摘要： 本课题在理论研究的基础上，建立了由锅炉、换热器、孔板流量计、水泵、微压计、温度计等仪器设备组成的封闭式冷却塔实验台。在该实验台上，详细测试了在封闭式冷却塔内空气与水逆向流动条件下，空气流经冷却盘管的阻力，探讨了封闭式冷却塔内空气的流动规律，分析了空气流过正三角排列管束的特性。

1 引言

我国水资源非常紧张，城市缺水现象比较严重。据统计，我国人均水资源量约2304m³/人，1984年在世界排名为88位，1996年降为第109位 ^[1] 。我国666座城市中，有333座城市缺水，有108座城市严重缺水。因此，我国人均水资源占有量呈下降趋势，农业缺水量大，城市供水不足，地下水位严重下降。进入21世纪，随着我国经济建设的飞速发展和人口增加，水资源供需矛盾将进一步加剧，据预测，2010年全国供水缺口近1000亿立方米。国际上有“19世纪争煤，20世纪争石油，21世纪可能争水” 和21世纪国际投资与经济发展，一看人，二看水的说法。因此，水可能成为我国可持续发展的重要制约因素。

在城市用水中，冷却水量占较大的比例，这些冷却水直接排放不仅造成热污染，还会造成较大的经济和资源浪费，所以，需要将这些冷却水循环重复利用，以提高水的有效利用率，缓解当前水资源短缺的状况。封闭式冷却塔是一种既能降低冷却水的温度，又能保持水质纯净的新型冷却设备，同时还具有功能多、用途广、对环境的适应能力强、可冷却高温水、安全防火等特点，因此，封闭式冷却塔在空调领域有着广阔的应用前景，在水环热泵系统、冷却塔直接供冷系统中更显示了其独特的优势。

空调用封闭式冷却塔空气动力特性实验研究的主要目的是寻求塔内进风口、冷却盘管、淋水装置、挡水板、风机进口、风筒出口等各部件阻力的计算方法；分析对比冷却塔内总阻力与风机压头之间的关系，使风机始终运行在最佳工况点；进一步揭示冷却塔内气流流动的规律，优化塔体形状，降低空气阻力，提高冷却效率。

2 空气的流动特性

空调用封闭式冷却塔主要由冷却盘管、风机、管通泵、喷淋排管、淋水喷头（喷咀）、挡水板、底池、百叶进风口、塔体等几部分组成^[2] 。

空调用封闭式冷却塔的工作原理是，从冷凝器、吸收器或工艺设备等出来的温度较高的水，由冷却水循环泵加压输送到封闭式冷却塔的冷却盘管中。另一方面，利用管道泵将冷却塔底池中的水抽吸到喷淋排管中，然后，喷淋在冷却盘管的外表面上，蒸发吸取冷却水的热量，从而使冷却水的温度得以降低。

与此同时，靠安装在挡水板上面风机的抽吸作用，使空气自下而上流经冷却盘管，这样不仅可以强化冷却盘管外表面的放热，而且还可以及时带走蒸发所形成的水蒸汽，以加速水分的蒸发，提高冷却效果。

具体说来，就是冷却盘管内温度较高的水以对流的形式将热量传给冷却盘管内表面，这部分热量再由冷却盘管的内表面传到冷却盘管的外表面。由于冷却盘管外表面喷淋循环水，循环水落到冷却盘管的外表面，靠对流和蒸发将这部分热量散到空气中去。

图1是封闭式冷却塔中冷却盘管的一种排列形式即正三角形排列，纵向管间距与横向管间距相等，均等于两倍管径。

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封闭式冷却塔中除冷却盘管外，其余部件的空气阻力，均可用下式计算^[3]：

 （Pa） (1）

式中，ρ为冷却塔内空气密度，kg/m³；v为冷却塔内空气流速，m/s ； ζ为各部件的局部阻力系数。

如图1所示，在空调用封闭式冷却塔中，空气在管束间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动。空气在管束中流动，除第一排管子保持了外掠单管的特征外，另一个重要特点是从第二排管子起流动被前面几排管子引起的涡旋所干扰，因此，管束中流动的状态比较复杂。影响空气流动阻力的主要因素是流速和管束本身所引起的紊流度。因此，管束的几何条件，即管径、管间距、管排数、管子的排列方式等与空气流动阻力密切相关。

空气的流动阻力表现为流经冷却盘管后的压力降低，可表示成欧拉数E_u和雷诺数Re之间的关系^[4]。

 (2)

式中，E_u为欧拉数，; Re为雷诺数，Re=V·do/;ΔP为空气阻力，Pa；ρ为空气密度，kg/m³；V为空气流速，m/s；d₀为定性长度，m；为空气的运动粘滞系数（运动粘度），m²/s。

从式（2）可见，在做冷却盘管外侧空气阻力实验时，需要测定空气流经冷却盘管所产生的压力降、空气的流速、空气的温度，然后，根据空气的温度查物性参数表，求得空气的密度ρ和运动粘滞系数，就可以计算出对应的Re数、E_u数。

在封闭式冷却塔中，由于温度的变化，会导致空气物理性质的改变，这就涉及到确定空气物性参数的温度如何选定，也就是如何确定定性温度值。有人主张用动力粘度的比值μ_f /μ_w来考虑物性变化的影响^[5]。对于空气、水这类流体，粘性比较小，流体随着温度变化的物性主要是粘性，所以，P_rf / P_rw≈μ_f /μ_w。但是，热交换的基础是所形成的温度场，是用普朗特准则表征的，所以，应用比值P_rf / P_rw 是比较好的，其结果也是令人满意的。因此，在本课题的研究中，按空气的平均温度确定空气的物性参数，同时，在准则方程中增加一项补充参数考虑物性变化的影响，即（P_rf / P_rw）^0.25。

封闭式冷却塔进口空气的温度t_i可用玻璃管温度计测出，出口空气的温度t₀可由出口空气的焓值i₀求出，因为，出冷却塔的空气状态可以近似地认为是饱和湿空气^[3]，所以，由i₀查饱和水蒸汽表可求出t₀，其平均温度t_m=(t_i+ t₀)/2。

冷却盘管的几何特性如管束的排列方式、管间距、管径、管子的排数、管子的几何形状等因素都对空气流动阻力有重要影响#p#分页标题#e#^[6]。经分析，在式 （2）中定型尺寸为管外径d₀。

在式（2）中流速V采用流通截面最窄处的空气速度，结合图1可见，最窄处的流通面积可用式（3）计算。

 （3）

式中，B₁为封闭式冷却塔的宽，m; L₁为封闭式冷却塔的长，m； n₁为每排管子的根数。

式（2）中的Δp可由测点分设于冷却盘管上下的微压计测出^[7]。

3 实验数据的整理

 

表1 是用拉制光滑铜管作冷却盘管，管子外径为20 mm，壁厚 1 mm, 管排数为10排，每排32根管（奇数排）、31根管（偶数排）,正三角形排列条件下，所测得的值。

根据上面的分析及式（2），可得下列准则方程：

 （4）

为了求出上式中的系数C及指数n，对式（4）作如下处理。

首先两边取对数，得

 （5）

令_z

所以，式（5）变为：

 （6）

将表1前6组数据代入式（6）得：

 （7）

将表1后6组数据代入式（6）得：

 （8）

解（7）、（8）方程组，得：

所以， Y=-7.59+2B_Z （9）

即 （10）

#p#分页标题#e# （11）

整理上式，得：

 （12）

考虑到物性场的不均匀性，所以：

 （13）

利用式（13）可方便地求出冷却盘管空气侧的阻力。

4 结论

4.1 通过对封闭式冷却塔冷却盘管外空气流动状况的分析，利用实测数据，建立了反映封闭式冷却塔空气流动阻力的准则方程式，欧拉数E_u=2.57×10^-8·(R_e)²·(P_rf/P_rw)^0.25，利用这个准则方程，可准确地计算空气流经冷却盘管的阻力。

4.2 封闭式冷却塔进口百叶窗、挡水板、风机进风口、风机出风口等阻力构件的局部阻力可用公式计算。

4.3 空调用封闭式冷却塔空气阻力的正确计算为合理选择冷却塔所配置的风机提供了理论依据只有风机的风压、风量满足设计要求或稍大于冷却塔内的空气总阻力及理论风量，封闭式冷却塔才能正常运行。

参考文献

1. 齐冬子. 敞开式循环冷却水系统的化学处理. 北京：化学工业出版社，2001

2. 李永安，尚丰伟，潘强. 空调用封闭式冷却塔的研究. 制冷学报，1997. 18(1):48-50

3. 史佑吉. 冷却塔运行与试验. 北京：水利电力出版社，1990

4. E. R. G. Eckert . Analysis of heat and mass transfer. USA: Mcgraw-hill kogakusha, LTD

5. J.P. Holman . Heat transfer. USA: Mcgraw-hiu book company , 1976

 

6. Jean Lebran , C. Aparecide Sila . Cooling tower model and experimental Validation . ASHRAE Transactions, 2002. part 1:751-759 . 李永安，尚丰伟，焦明先. 空调用封闭式冷却塔热工性能的动态仿真及实验研究. 制冷学报，1998. 19(4):66-70

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