降膜蒸发式冷却器传热性能模拟分析

为研究降膜蒸发式冷却器的传热性能，通过仿真和实验相结合，探究了呈叉排排列的水平管在不同喷淋密度和迎面风速下的降膜流动和热质传递。结果表明：在周向上，液膜厚度先变小后变大，最薄区域位于周向角90˚~110˚内；迎面风速的增大对水平管下半部分的液膜厚度影响较大。局部传热系数随喷淋密度和迎面风速的增大而增大，在周向角0˚~20˚内，局部传热系数迅速减小，而在160˚~180˚范围内，局部传热系数出现回升。迎面风速和喷淋密度的增大，可以提高水平管外液膜的热质传递效果，并存在最佳喷淋密度0.092 kg∙m−1∙s−1。工况范围内汽化换热量占总换热量的比值为0.73~0.79，且随迎面风速的增大而下降。

蒸发式冷却器是结合了空冷式和水冷式优点的高效换热设备。在蒸发式冷却器里，冷却液被喷射到换热管的外部，生成一层薄薄的液膜，随后受风机推动，空气和这层薄薄的液膜直接相互作用，实现对流传热和物质转移。空气未饱和时具有吸湿性，当其进入蒸发式冷却器时，由于空气与管外喷淋水间的焓差，喷淋水会吸热蒸发成水蒸气，然后以此形式进入空气中，利用空气的干度制冷，是融合了工质显热和潜热的热量传递过程[1] [2]。鉴于其结构紧凑、维护方便、节能环保的特性，在石化、电力、冶炼和制冷领域的应用前景十分广泛[3] [4]。

蒸发式冷却器中流动与传热传质过程复杂，且受喷淋水量、进风空气量、环境干湿球温度、被冷却介质温度和流量等多种因素影响。郭亚丽等[5]建立了三维数值模型，对横管外两液柱间的液膜铺展及换热过程进行模拟，得到了喷淋密度对局部传热系数分布的影响。蒲亮等[6]利用CFD 软件与UDF 程序， 对水平管降膜蒸发的热质传递过程进行数值分析，得出在一定范围内，雷诺数或饱和温度的增大会加大传热系数。Lee 等[7]数值模拟逆流水平椭圆管蒸发降膜的质扩散传热，研究表明，与静止环境相比，喷淋密度为0.093 kg∙m−1∙s−1~0.186 kg∙m−1∙s−1 和迎面风速为0~2 m∙s−1 时平均传热效果可提升34.7%。阚翠玲[8]通过实验得到了换热盘管各管段内流体温度随喷淋密度和迎面风速的变化趋势。司春强[9]组建了蒸发式冷却器实验台，对比了不同工况下的换热量，证明空气的湿球温度是提升系统性能的重要因素。朱冬生[10]，杨永安[11]等实验研究了喷淋密度与迎面风速对传热性能的影响，得到了机组运行的最佳迎面风速和喷淋密度。

申江等[12]采用顺流式椭圆管型蒸发式冷却器， 得出单位换热面积的最佳空气流速和水速， 并通过干工况运行证明了蒸发式冷却器利用水的汽化换热具有更高的换热效率。

何茂刚等[13]综述了前人研究成果，指出水平管降膜蒸发器在工作过程中可在液固、气液界面上发生相变，既能提升换热效率， 又能节约用水量。对于蒸发式冷却器热质传递方面的数值模拟和实验多集中于系统整体的传热性能，较少分析传热过程中汽化换热量与空气温升换热量随影响因素的变化情况。为进一步提高蒸发式冷却器的换热性能，深入研究汽化换热量在整体换热过程中的占比是十分有意义的。

本文利用Fluent 软件对降膜蒸发式冷却器的局部水平管进行了仿真研究，并通过搭建的实验台进行