6 m/s，薄膜填料进口冷却水速率为0.2 m/s条件下，填料进口冷却水温度选择34，36，38，40，42 ℃，考察填料进口冷却水温度对填料散热量的影响，结果见图8。

图8 冷却水进口温度对填料散热量的影响

由图8可见：数值模拟和试验测量的结果表明，模拟和试验数值的最大误差为2.86%，误差在可接受的范围内。湿式冷却塔内薄膜填料的散热量随冷却水进口温度的升高而增大，且冷却水进口温度在36~40 ℃时，散热量随冷却水进口温度的升高而明显增大。影响填料散热量的主要因素是冷却水进出口温差和气水比，在气水比不变的情况下，湿式冷却塔薄膜填料散热量则随冷却水进出口水温差的增大而增加。

以逆流湿式冷却塔内薄膜填料单通道为研究对象，采用数值模拟和试验研究相结合的技术路线，分析了冷却水的进口流量和进口温度对冷却塔薄膜填料热力性能的影响规律，得到以下结论。

1)冷却水进口流量为0.57~1 kg/s时，冷却水进口流量越大，越不利于冷却水与空气的热交换，冷却水出口温度越高，当冷却水流量为0.85 kg/s时，部分空气在流道拐角处产生漩涡。

2)冷却水进口温度为34~42 ℃时，冷却水进口温度越高，空气与冷却水之间的潜热交换增强，冷却水进出口温差增大，因此在一定范围内升高冷却水进口温度有利于气液之间换热。

3)冷却水进口温度为36~40 ℃时，逆流湿式冷却塔内薄膜填料冷却效率、冷却特性数以及散热量随冷却水进口温度升高而增大的趋势明显，而冷却水进口温度为40~42 ℃时，增大速率减小。

4)冷却水进口流量和进口温度均会影响湿式冷却塔内薄膜填料单通道热力性能，模拟数值与实测数据的最大误差为0.38%，该数值模拟方法较为可靠。