一、引言

淋蒸發(fā)濕式水冷( CWCTS)的熱傳遞率高于干式水冷，包括濕式冷卻（管內(nèi)為熱水）和濕式冷凝（管內(nèi)為制冷劑冷凝器）兩種類型，已廣泛應(yīng)用于空調(diào)、制冷以及電站動(dòng)力等部門。 噴淋水呈閉式循環(huán)，籍對(duì)空氣“顯熱和噴淋水蒸發(fā)傳熱”方式來(lái)進(jìn)行熱量傳遞，且潛熱傳熱 是主要的。濕式比干式可達(dá)到較低的冷卻溫度。

早期，Parker和Treybal,Mizushina等人，以及Niitsu等人對(duì)此作了研究o Erens曾提出了用來(lái)預(yù)測(cè)光管蒸發(fā)水冷器的模型；Tsay則用數(shù)值分析研究了濕式水冷器的熱量和質(zhì)量傳遞特性。以上這些工作都是在汽液逆流布置狀態(tài)下操作的oDreyer和Erens進(jìn)行了光管水冷器的錯(cuò)流操作實(shí)驗(yàn)，并與逆流布置的熱量和質(zhì)量傳遞系數(shù)進(jìn)行了比較；Peterson等人還用Parker和Treybal的關(guān)聯(lián)式計(jì)算了傳熱膜系數(shù)， 并評(píng)估光管蒸發(fā)冷凝器的性能。 CWCTS原先在一些工業(yè)中用作向大氣中排熱，正如Hasan和Siren等介紹的，它顯得具有較高的熱力性能系數(shù)，并建立了計(jì)算模型，引用了大量的不同噴淋水溫度的數(shù)據(jù)，而后 Hasan和Gan又假設(shè)冷凝器為等噴淋水溫度， 進(jìn)而將模型加以簡(jiǎn)化。

Niitsu等人也研究了蒸發(fā)水冷凝器的翅片管箱， 翅片為圓形，直徑42. 6mm， 管外徑 6mm， 管束錯(cuò)排布置，翅間距有6.Imm和11mm兩種。他們的結(jié)論是，翅片管束噴淋水側(cè)的傳熱傳質(zhì)系數(shù)比光管管束要低，這可能是由于翅片間存有水，以及濕式翅效率低的緣故。 Kried等人提出了被水淹沒(méi)了的翅片管束理論模型，引入了一些參數(shù)，將濕傳熱面?zhèn)鳠岱匠剔D(zhuǎn)化為類似于干式管束的近似方程oLeidenfrost和Korenic提出了翅片管束蒸發(fā)冷凝器的數(shù)學(xué)模型，以干式傳熱膜系數(shù)來(lái)估計(jì)質(zhì)量傳遞系數(shù)。據(jù)所知，只有Niirsu等人提出了光管和翅片管束的比較結(jié)果。

A．Hasan和K．Siren對(duì)此也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

(1)實(shí)驗(yàn)管束尺寸

紫銅圓管錯(cuò)排管束，等節(jié)距，呈2. 5D布置（D為管外徑，m），共8排，每排管數(shù)為4 根， 管外徑為10mm， 管長(zhǎng)88mm，光管管束。另一種試驗(yàn)管為板翅管，為整體管束板翅， 共6塊，板翅厚0. 5mm，板翅間距為12mm，便于噴淋水沿板翅均勻流過(guò)，板翅與銅管為焊 接連接。板翅管束傳熱面積為光管管束面積的4倍。

(2)空氣流

實(shí)驗(yàn)采用3種空氣流率，即0. 0151、0.0235和0.0323kg/s，相應(yīng)于空氣質(zhì)量流量分別為1.9、3.0和4.08kg/m2S。光管管束在較小流動(dòng)截面處的空氣流速分別為1.58、2.45和 3. 4m/s，板翅管束在較小流動(dòng)截面處的流速分別為1.66、2.57和3.57m/s 。由于濕式噴淋 而造成空氣流動(dòng)截面減少了約5%，從而使空氣流速有所增加。進(jìn)口空氣濕度沒(méi)有加以控 制，取決于補(bǔ)充空氣的狀態(tài)。

(3)管內(nèi)熱水流

管內(nèi)熱水流率保持恒定在1.141/s， 通常CWCT實(shí)際應(yīng)用的3種進(jìn)口熱水溫度分別為30℃，32℃和34℃。

(4)噴淋水流

外直徑為D(m)的光管管束，其噴淋密度T/D取為1.78kg/ms，單位寬度上噴淋水流率(T)）被定義為（ 錯(cuò)排管束）：
T=m_s/4NL
式中 N——每排管數(shù)；
L——管長(zhǎng)，m;
m_s——噴淋水質(zhì)量流速，kg/m².s。

二、理論分析及傳熱計(jì)算

圖2 -1為閉式噴淋濕式蒸發(fā)水冷器

（冷卻塔）示意圖和流體溫度和熱焓分布圖

（I：塔頂區(qū)；Ⅱ：管束區(qū)；Ⅲ：塔底區(qū)）。

一些文獻(xiàn)報(bào)道了CWGTS中一維傳熱傳 質(zhì)計(jì)算模型。其他一些文獻(xiàn)亦介紹了空氣 與噴淋水界面（假定在噴淋水溫下達(dá)到飽和）和空氣主流的能量平衡Merkel方程， 水的蒸發(fā)量由噴淋水和空氣間直接接觸質(zhì)量平衡計(jì)算而得，分析過(guò)程包括了噴淋水溫沿塔高的變化。為了簡(jiǎn)化，文獻(xiàn)將噴淋水溫假定為恒定值ta，下面就介紹應(yīng)用上述這些恒定ta和當(dāng)量熱傳遞方程的假定來(lái)進(jìn)行分析：

管內(nèi)熱水與管外噴淋水膜間的熱傳遞方程為：
U₀A/m_bC=ln{(t_h1-t_s)/(t_h2-t_s)} (1)
式中 t_h1,t_h2——分別為熱水進(jìn)出口溫度，℃；
C——水的比熱容，J/K．kg；
U_o—— 基于換熱器總傳熱面積A1的總傳熱系數(shù)，W/m².k。
1/U₀=1/a_h×(r₀/r_i)+r₀/k_w×ln(r₀/r_i)+1/a_s (2)
a_h—— 熱水和管內(nèi)壁間的管內(nèi)傳熱膜系數(shù),W/m²．K;
r_i,r₀——分別為管內(nèi)外半徑，m;
k_w——管壁熱導(dǎo)率，W／m．K；
a_s—— 管外噴淋水流與管外壁間的管外傳熱膜系數(shù),W/m²．K;
在空氣 - 噴淋水界面和濕空氣間發(fā)生了蒸發(fā)潛熱和濕熱傳熱，而潛熱效應(yīng)是主要的，這是由于有小量的噴淋水向空氣蒸發(fā)之故。 從空氣進(jìn)口和出口的熱焓變化Merkel方程為：
K_mA_t/m_a=ln{(h'_a-h_a1)/(h'_a-h_a2)} (3)
式中h'_a——噴淋水溫為t_s下的飽和空氣熱焓，J/kg;
K_m—— 總傳質(zhì)系數(shù)，kg/m²;
方程式(1)和(3)分別遵守對(duì)數(shù)平均溫差和對(duì)數(shù)平均濃差定義。

此處U₀和k_m均分別代表局部傳熱系數(shù)和局部傳質(zhì)系數(shù)， 假定噴淋水溫為恒定值， 管束管內(nèi)熱水與管外空氣間的總的能量平衡為：
m_hC（t_h1一t_h2）=m_a( h_a2-h_a1) (4)
式中 m_h—— 管內(nèi)熱水的質(zhì)量流量，kg/s；
m_a——管外空氣的質(zhì)量流量，kg/s；
h_a1 ——管外空氣塔底進(jìn)口熱焓，J/kg；
h_a2——管外空氣塔頂出口熱焓，J/kg；
t_h1——管內(nèi)熱水進(jìn)口溫度，℃ ；
t_h2——管內(nèi)熱水出口溫度，℃ ；

塔內(nèi)管束的管內(nèi)熱水溫度“ 和管外噴淋水溫t_s以及管外空氣的焓分布情況如圖2 -1b所示。A．Hasan等人認(rèn)為；從圖2-1b可以假定，t_s可取至實(shí)驗(yàn)測(cè)得的噴淋水進(jìn)口溫度t_a1，這是可以接受的。 對(duì)板翅管束上述假設(shè)同樣可用， 假定在翅表面和翅間光管段的噴淋水溫均為恒值，今取包含一個(gè)翅片在內(nèi)的傳熱管單元體來(lái)分析（ 圖2—2a） ，研究管內(nèi)熱水對(duì)空氣和對(duì)噴淋水膜間的熱傳遞。

1、管內(nèi)熱水與噴淋水間的熱傳遞

管內(nèi)熱水與翅間光管部分外壁面及翅基處噴淋水的熱傳遞（均在翅基溫度t_b下）：
dq_h=(t_h-t_b)dA_i/{[1/a_h+r_i/kw.ln(r_o/r_i)]} (5)

式中dAi——單元微段管子管內(nèi)傳熱面積，m²;

dq_h——管內(nèi)熱水向管外噴淋水的傳熱量，W。
dq_h包括由翅片的傳熱qf， 和翅片之間光管部分的傳熱面的傳熱dq0，即
dq_h=q_f+dq₀（6）
翅片熱效率為ηf，則有：
q_f=η_fa_s(t_b-t_s)A_f (7)
式中 A_f——翅片傳熱面積，m²。

由實(shí)驗(yàn)可得η_f平均值為0. 43，對(duì)噴淋濕式翅片，η_f值還要減少35%。假定翅片傳熱面處和翅片間光管段傳熱面積處的傳熱膜系數(shù)a_s為恒值，翅片間光管部分傳熱面積dA處的傳熱量為：
dq₀=a_s(t_b-t_s)dA₀ (8)
將式(7)q_f和式(8)dq_o代入式(6)可得：
dq_h=a_s(t_b-t_s)(η_fA_f+dA₀)
由式(5)和式(9)消去t_b， 可得管內(nèi)熱水由進(jìn)口到出口所傳熱的熱量：
dq_h=-m_hCd_th (10)
將方程(10)dg_h由換熱管束進(jìn)口到出口進(jìn)行積分得：


式中 A_t——總傳熱面積，m²；
A_ft——總翅片傳熱面積，m²；
A_at——總的翅片間光管部分的管外總傳熱面積，m²；
A_it——管子總的管內(nèi)傳熱面積，m²

2．噴淋水對(duì)濕空氣的傳熱

噴淋水通過(guò)空氣一噴淋水界面對(duì)濕空氣傳熱，若忽略界面液側(cè)熱阻，則可假定界面在噴 淋水溫下達(dá)到飽和，熱傳遞包括顯熱傳熱和由于質(zhì)量傳遞的潛熱傳熱，方程式(3)可用來(lái) 計(jì)算由界面向空氣流的傳熱，此時(shí)A。系指翅片管的總的濕表面積（A_ft和A_at之總和）。 方程(4)可用來(lái)計(jì)算換熱管束管內(nèi)進(jìn)口與出口間的總的熱平衡。 解方程式(1)，(3)和(4)即可建立起求解的計(jì)算模型。

如指定了a_s，a_h和K_m值，代人進(jìn)口操作條件m_h,m_a和t_h1，就可找出3個(gè)未知數(shù)t_h2， h_a2和t_s，注意到h'_a系由t_a來(lái)計(jì)算得到。