!蒸发式冷却器-闭式冷却塔的应用前景及其设计计算

蒸发式冷却器/闭式冷却塔的应用前景及其设计计算

朱冬生 涂爱民 李元希 蒋翔

（华南理工大学 化工与能源学院 传热强化与过程节能教育部重点实验室, 广东 广州 510640 ） 摘 要：分析了蒸发式冷却器/闭式冷却塔的冷却特点，对应用场合、国内外的研究状况进行了介绍；开发了设计计算应用程序；对该类型设备的应用前景进行了展望。 关键词：蒸发式冷却器/闭式冷却塔；热质传递；设计计算；应用前景 中图分类号：TQ025.3 文献标识码: A 文章编号：

Design and Application Prospect of Evaporative Cooler /

Closed-wet Cooling Tower

Tu Ai- ming ZHU Dong – sheng Li Yuan-xi Jiang Xiang

(College of Chemical and Energy Engineering, Educational Ministry's Key Lab of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation, South China Univ. of Tech, Guangzhou 510640)

Abstract: The cooling features of the evaporative cooler /closed-wet cooling tower were analyzed, the applications and the study situation at home and abroad of this type cooling equipment were introduced, and the future application prospect is presented.

Key words: The evaporative cooler /closed-wet cooling tower; Heat and mass transfer; Design ; Prospect

0.引言

近年来，由于生产工艺要求的提高及蒸发式冷却器/密闭式冷却塔本身性能的逐步完善，国内对该类塔型设备的需求量增长十分迅速，在电子、电厂、铸造、食品、化工、建筑等行业，己有较广泛的应用，而且用户量和所涉及行业面在不断扩展。蒸发式冷却器和密闭式冷却塔基本上是同一类产品的两种不同叫法，均为管内走工艺流体、管外由喷淋水蒸发带走管内流体热量，并通过强排风方式带走蒸发潜热的一种冷却设备。

蒸发式冷却器（Evaporative cooler）的叫法是相对于蒸发式冷凝器得来的，当管内被冷却介质存在相变（冷凝）时，称为蒸发式冷凝器。蒸发式冷凝器是一种融合了空冷式、水冷式和冷却塔的紧凑式换热器，它取代了“管壳式冷凝器＋冷却塔”的制冷剂冷凝模式，主要靠管外喷淋水的蒸发潜热带走热量，由于其减少了一个换热环节，具有节能节水的特点，在国外有比较广泛的应用。当管内被冷却的是单相流体时，则一般称为蒸发式冷却器。蒸发式冷却器在工业冷却领域有着比较普遍的应用，主要是用来冷却工艺流体（如化工、食品、机械加工），在冶

炼、电厂等行业则主要用来作为高温设备冷却水的中间冷却设备，水源热泵空调冷却水系统采用闭式环路，由于对水质清洁度要求较高，也要用到闭式冷却塔。而由于蒸发式冷却器可以提供接近湿球温度的冷却水，在一些特定场合的空调系统，如全年需要供冷的建筑，可以在室外湿球温度比较低、室内冷负荷比较小的秋冬季节，停用全部或部分冷水机组，直接利用蒸发式冷却器为空调系统末端提供低温水，从而大大降低系统运行

[1～3]

费用，达到节能的目的。

密闭式冷却塔（closed-wet cooling tower，简称CWCT）源于工业用蒸发式冷却器，是相对于开式冷却塔的一种叫法，作为一种间接接触式冷却塔，普通冷却塔的填料被换热盘管组替代；服务对象主要是一些对冷却水清洁度要求较高，或冷却水温控制精度要求较高，不适于采用普通开式冷却塔的应用场合。由于其传热机理与工业用蒸发式冷却器相同，服务对象类似，因此，本质上说，蒸发式冷却器/密闭式冷却塔只是同一种类型设备的两种不同叫法而已。

本文拟对蒸发式冷却器/密闭式冷却塔的发展现状、传热机理、设计计算和应用前景进行介绍和分析。 1. 发展现状

在国外，对于蒸发式冷却器/密闭式冷却塔的应用研究，相对于填料式冷却塔来说，起步较晚，始于上世纪中期化工、冶金、电子工业的发展，开始主要应用于工业冷却。80年代以来，当发现对人类生存构成巨大威胁的灾难性气候都和空调制冷行业有关以后，蒸发式冷却技术等利用自然条件取得冷量的被动式供冷技术得到了迅速的发展。美国ASHRAE为此成立了名为“蒸发冷却”的技术委员会，还制定了一个新的标准

《额定间接蒸发冷却器的实验方法》[1]

。

随着对环保和节能工作的重视，以及电子、电厂、铸造、食品、化工、建筑等行业的发展，市场对蒸发式冷却器/密闭式冷却塔的需求量增长十分迅速，仅我国在最近十几年内，就涌现出几十家生产厂家，市场也达到了十几亿的规模。

蒸发技术理论研究较早，1802年，道尔顿综合考虑空气温度、湿度、速度对蒸发的影响，提出了道尔顿定律，从此蒸发的理论计算有了明确的物理意义和依据。Lillie[4]在1888年设计了用于制糖工业的水平管蒸发器，此后被用于蒸馏式海水淡化，从而将水平管表面蒸发技术正式应用于工业领域。而在制冷/冷却领域采用蒸发技术，基本是上世纪五十年代以后的事。

由于表面蒸发式冷却传热过程中涉及多相流，且包含传热和传质，传热机理比较复杂。蒸发式冷却设备的传热理论最先由Merkel（1927）提出，并成为后来许多相关研究的基础理论。在Merkel的理论中，将焓差作为空气与水膜的换热驱动力，并视饱和边界层热质交换的刘易斯数是一致的，同时

忽视水的蒸发损失[5]

。1962年，Parker 和 Treyball[6] 研究了蒸发式冷却器的管内介质传热、传质性能，阐明了蒸发式冷却器的传热、传质机理，并通过对管内外流体五种不同的组合实验，得到了传热膜系数的关联式，建立了完整的数学模型。这个模型基于以下假设:忽略蒸发到冷却空气中的水量；在常温下把饱和空气的焓看作温度的线性函数。由于五六十年代工业冷却对节能节水要求不高，蒸发式冷却器并没有得到广泛的应用。

七十年代的石油危机促使人们对主要靠自然冷源的节能节水型蒸发式冷却设备的重视，八十年代以来，对蒸发式冷却器的强烈需求和计算机应用技术的飞速发展，使得蒸发式冷却理论与模拟研究达到了新的高度。Webb[7]较早推出了统一的冷却塔、蒸发式冷凝器和蒸发式冷却器的理论模型。采用了不同的相关系数来区分水膜的传热系数和通过水膜传递给空气流的传质系数。在模拟冷凝和冷却单元时，用添加的因子来界定管内流体的传热系数。水膜的传热系数符合重力条件下以及没有空气流的水膜流。随后，Webb and Villacres [8]用三个运算法则和计算模型来描述和分析了冷却塔、流体冷却器和蒸发式冷凝器。该运算法则对三种系统的预测较准确，与厂商工程数据误差在3％内。间接式蒸发冷却塔模型由Maclaine -Cross and Banks [9]，Kettleborough and Hsieh [10]

，Chen et al. [11].进行了发展。这些模型合理的反应了室外空气的影响。然而对于那些包括了混合装置和排气装置的系统，这些模型在一定条件下过高估计了系统的冷却效果。这促使Peterson [12]发展了一种数值模拟的方法来分析间接蒸发冷却。数学模型对试验数据的预测是有效的，但数值模拟与实验测试数据的比较表明了模型对一些运行条件下系统能量的节约和系统特性的准确预测存在一定缺陷。在这种条件下，Peterson推荐使用试验数据得来的相关系数来获得必要的设计与特性数据。Pascal Stabat[13]给出了基于Merkel(1927)蒸发理论的间壁式蒸发冷却塔的简化模型，并引入换热器的e-NTU（效率单元数法）来评价换热效果，将模拟值与厂家提供的参数进行了比较，结果表明误差在工程应用许可范围内。该简化模型可用来评价不同风量和运行条件下的冷却塔性能和评估冷却系统的耗水量。国内

的蒋常健[14]

以管内走工艺水的横流式蒸发冷却塔为研究对象，提出了一种准三维的计算方法；定义了一系列无量纲参数, 通过计

算得到了横流式E～NTU 之间的关系线图，并讨论了各种参数对其热力性能和E～NTU

关系的影响。唐伟杰[15]

则在稳态传热仿真的基础上，设计了全年运行的蒸发式冷却器的配风量方案，可以作为蒸发式冷却器运行调节的参考。随着一些商业模拟软件的出现，使得数值模拟开始在蒸发冷却领域得到应

用，Mansour等人[16]

用商业CFD软件模拟了吸风式气流的蒸发式冷却塔，在模拟过程中，水被注入干燥温暖的气流中，水与空气的相互作用采用粒子输运模型。CFD模型得出的这一供冷系统的气流预测是成功的。模拟结果可以与一维有限差分模型获得的结

果媲美。蒋翔[17]

则用CFD软件模拟了逆流蒸发式冷凝/冷却器进风来流场对传热的影响。G. Gan[2,3]等人采用Fluent软件对为冷却吊顶提供低温水的闭式冷却塔冷却能力和压力损失特性进行了模拟研究，数值模拟表明，CFD可以用于预测封闭式冷却塔的特性，基本可满足冷却塔的设计和运行优化要求。由于蒸发式冷却器/密闭式冷却塔的传热性能受换热器结构、环境、风量和喷淋水量等多种因素的影响，目前还难以用数学模型精确表达这一过程，因此，在理论分析的同时，国内外的许多学者通过大量的实验测试来拟合传热过程关联式，并用实验关联式来指导设计和运行控制。其中，Jorge Facao[18]对一名义冷却能力10kW的鼓风式间接接触式冷却塔进行了热质传递试验测试，得到的热质传递关系式与简化的理论模型比较吻合。Lakdar Kairouan[19]等人通过现场测试与理论分析，得到了该类型冷却塔性能的关系式，并在位于突尼斯6台不同型号的横流式闭式冷却塔（巴尔迪摩闭式冷却塔的样式）进行了试验验证，测试表明理想的喷淋水与气流的质量流率比为1：2左右，实际水的

蒸发率占喷淋水流量的4%。我国的李永安[20、

21]

等则利用所建的小型实验台对空调系统用闭式冷却塔进行了动力和热工性能测试，得到的冷却盘管空气阻力计算式和热工指标对空调用闭式冷却塔的设计具有借鉴作

用。谭文胜[22]

等人则就密闭式冷却塔的优化设计提出了自己的看法。 2. 热质传递过程分析

蒸发式冷却器/密闭式冷却塔的换热过程主要可分为两个阶段，即从管内被冷却工艺流体到管外水膜的传热换热过程和从喷淋水膜到管外受迫对流空气的以蒸发潜热带动热传递的质扩散过程。对盘管段微元高度dx来说，喷淋水热量的得失GwCwdtw等于管内工艺流体失去的热量GfCfdtf与空气得到的热量Gadi之差，其温度特性的基本方程为：

dtffwdx

=

KG(tw−tf) (1)

fCf

dtwdz=KwaG(i−i∗

)−Kfw(tw−tf) (2) wCwGwCw

didz=KwaG(i−i∗) (3) a式中，Kfw、Kwa分别为工艺流体至喷淋水的传热系数和喷淋水至空气的总传质系数，

w/m2

K；Gf、Gw和Ga分别为工艺流体、喷淋水和空气的质量流量kg/s；Cf、Cw分别为工艺流体和喷淋水的比热KJ/kg·K；tf和

tw分别为工艺流体和喷淋水的温度,K；i、

i∗分别为空气和与喷淋水温度相对应的饱

和湿空气的焓，kJ/kg。

从上面关联中可以看出，除了被冷却工质的进出口温度和流量及大气干湿球温度、大气压等设计参数外，风量、喷淋水量、淋水密度、喷淋水水温、盘管的尺寸、管型、管径及布置形式，管程数(管内流速)、空气和工艺流体及喷淋水三者问的流向关系等对塔的设计都有影响，而且在某些结构形式中，不少因素是相互制约的，如逆流塔(喷淋水和空气流向相反，盘管簇水平放置且工艺水下进上出)，塔内风速与淋水密度就是相互关联的。由于塔的换热过程涉及质扩散和气液两相流，其性能涉及的相关因素太多，想得到一个普遍适用的精确模型十分困难，目前的模型都与设备的实际运行状况有一定的差距，因此在工程设计中，普遍采用经验公式来指导设计。

3. 蒸发式冷却器/闭式冷却塔的设计计算

良好的设计目标在于确定当工艺流体所需释放的热量全部被空气带走时，恰好让

出塔的空气达到饱和，而因此所花的代价(将制造成本与运行成本综合考虑)最低。

对光管来说，以管外表面为基准，Kfw可

Γ1

αw=[982+15.58tw](3 （7）

do

当喷淋循环水温度tw为30℃时，式

由下式表示:

(2-22)可改写为：

dododo11do1

ln()+r+=(+r(+

1Kαido0idii2λtdeαw

（4）

式中 αi——管内流体与管内表面之间对流

换热系数，J／(m2

·s·℃)；

αw——管外喷淋水与管外表面之间对

流换热系数，J／(m2

·s·℃) ri,ro——分别为管内、外壁上污垢热阻，m2

·s·℃／J，一般取经验值，与管材

及管道接触的流体性质有关；

di,d0——分别为管内、外径，m。

如果采用的是异型换热管，则管内、外

径可以采用当量直径表示。 对于圆管，管内对流换热系数可采用如

下经典经验公式得到[23]

： αf

i=0.023

λRe0.80.3

dfPrf （5）

i

上式适用范围

Ref=104~1.2×105,Prf=0.7~120,L/d≥60。

喷淋水与管外表面之间的对流换热系数计算经验公式很多，Parker和Treybal[6]将McAdams等人得出的传热关系式应用到水平管外水膜的传热膜系数αw的计算，并简化成以下关联式：

αΓBw＝B（2

3

d） （6） o

式中：B2，B3—常数

Γ—喷淋密度，传热管单侧单位管长

的喷淋水量，kg·m-1·s-1

。

他们通过实验关联得到，喷淋水温在30℃ - 88℃时计算公式:

αΓw=1449(d3 （8）

o

其它经验公式还有很多，所计算出的对流换热系数在30℃时的差别（最大/最小）达到了2.5倍左右，这里不一一列举。造成

这种差别的原因，一是管径和管排间距、管排方式（顺排或差排）不一样，二是管表面

的亲水性影响，三是与喷淋水滴直径和水滴分布效果有关。对于目前使用较广的差排式、且换热盘管为外径25mm碳钢管的闭式冷却塔，建议采取相对折中的一个经验关系式[24]

：

αΓ1/3

w=2103（d （9） oKwa的获得比较复杂，对水平放置的光

管簇，在不同的文献上也给出了不同的经验

公式。根据文献[25]，在空气雷诺数

Rea=doGa/μa为1.2×l03 ～1.4×1O4 ，喷淋水雷诺数Rew=4Γ/μw为50～240，管径d0为0.0127m～0.04m，管间距P与管径d0

之比为1.5～3.0条件下：

−0.7

Kwa=4.457×10−4

(

Ga

oμ)0.9

(

Γ

a

μ0.15

dw

P

式中，μa和μw分别为空气和喷淋水的黏度(kg／m·s)。

根据文献[26]，在Gmax,a为0．694kg／m2

·s～5．278kg／m2

·s和Γ／do为1．389kg／m2,s～5．278kg／m2

．s范围内，有

1∗

−0.905−5diK=20.4Gmax,a+8.5985×10 （11） wadtw

根据以上各项表达式，运用VB编制设计计算程序，计算换热面积，程序框图如下：

蒸发式冷却器/闭式冷却塔设计计算程序框图

用该程序计算一工程实例，负荷、气候

参数和工艺要求如下：夏季空调室外计算温度，干球温度34℃，湿球温度为28℃；设计冷却器入口水温37℃，出口水温32℃；允许压降＜100kPa；设计被冷却水流量120 m3/h。

初步选定喷淋水温度tw为31℃，换热盘管采用Ø25×2.5的碳钢管，管间距为s1=58mm，s2=50mm。选定喷淋密度Γ=0.05kg/(m·s)，取配风量为200m3/h·kW，换热管内被冷却水流速wf

(m/s)=1.2 m/s。

取管内侧污垢热阻r2

i＝O.0002m℃／w，管外

侧污垢热阻r2

o＝O.0004m℃／w。以此来设

计计算闭式冷却塔，设计计算程序和具体计算过程省略，得到的计算结果如下：闭式冷

却塔需要的换热面积216.78m2

；实际换热盘管由36×16排管组成，盘管组长×宽×高为：4.78m×2.09 m×0.78m；实际换热面积

216.16m2

。

4. 应用前景分析

闭式冷却塔/蒸发式冷却器主要依靠管外的喷淋水蒸发带走热量，理论上可以使被冷却流体无限接近环境湿球温度，可以使被冷却流体得到最大的温降；由于其冷却流体

参考文献：

[1]陈沛霖，秦慧敏.在美国蒸发冷却技术在空调中的应用.制冷技术，1990, V01 [2]G. Gan, S.B. Ri.at, L. Shao, P.

Doherty .Application of CFD to closed-wet cooling towers. Applied Thermal Engineering 21 (2001) 79±92

[3]G. Gan, S.B. Ri.at. Numerical simulation of closed wet cooling towers for chilled ceiling systems. Applied Thermal Engineering 19 (1999) 1279±1296 [4] James D Birket, Desalination Development During the Industrial Revolution IDA World Congress on “Desalination and Water Science”

[5] F. Merkel, Der Berieselungsverflüssiger, Z. gesamte Kälte -Industrie 34 (2,3) (1927) 24-28, 47-55. [6] R.O.Parker, R.E.Treyball. Chemical Engineering and Processing Symposium Series. 57. 1962, (32):138-147

[7] Webb, R. L., A United Theoretical Treatment of Thermal Analysis of Cooling Towers, Evaporative Condensers, and Fluid Coolers, ASHRAE Trans., vol. 90, pp. 398–415, 1984.

[8] Webb, R. L., and Villacres, A., Algorithms for Performance Simulation of Cooling Towers, Evaporative Condensers, and Fluid Coolers, ASHRAE Trans., vol. 90, pp. 416–458, 1984.

[9] Maclain-Cross, I. L., and Banks, P. J.,A General Theory of Wet Surface Heat Exchangers and Its Application to Regenerative Evaporative Cooling, J. Heat Transfer, vol. 103, pp. 579–584,1981.

环路封闭而不受环境污染的影响，降低了系统结垢的可能性，有利于系统高效运行；盘管技术减少了连接部件，最大限度地降低了系统泄漏的可能性，比较适合于对系统密封性要求较高的流体冷却系统；近年来，随着空调系统对节能要求的提高，闭式冷却塔/蒸发式冷却器这种主要依靠自然冷源来提供冷量的设备可以作为辅助冷却设备或在全年需要制冷的场所在秋冬季节作为主要供冷设备来使用。因此，在电力、冶金、化工和建筑空调领域，闭式冷却塔/蒸发式冷却器有着广阔的应用前景。

[10] Kettleborough, C. F., and Hsieh, C. S., The Thermal Performance of The Wet Surface Plastic Plate Heat Exchanger Used as an Indirect Evaporative Cooler, ASME J. Heat Transfer, vol.105, pp. 366–373, 1983.

[11] Chen, P., Qin, H., Huang, Y. J., and Wu, H., A Heat and Mass Transfer Model for Thermal and Hydraulic Calculations of Indirect Evaporative Cooler Performance, ASHRAE Trans., vol. 97, Part 2, pp. 852–865, 1991.

[12] Peterson, J. L., An Effectiveness Model for Indirect Evaporative Coolers, ASHRAE Trans., vol. 99, pp. 392–399, 1993.

[13] Pascal Stabat, Dominique Marchio. Simplified model for indirect-contact evaporative cooling-tower behaviour. Applied Energy 78 (2004) 433–451 [14] 蒋常建等.横流式蒸发冷却器的热力分析.上海交通大学学报[J]，1997，31（7）：1－4 [15] 唐伟杰.大型工业用蒸发式冷却器的计算机仿真及优化研究.同济大学硕士学位论文20050201.

[16] M.A. Mansour, M.J. Cook, A.H. Taki, K.J. Lomas, Use of computational fluid dynamics for modelling passive downdraught evaporative cooling, in: Proceedings of Ventilation and Cooling ——18th AIVC Conference, Athens, Greece, 23-26 September, Vol. 2, 1997, pp. 603-611.

[17] 蒋翔.管外流体流动与传热传质性能及机理的研究.华南理工大学博士学位论文2006.6 [18]Jorge Facao, Armando Oliveira. Heat and mass

transfer correlations for the design of small indirect contact cooling towers. Applied Thermal Engineering 24(2004 ) 1969–1978

[19]Lakdar Kairouani, Mohamed Hassairi, Zermani Tarek. Performance of cooling tower in south of Tunisia. Building and Environment 39 (2004) 351 – 355

[20]李永安，李继志，张兆清.空调用封闭式冷却塔空气动力特性的实验研究. 流体机械.2005，33（7）：67-69

[21]李永安，刘 杰，李继志. 空调用封闭式冷却塔热工性能的实验方法. 实验室研究与探索.2005，24（1）：16-17，29

[22]谭文胜 ，李子钧，项品义，章立新.密闭式冷却塔的优化设计.工程建设与设计2006年第2期：42-43

[23]杨世铭，陶文铨编著.传热学.高等教育出版社，1998.

[24]T. Mizushima, R. Ito, H. Miyashita. Experimental Study of an Evaporative Cooler [J]. Int. Chem. Eng. 1967, (7):727-739

[25][日]尾花英朗．热交换器设计手册[K]．徐中权，译．北京：石油化工出版社，1981．

[26]史美中，王中铮熟交换器原理与设计[M]-南京：东南大学出版社，1989.

基金项目 广东省关键领域重点突破项目(No.B10–B2060090)、广东省自然科学基金重点项目(No.04105950)、高等学校博士学科点专项科研基金(No.[1**********])及教育部新世纪优秀人才支持计划(No. NCET–04–0826)。 第一作者简介：朱冬生(1964－)，男，博士，教授，主要从事传热强化与空调制冷技术、氢气干燥技术等方面的研究。 通讯作者：涂爱民 电话：020－87114185 Email:[email protected]