任志强

（上海海事大学商船学院，上海 201306）

干球温度和湿球温度对湿式空冷器冷却能力的影响

任志强

（上海海事大学商船学院，上海 201306）

依据湿式空冷器测试标准建立了性能测试试验台，试验研究了干球温度和湿球温度对湿式空冷器冷却能力的影响。结果表明，当湿球温度一定时，干球温度对湿式空冷器的影响较大；因此，设计湿式空冷器时不能只考虑湿球温度，不考虑干球温度。同时分析了湿球温度与湿空冷管程进水温度的温差对湿式空冷器冷却能力的影响。

湿式空冷器；干球温度；湿球温度；冷却能力

空冷器通常利用翅片管外的流动冷空气来降低管内热流体的温度，或冷凝管内气体。湿式空冷器（以下简称湿空冷）利用喷淋雾化水来降低湿空冷的进风温度，从而扩大管内外温差，提高湿空冷的换热效果。同时由于加湿后的空气在管束表面形成一层水膜，水膜蒸发吸热也会提高湿空冷的冷却能力。由于湿空冷进风与雾化水直接接触，根据焓差法，其冷却能力与环境湿球温度之间关系紧密，而且不同的环境干球温度对湿空冷进风口处的空气加湿效果同样会有影响，进而对湿空冷的冷却能力也有一定影响。文献［1］对比了干空冷、湿空冷和冷却塔的冷却能力及适用范围；文献［2］介绍了闭式对流湿空冷的试验研究和数学模型，并分析了湿空冷的冷却能力与空气流速和喷淋水量之间的关系；文献［3］介绍了采用大量喷嘴的湿空冷用于大冷却负荷系统的可行性；文献［4］试验研究了湿空冷管外放热能力和空气阻力特性，并给出了相应的经验公式；文献［5］探讨了喷水强度、风速、热流体温度及翅片排列结构等参数对湿空冷换热能力的影响；文献［6］采用焓差法分析了湿空冷水膜的传热传质，并得出关联式。目前关于湿空冷的研究主要集中在设计计算方法和结构优化方面，以及喷淋水量、空气流量和湿球温度对换热能力的影响方面，尚未看到考虑环境干湿球温度同时影响湿空冷换热能力的研究，也未看到湿空冷进水温度和环境湿球温度的温差对湿空冷换热能力的影响的研究，因此，本文就这2个问题对照理论模型进行了试验研究。

1 工作原理和应用特点

湿空冷结构示意见图1。

图1 湿空冷结构示意Fig.1 Structure of wet-type air cooler

由图1可知，湿空冷主要由构架、进风格栅、雾化喷头、翅片管换热器和轴流风机组成，利用雾化喷头向来流空气喷淋雾化水，使得进风空气的温度下降到接近环境的湿球温度，扩大了管内外传热温差；同时雾化水滴随着空气一起喷洒在翅片管换热器上，在管束表面形成一层水膜。空气流过翅片间隙时，温度升高，相对湿度下降，吸湿能力增强，空气掠过水膜时，水膜吸收管内热量向空气蒸发。这样，在管外空气与翅片管束显热交换的基础上又增加了潜热交换，从而强化了管内外换热效果。

湿空冷的传热有如下几个特点：

（1）由于雾化增湿作用，空气的温度可以降到接近于来流空气的湿球温度，这有利于小温差的传热。我国除沿海地区外，其它地区夏季干、湿球温度的差值在3～6℃，湿空冷的这种增湿降温效果对小温差传热是经济的。

（2）由于水的比热容约为空气的4倍，而且管束表面水膜蒸发也会从空气中吸热，湿空气穿过管束的温升比干空气小很多，所以管内外可维持较大的传热温差，获得较大的传热推动力。

由于以上传热特点，湿空冷除了适用于干燥地区外，在湿度较高的地区，同样有较好的换热效果。但为了尽量避免翅片管束结垢，湿空冷主要用来冷却或冷凝80℃以下的工艺流体。湿空冷的冷端温差（管内流体出口温度与管外空气进口温度之差）一般不宜大于15℃，若大于20℃，则使用干空冷为宜。

2 湿空冷设计参数

换热器盘管参数：铜管，内径为11.7 mm；壁厚为1 mm；波纹型铝翅片，翅片节距为2 mm，翅片厚度为0.115 mm。

换热器尺寸：管束长2 310 mm，管束宽1 110 mm，每排29根管，4管程（单侧），4排管（单侧），总换热面积为15 m2。

湿空冷尺寸：长2 500 mm，宽1 130 mm，高1 350 mm。

风机风量为23 000 m3／h，使用EC无刷轴流风机。湿空冷供水用多级离心泵，最大流量为80 m3／h，扬程为50m。理论冷却负荷为60 kW，换热面积裕量为20%。

3 湿空冷试验台

依据文献［7］的测试标准设计湿空冷试验台，试验台的流程见图2。

图2 试验台流程示意Fig.2 Experimental process

由图2可知，试验台由锅炉提供热源，并通过板式换热器为湿空冷提供待冷却热水，湿空冷入口水温用三通阀来控制，保证试验中湿空冷出入口水温。试验台可对湿空冷入口空气进行加热或降温处理，可在不同的进风温度下进行湿空冷的性能试验。自来水经Y形过滤器后供喷雾使用。湿空冷进、出水口布置温度传感器和压力传感器，在湿空冷出水口布置流量计，湿空冷进、出风口布置有温度传感器、压力传感器、风速传感器和湿度传感器，并使用数据采集系统对数据进行采集及后续处理。

为保证试验精度，管路上的温度传感器均为德国久茂生产的PT1000型拧入式热电阻温度传感器；空气侧的温、湿度传感器为德国久茂生产的温、湿度探头，精度为0.15%；流量传感器使用厦门宏控生产的插入式涡轮流量计，测量精度为0.5 t／h；数据采集器使用美国吉时利生产的Keithley2700数据采集器。以上传感器均符合文献［7］的测试标准，且在标定有效期内。根据湿空冷进出口温度可自动调节三通阀、离心水泵和EC轴流风机，以控制湿空冷的进出口水温。

4 干、湿球温度对湿空冷冷却能力的影响

湿空冷在实际运行过程中，由于向进口空气喷雾化水，使得换热器管束表面覆盖有一层水膜，水膜气化吸热，使得换热过程既有传热又有传质，所以湿空冷入口空气的相对湿度会影响湿空冷的换热能力，当保持湿球温度不变时，相对湿度的高低就由干球温度的高低反映出来，干球温度与湿空冷最大冷却负荷关系见图3，当湿空冷进口空气湿球温度不变时，湿空冷冷却负荷与空气干球温度的关系呈穹窿形曲线，每条曲线均有湿空冷最大冷却负荷值的“穹顶”。

图3 干球温度与湿空冷最大冷却负荷关系Fig.3 Relationship between dry-bulb temperature and maximum cooling capacity of wet-type air cooler

在试验研究干、湿球温度对湿空冷冷却能力的影响时，需保证湿空冷入口水温37℃和出口水温32℃不变，通过改变湿空冷入口空气温、湿度参数和管程热水流量来评定湿空冷的换热量。由图3可知，在以上试验条件下，湿球温度不变时，对应湿空冷最大冷却负荷值的“穹顶”点的干球温度约在31.5～32.5℃附近。在穹顶左侧，空气干球温度与湿球温度越接近，湿空冷冷却能力越小。在穹顶右侧，即干球温度较大时，管外风温较高，管内外温差较小，湿空冷的冷却能力也会有所减小。由图3还可看出，当湿空冷进口干球温度保持不变时，随着进口空气湿球温度的降低，湿空冷的冷却能力显著增强。

待试验工况稳定后，根据湿空冷的热水流量和进出水温，可计算得出湿空冷的冷却负荷，结果见图4。

图4 湿球温度与湿空冷最大冷却负荷关系Fig.4 Relationship between wet-bulb temperature and maximum cooling capacity of wet-type air cooler

由图4可知，入口空气湿球温度对湿空冷换热能力的影响较大，入口空气湿球温度每降低1℃，湿空冷冷却负荷约增加10%。随着湿球温度的上升，湿空冷的冷却能力明显下降。

综合图3和图4可知，①湿空冷的冷却负荷与进口空气干球温度和湿球温度均有关系；②湿球温度对湿空冷冷却能力的影响更大；③干球温度与湿球温度越接近，湿空冷的冷却能力越差，所以在夏季干、湿球温差较大的地区，湿空冷有明显优势。

设定湿空冷进风湿球温度为26℃，相对湿度为55%，并保证湿空冷进出口水温相差5℃。试验中改变湿空冷管程进口水温，待系统稳定后测量水流量，算得湿空冷的冷却负荷，从而得到管程热水进口水温与湿空冷冷却负荷的关系，见图5。

图5 进水温度与湿空冷最大冷却负荷关系Fig.5 Relationship between inlet water temperature and maximum cooling capacity of wet-type air cooler

由图5可知，进水温度接近环境湿球温度时，湿空冷的换热能力较小。这是因为换热器管内工质与管外空气的换热温差越小，传热驱动力就越小，换热量就越小。

5 结论

（1）空气湿球温度一定时，湿空冷冷却负荷与空气干球温度呈穹窿形曲线；“穹顶”即意味着湿空冷最大冷却负荷对应的最佳干球温度；穹顶左侧，即空气干球温度与湿球温度接近时，湿空冷冷却能力较小；穹顶右侧，即干球温度较大时，管外风温较高，湿空冷的冷却能力也会有所减小。

（2）入口空气湿球温度对湿空冷冷却能力的影响较大；入口空气湿球温度每降低1℃，湿空冷换热能力增加约10%；随着湿球温度的提高，湿空冷的冷却能力有明显的下降。

（3）湿空冷管程进水温度越接近环境湿球温度，湿空冷的换热能力越小。

（4）湿空冷在干燥地区能够发挥最大的优势，比干空冷的体积小得多，可节省投资；与冷却塔相比，则可节省大量的水，适用于缺水地区或取水不方便地区。对于我国大部分地区夏季最高湿球温度不超过28℃的情况，在夏季使用湿空冷代替冷却塔是可行的。

［1］Lucas M，Martinez P J，Viedma A.Comparative experimental drift study between a dry and adiabatic fluid cooler and a cooling tower ［J］.International Journal of Refrigeration，2008，31（7）：1169－1175.

［2］Jiang Jing jing，Liu Xiao Hua，Jiang Yi.Experimental and nu -merical analysis of a cross－flow closed wet cooling tower［J］.Applied Thermal Engineering，2013，61（2）：678－689.

［3］Xie J L，Tan Y B，Wong T N.Multi－nozzle array spray cooling for large area high power devices in a closed loop system［J］.Inter -national Journal of Heat & Mass Tranfer，2004，78（6）：1177－1186.

［4］哈尔滨工业大学热工教研室，哈尔滨空调机厂技术科.湿式空冷器管外放热和空气阻力的实验研究［J］.化工与通用机械，1978，（6）：14－20.

［5］杨宁生，陶宏平，孙相玉，等.喷雾强化空冷器的散热研究［J］.高校化学工程学报，1990，（3）：232－238.

［6］杨强生，饶钦阳，范云良，等.喷雾强化空气冷却器的实验研究［J］.上海交通大学学报，1999，（3）：313－317.

［7］CTI Code ATC105，Acceptance Test Code for Water Cooling Towers ［S］.

Impact of dry-bulb and wet-bulb temperature on cooling capacity of wet-type air cooler

REN Zhi-qiang
（Merchant Marine Academy,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China）

According to the test standard of wet-type air cooler,a performance test-bed was established to study the impact of dry-bulb and wet-bulb temperature on cooling capacity of wet-type air cooler.The results showed that,when the wet-bulb temperature was fixed,dry-bulb temperature had appreciably effect on the cooling capacity of the wet-type air cooler; the consideration of the wet-type air cooler design should include not only wet-bulb temperature,but also dry-bulb temperature.The influence of the temperature difference between wet-bulb and inlet water of wet air cooled tube on cooling capacity of wet-type air cooler were also analyzed.

wet-type air cooler; dry-bulb temperature; wet-bulb temperature; cooling capacity

TU991.42

A

1009－2455（2016）01－0047－04

任志强（1989－），男，黑龙江哈尔滨人，硕士，主要从事冷却塔的相关研究，（电子信箱）renzhiqiangsh＠163.com。

2015-11-24（修回稿）

工程实例