一、引言

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

早期，Parker和Treybal,Mizushina等人，以及Niitsu等人對此作了研究o Erens曾提出了用來預測光管蒸發水冷器的模型；Tsay則用數值分析研究了濕式水冷器的熱量和質量傳遞特性。以上這些工作都是在汽液逆流布置狀態下操作的oDreyer和Erens進行了光管水冷器的錯流操作實驗，并與逆流布置的熱量和質量傳遞系數進行了比較；Peterson等人還用Parker和Treybal的關聯式計算了傳熱膜系數， 并評估光管蒸發冷凝器的性能。 CWCTS原先在一些工業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，并建立了計算模型，引用了大量的不同噴淋水溫度的數據，而后 Hasan和Gan又假設冷凝器為等噴淋水溫度， 進而將模型加以簡化。

Niitsu等人也研究了蒸發水冷凝器的翅片管箱， 翅片為圓形，直徑42. 6mm， 管外徑 6mm， 管束錯排布置，翅間距有6.Imm和11mm兩種。他們的結論是，翅片管束噴淋水側的傳熱傳質系數比光管管束要低，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了的翅片管束理論模型，引入了一些參數，將濕傳熱面傳熱方程轉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冷凝器的數學模型，以干式傳熱膜系數來估計質量傳遞系數。據所知，只有Niirsu等人提出了光管和翅片管束的比較結果。

A．Hasan和K．Siren對此也進行了實驗研究。

(1)實驗管束尺寸

紫銅圓管錯排管束，等節距，呈2. 5D布置（D為管外徑，m），共8排，每排管數為4 根， 管外徑為10mm， 管長88mm，光管管束。另一種試驗管為板翅管，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，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

實驗采用3種空氣流率，即0. 0151、0.0235和0.0323kg/s，相應于空氣質量流量分別為1.9、3.0和4.08kg/m2S。光管管束在較小流動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 而造成空氣流動截面減少了約5%，從而使空氣流速有所增加。進口空氣濕度沒有加以控 制，取決于補充空氣的狀態。

(3)管內熱水流

管內熱水流率保持恒定在1.141/s， 通常CWCT實際應用的3種進口熱水溫度分別為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（ 錯排管束）：
T=m_s/4NL
式中 N——每排管數；
L——管長，m;
m_s——噴淋水質量流速，kg/m².s。

二、理論分析及傳熱計算

圖2 -1為閉式噴淋濕式蒸發水冷器

（冷卻塔）示意圖和流體溫度和熱焓分布圖

（I：塔頂區；Ⅱ：管束區；Ⅲ：塔底區）。

一些文獻報道了CWGTS中一維傳熱傳 質計算模型。其他一些文獻亦介紹了空氣 與噴淋水界面（假定在噴淋水溫下達到飽和）和空氣主流的能量平衡Merkel方程， 水的蒸發量由噴淋水和空氣間直接接觸質量平衡計算而得，分析過程包括了噴淋水溫沿塔高的變化。為了簡化，文獻將噴淋水溫假定為恒定值ta，下面就介紹應用上述這些恒定ta和當量熱傳遞方程的假定來進行分析：

管內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，W/m².k。
1/U₀=1/a_h×(r₀/r_i)+r₀/k_w×ln(r₀/r_i)+1/a_s (2)
a_h—— 熱水和管內壁間的管內傳熱膜系數,W/m²．K;
r_i,r₀——分別為管內外半徑，m;
k_w——管壁熱導率，W／m．K；
a_s—— 管外噴淋水流與管外壁間的管外傳熱膜系數,W/m²．K;
在空氣 - 噴淋水界面和濕空氣間發生了蒸發潛熱和濕熱傳熱，而潛熱效應是主要的，這是由于有小量的噴淋水向空氣蒸發之故。 從空氣進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—— 總傳質系數，kg/m²;
方程式(1)和(3)分別遵守對數平均溫差和對數平均濃差定義。

此處U₀和k_m均分別代表局部傳熱系數和局部傳質系數， 假定噴淋水溫為恒定值， 管束管內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—— 管內熱水的質量流量，kg/s；
m_a——管外空氣的質量流量，kg/s；
h_a1 ——管外空氣塔底進口熱焓，J/kg；
h_a2——管外空氣塔頂出口熱焓，J/kg；
t_h1——管內熱水進口溫度，℃ ；
t_h2——管內熱水出口溫度，℃ ；

塔內管束的管內熱水溫度“ 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等人認為；從圖2-1b可以假定，t_s可取至實驗測得的噴淋水進口溫度t_a1，這是可以接受的。 對板翅管束上述假設同樣可用， 假定在翅表面和翅間光管段的噴淋水溫均為恒值，今取包含一個翅片在內的傳熱管單元體來分析（ 圖2—2a） ，研究管內熱水對空氣和對噴淋水膜間的熱傳遞。

1、管內熱水與噴淋水間的熱傳遞

管內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——單元微段管子管內傳熱面積，m²;

dq_h——管內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。

由實驗可得η_f平均值為0. 43，對噴淋濕式翅片，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， 可得管內熱水由進口到出口所傳熱的熱量：
dq_h=-m_hCd_th (10)
將方程(10)dg_h由換熱管束進口到出口進行積分得：


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——管子總的管內傳熱面積，m²

2．噴淋水對濕空氣的傳熱

噴淋水通過空氣一噴淋水界面對濕空氣傳熱，若忽略界面液側熱阻，則可假定界面在噴 淋水溫下達到飽和，熱傳遞包括顯熱傳熱和由于質量傳遞的潛熱傳熱，方程式(3)可用來 計算由界面向空氣流的傳熱，此時A。系指翅片管的總的濕表面積（A_ft和A_at之總和）。 方程(4)可用來計算換熱管束管內進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算模型。

如指定了a_s，a_h和K_m值，代人進口操作條件m_h,m_a和t_h1，就可找出3個未知數t_h2， h_a2和t_s，注意到h'_a系由t_a來計算得到。