無(wú)填料冷卻塔冷卻性能的試驗(yàn)研究

張 楠，李念平，崔海蛟，李勝兵，賈宇豪

（湖南大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410082）

1 前言

無(wú)填料冷卻塔去除了傳統(tǒng)開(kāi)式冷卻塔的填料部分，對(duì)配水部分做出重大改進(jìn)，使循環(huán)水在淋水區(qū)域形成足夠小的水滴。由于塔內(nèi)阻力減小，進(jìn)風(fēng)量提升15%～20%，在無(wú)填料的情況下能夠進(jìn)行充分的水氣熱質(zhì)交換，從而達(dá)到冷卻循環(huán)水的目的。無(wú)填料冷卻塔避免了由于水質(zhì)和水溫的原因而導(dǎo)致的填料性能的下降和損壞，對(duì)處理高溫、高濁度、易結(jié)垢循環(huán)水有重要的意義［1～3］。

近年來(lái)，許多企業(yè)和學(xué)者對(duì)無(wú)填料冷卻塔進(jìn)行了深入研究。陳劍波等通過(guò)對(duì)無(wú)填料噴射式冷卻塔和傳統(tǒng)填料冷卻塔的冷卻性能進(jìn)行實(shí)測(cè)對(duì)比分析，結(jié)果表明無(wú)填料冷卻塔具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)［4］。路建嶺等分析了噴霧位置、氣水比以及截面風(fēng)速對(duì)上噴式無(wú)填料冷卻塔冷卻效率的影響［5,6］。魏崢等通過(guò)建立無(wú)填料冷卻塔的一維傳熱與傳質(zhì)模型，并獲得其基本熱力性能計(jì)算方程式，給出了計(jì)算液滴當(dāng)量直徑的基本方法，為無(wú)填料冷卻塔的實(shí)際應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)［7］。陳建平等通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析發(fā)現(xiàn)適當(dāng)改變風(fēng)機(jī)頻率和葉片角度可以提高冷卻塔的冷卻效率［8］。齊曉霓等將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)建模方法相結(jié)合，建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并且精度和泛化性都能兼顧的無(wú)填料冷卻塔模型，可預(yù)測(cè)無(wú)填料冷卻塔在不同條件下的冷卻量，具有重要的實(shí)踐意義［9］。然而，對(duì)于進(jìn)風(fēng)位置對(duì)冷卻塔冷卻效率的影響卻沒(méi)有相關(guān)研究，對(duì)于循環(huán)水進(jìn)水溫度、室外空氣干球溫度、氣水比對(duì)不同類(lèi)型冷卻塔冷卻效率的影響也很少有綜合對(duì)比及評(píng)判。本文將基于搭建的無(wú)填料冷卻塔試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)上述影響因子進(jìn)行分析和綜合對(duì)比評(píng)判。

2 試驗(yàn)臺(tái)的搭建

試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)造如圖1所示，試驗(yàn)臺(tái)為圓柱形無(wú)填料冷卻塔，流量，橫截面積 0.61 m2，塔高 1.6 m。主要有電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、收水器、霧化噴頭、集水池、進(jìn)出水管等組成。冷卻塔共上下2組噴頭，每組4個(gè)，上噴式冷卻塔（噴嘴位于冷卻塔底部）和下噴式冷卻塔（噴嘴位于冷卻塔頂部）的研究在同一結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行，便于對(duì)比分析。對(duì)風(fēng)機(jī)加載變頻器，對(duì)風(fēng)量進(jìn)行控制，采用三相電改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向進(jìn)而改變進(jìn)風(fēng)位置。循環(huán)水通過(guò)噴頭噴出與空氣接觸，通過(guò)對(duì)流和導(dǎo)熱的方式進(jìn)行換熱，降低水溫。冷卻后的循環(huán)水在集水池內(nèi)通過(guò)出水管送往機(jī)組，循環(huán)使用。

圖1 無(wú)填料冷卻塔結(jié)構(gòu)示意

3 試驗(yàn)儀器和內(nèi)容

3.1 試驗(yàn)儀器和測(cè)量參數(shù)

試驗(yàn)所需的儀器和測(cè)量的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)儀器和測(cè)量參數(shù)

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

保持其他參數(shù)不變，分別改變進(jìn)風(fēng)位置、風(fēng)量、室外空氣干球溫度、循環(huán)水進(jìn)水溫度進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)量并記錄所需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析，得出不同參數(shù)對(duì)冷卻塔冷卻效率的影響并對(duì)比分析。

3.3 冷卻效率的定義

冷卻塔的冷卻能力以冷卻塔出水溫度與冷卻塔進(jìn)口空氣濕球溫度的差來(lái)衡量。工程上，將冷卻塔回水溫度與冷卻塔進(jìn)口空氣的濕球溫度之差稱為逼近度，逼近度越小，冷卻塔的冷卻效率越高。在最優(yōu)情況下，逼近度為0 ℃。冷卻塔的冷卻效率φ定義為冷卻水進(jìn)出水溫差與逼近度和冷卻水進(jìn)出水溫差之和的比值［10，11］，冷卻效率最大為100%。

式中 φ——冷卻效率

β——逼近度，℃

Δt——冷卻溫差，℃

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析

4.1 進(jìn)風(fēng)位置對(duì)冷卻塔冷卻效率的影響

工況一：改變進(jìn)風(fēng)位置，保持干球溫度36 ℃、相對(duì)濕度60%，氣水比2.1，循環(huán)水進(jìn)水流量1.8 m3/h、入口處壓力 0.11 MPa、進(jìn)水溫度 48 ℃不變。

冷卻塔冷卻效率與進(jìn)風(fēng)位置之間的關(guān)系如圖2所示，從圖中可以看出：上噴式無(wú)填料冷卻塔下進(jìn)風(fēng)時(shí)冷卻塔效率維持在43.8%～45.0%之間，上進(jìn)風(fēng)時(shí)冷卻塔冷卻效率在49.3%～50.7%之間，上噴式冷卻塔進(jìn)風(fēng)位置在頂部時(shí)冷卻效率要高于進(jìn)風(fēng)位置在底部的冷卻效率6%。下噴式無(wú)填料冷卻塔，下進(jìn)風(fēng)冷卻塔效率維持在64.8%～66.7%之間，上進(jìn)風(fēng)冷卻塔效率則在 56.0%～57.5% 之間，下進(jìn)風(fēng)冷卻塔效率高于上進(jìn)風(fēng)無(wú)填料冷卻塔9%。這是因?yàn)樯蠂娛嚼鋮s塔水滴在最高處速度最小，停留時(shí)間最長(zhǎng)，下進(jìn)風(fēng)時(shí)空氣由冷卻塔底部進(jìn)入熱交換區(qū)域，到達(dá)水滴最高處時(shí)，空氣的干濕球溫度升高，與冷卻水之間的溫差降低，而上進(jìn)風(fēng)時(shí)空氣由冷卻塔頂部進(jìn)入熱交換區(qū)域，到達(dá)水滴最高處時(shí)，水與空氣溫差較大，換熱效率提高。下噴式無(wú)填料冷卻塔，下進(jìn)風(fēng)時(shí)空氣與水滴相對(duì)速度高于上進(jìn)風(fēng)，且下噴式下進(jìn)風(fēng)冷卻塔由于水滴受到向上力的作用，冷卻水停留時(shí)間延長(zhǎng)，冷卻效率高于上進(jìn)風(fēng)狀態(tài)。此外，下噴式冷卻塔效率明顯高于上噴式冷卻塔，這是因?yàn)樯蠂娛嚼鋮s塔噴頭噴出的循環(huán)水由于碰撞等原因沒(méi)有達(dá)到預(yù)定高度而下落造成的。

圖2 冷卻塔冷卻效率與進(jìn)風(fēng)位置的變化

4.2 氣水比對(duì)冷卻塔冷卻效率的影響

工況二：改變氣水比，保持干球溫度36 ℃、相對(duì)濕度60%，循環(huán)水進(jìn)水流量1.8、入口處壓力0.11 MPa、進(jìn)水溫度 48 ℃不變。

冷卻塔的冷卻效率隨氣水比的變化如圖3所示，從圖中可以看出：氣水比增大，冷卻塔的效率提高。當(dāng)氣水比增加至1.8后，繼續(xù)提高氣水比，冷卻塔冷卻效率雖繼續(xù)升高但增長(zhǎng)速度明顯減慢。這是因?yàn)闅馑壬?，可以保證高溫循環(huán)水與溫度較低的空氣充分接觸，提高冷卻效率。但氣水比達(dá)到1.8后，繼續(xù)提高氣水比，冷卻塔截面風(fēng)速提高，空氣來(lái)不及與冷卻水充分換熱直接排出，冷卻效率雖然增加，但增速較慢。在滿足換熱的前提下，可降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以減少能耗。

圖3 冷卻塔冷卻效率隨氣水比的變化

4.3 室外空氣干球溫度對(duì)冷卻塔冷卻效率的影響

工況三：改變室外空氣干球溫度，保持相對(duì)濕度 60%，氣水比 2.1，循環(huán)水進(jìn)水流量 1.8 m3/h、入口處壓力 0.11 MPa、進(jìn)水溫度 48 ℃不變。

無(wú)填料冷卻塔冷卻效率隨干球溫度的變化如圖4所示。

圖4 冷卻塔冷卻效率隨干球溫度的關(guān)系

從圖中可以看出：干球溫度升高，冷卻塔冷卻效率下降。干球溫度由32 ℃升高到38 ℃，上噴式下進(jìn)風(fēng)無(wú)填料冷卻塔冷卻效率由54.3%下降至42.3%，下噴式下進(jìn)風(fēng)冷卻塔冷卻效率由67.9%下降至58.8%，冷卻效率隨干球溫度的升高下降明顯。上進(jìn)風(fēng)冷卻塔冷卻效率雖然下降，但下降效果不明顯。這是因?yàn)楦汕驕囟壬?，冷卻水與空氣溫差降低，傳熱效果降低，導(dǎo)致冷卻塔冷卻效率降低。

4.4 循環(huán)水進(jìn)水溫度對(duì)冷卻塔冷卻效率的影響

工況四：改變循環(huán)水進(jìn)水溫度，保持空氣干球溫度36 ℃，相對(duì)濕度60%，循環(huán)水進(jìn)水流量為1.8 m3/h、入口處壓力 0.11 MPa、氣水比 2.1 不變。

冷卻塔的冷卻效率隨進(jìn)水溫度的變化如圖5所示，從圖中可以看出：隨著進(jìn)水溫度的升高，4種冷卻塔的冷卻效率均得到不同程度的提高。進(jìn)水溫度由45 ℃升至54 ℃時(shí)，上噴式冷卻塔的冷卻效率平均提高了39.8%，下噴式冷卻塔的冷卻效率平均提高了24.2%，進(jìn)水溫度的升高對(duì)上噴式冷卻塔冷卻效率的影響明顯大于下噴式冷卻塔。這是因?yàn)檫M(jìn)水溫度升高，循環(huán)水與空氣之間溫差增大，傳熱傳質(zhì)效果明顯。對(duì)于上噴式冷卻塔，循環(huán)水與空氣進(jìn)行熱質(zhì)交換分為上升和下降兩個(gè)階段，循環(huán)水與空氣換熱時(shí)間長(zhǎng)，換熱效果更加明顯。

圖5 冷卻塔冷卻效率系數(shù)隨進(jìn)水溫度的變化

5 結(jié)論

（1）進(jìn)風(fēng)位置對(duì)冷卻塔的冷卻效率會(huì)產(chǎn)生明顯影響。上噴式無(wú)填料冷卻塔上進(jìn)風(fēng)時(shí)冷卻塔的冷卻效率高于下進(jìn)風(fēng)6%；而下噴式無(wú)填料冷卻塔上進(jìn)風(fēng)時(shí)冷卻塔的冷卻效率低于下進(jìn)風(fēng)9%。

（2）氣水比在1.8以下時(shí)，冷卻塔的冷卻效率隨著氣水比的提高而升高，但氣水比大于1.8后，提高氣水比不能顯著提高冷卻塔的冷卻效率?？梢愿鶕?jù)冷卻塔類(lèi)型改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量，以減少能耗。

（3）干球溫度升高冷卻塔冷卻效率降低，且干球溫度對(duì)于上噴式下進(jìn)風(fēng)無(wú)填料冷卻塔和下噴式下進(jìn)風(fēng)無(wú)填料冷卻塔效率的影響更為顯著。

（4）進(jìn)水溫度升高無(wú)填料冷卻塔的冷卻效率均得到提高，但上噴式冷卻塔冷卻效率的提高明顯高于下噴式冷卻塔。

（5）由于本次試驗(yàn)所用的無(wú)填料冷卻塔橫截面積相對(duì)較小，高度較低，因此本次試驗(yàn)得到的結(jié)論只適用于小型無(wú)填料冷卻塔，是否適用于大型無(wú)填料冷卻塔還有待進(jìn)一步研究。

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