冷卻水流向?qū)Ω蓾翊?lián)的冷卻塔性能影響研究

王宇彤周亞素張恒欽查小歡

1東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2上海良機(jī)冷卻設(shè)備有限公司

0 引言

干、濕串聯(lián)運(yùn)行復(fù)合式冷卻塔最早運(yùn)用于工業(yè)[1-2]，處理的冷卻水水溫較高，廣泛用于煉油、化工、動(dòng)力、冶金行業(yè)，是一種具有顯著節(jié)能節(jié)水效益的換熱設(shè)備[3]。工業(yè)上使用的這種組合式冷卻塔由于處理的水溫較高，普遍沒有設(shè)置淋水填料。由于淋水填料可以增加空氣與水的換熱能力，因此，本文研究一種有淋水填料的干濕組合式冷卻塔在處理冷卻水溫度40%℃以下時(shí)的工作性能。

目前對于有淋水填料的組合式冷卻塔工作性能也有一些學(xué)者進(jìn)行了研究，山東建筑大學(xué)房大兵[4]在2012年進(jìn)行了干、濕串聯(lián)運(yùn)行組合式閉式冷卻塔的理論模擬及性能分析，得出空氣流量的增加使冷卻能力增強(qiáng)，但會(huì)導(dǎo)致出口濕空氣的含濕量有所降低的結(jié)論。莊亞男[5]用實(shí)驗(yàn)方法研究串聯(lián)逆流流向時(shí)截面風(fēng)速對于復(fù)合式冷卻塔換熱性能的影響，并與閉式冷卻塔進(jìn)行對比試驗(yàn)，得出最佳截面風(fēng)速為3.5m/s，與傳統(tǒng)閉式冷卻塔相比，復(fù)合式冷卻塔換熱性能最多可提升52%。關(guān)于冷卻水流向問題的研究，丁梟[6]在2015年理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證順流流向帶填料噴淋的閉式冷卻塔時(shí)冷卻效率優(yōu)于逆流。針對流向?qū)鋮s塔換熱性能的影響，本文通過實(shí)驗(yàn)研究順流流向時(shí)干濕串聯(lián)冷卻塔的換熱性能，并研究冷卻水流向?qū)Q熱性能的影響。

1 干濕串聯(lián)冷卻塔實(shí)驗(yàn)平臺與工況設(shè)置

干濕串聯(lián)式冷卻塔其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，利用人工氣候室保障環(huán)境的溫濕度，設(shè)置冷卻塔的標(biāo)準(zhǔn)工況干球溫度31.5℃、濕球溫度28℃的環(huán)境溫度。利用恒溫水箱控制冷卻水進(jìn)口溫度37℃。實(shí)驗(yàn)采取順流流向，指空氣自下而上被風(fēng)機(jī)抽出，冷卻水經(jīng)過干區(qū)翅片管后，在濕區(qū)，下進(jìn)上出，與空氣流動(dòng)方向相同，即冷卻水先從上進(jìn)入干區(qū)翅片管，與翅片管外的空氣進(jìn)行換熱，然后進(jìn)入下部在噴淋水作用下的濕區(qū)光管，從最下面一層光管進(jìn)入，最上面一層光管流出，與管外水膜進(jìn)行換熱使溫度降低。空氣從光管下部進(jìn)入，先經(jīng)過濕區(qū)光管及填料區(qū)吸熱蒸發(fā)再進(jìn)入干區(qū)翅片管區(qū)進(jìn)一步吸熱，同時(shí)空氣中未蒸發(fā)的水滴繼續(xù)吸熱蒸發(fā)，使出口空氣溫度升高，濕度降低。逆流流向，即冷卻水先從上進(jìn)入干區(qū)翅片管，然后在濕區(qū)與順流相反，從上進(jìn)入光管，從下流出。

圖1 復(fù)合式冷卻塔模型

2 實(shí)驗(yàn)研究及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

為使得試驗(yàn)工況持續(xù)穩(wěn)定，須對冷卻水進(jìn)口水溫進(jìn)行控制，使得進(jìn)口水溫恒定。因此該水箱采取恒溫措施，加熱方式為“U”型浸入式電熱管加熱。設(shè)定水箱溫度保持在37±0.5℃，同時(shí)根據(jù)不同的測溫要求，需要選用不同形式的溫度計(jì)，溫度傳感器的精度均為0.01℃。用于不銹鋼管里流動(dòng)的水時(shí)，采用內(nèi)螺旋探頭式溫度計(jì)。用于測量各進(jìn)出口空氣時(shí)，采用普通懸掛式溫度計(jì)。測噴淋水溫度時(shí)，采用貼壁式溫度計(jì)。由于需要測量冷卻水流量，采用國外引進(jìn)的智能電磁流量計(jì)，利用TSI9565多參數(shù)通風(fēng)表獲取包括風(fēng)速、溫度、相對濕度等參數(shù)。

2.2 截面風(fēng)速對冷卻水冷卻溫降及能耗影響

實(shí)驗(yàn)中冷卻水處理流量為2m3/h，管內(nèi)冷卻水進(jìn)口溫度設(shè)置為37℃，進(jìn)口空氣干球溫度為31.5±0.5℃，濕球溫度28±0.5℃，管外噴淋水量為3.5m3/h，為了觀察截面風(fēng)速變化對這種干濕復(fù)合式冷卻塔換熱性能的影響，實(shí)驗(yàn)中控制空氣流速范圍是1～4.5m/s。為了比較冷卻水在順流與逆流流向下性能的差別，實(shí)驗(yàn)也研究了冷卻水流向的變化對性能的影響，在翅片管的干區(qū)、噴淋水作用下濕區(qū)的溫降隨截面風(fēng)速的變化如圖2所示。

圖2 復(fù)合式冷卻塔溫降隨截面風(fēng)速變化

圖2表明，干濕串聯(lián)冷卻塔無論是順流還是逆流，其冷卻水溫降都隨著空氣截面風(fēng)速先增加后減小的現(xiàn)象。在風(fēng)速為3.5m/s時(shí)，冷卻水的溫降達(dá)到最大值。濕區(qū)的溫降都大于干區(qū)的溫降，占總溫降的63.47%～77.06%。

順流流向時(shí)，對于干區(qū)，其溫降隨風(fēng)速增加先增加后減小。截面風(fēng)速由1m/s上升至3.5m/s時(shí)，隨著截面風(fēng)速增加，管外空氣的對流換熱系數(shù)增加，從而使對流換熱量增加，在干區(qū)冷卻水的溫降由1.087℃上升至2.024℃。但風(fēng)速大于3.5m/s后，隨著風(fēng)速增加，在翅片作用下反而形成渦流，引起對流換熱減弱，從而使溫降逐漸減小。

對于濕區(qū)，隨風(fēng)速增加，濕區(qū)溫降先增加后減小。順流流向，截面風(fēng)速過小時(shí)，氣水比過小，蒸發(fā)量受到空氣流量小的限制，換熱較少。截面風(fēng)速由1m/s上升至3.5m/s時(shí)，隨著截面風(fēng)速增加，對流換熱量增加，濕區(qū)溫降由2.193℃上升至4.087℃，但風(fēng)速大于3.5m/s后，濕區(qū)空氣與循環(huán)噴淋水進(jìn)行接觸換熱，空氣流速越大，流量越大，所能帶走的熱量越多，由于空氣流速增大使得空氣與噴淋水的接觸時(shí)間不夠充分，因此蒸發(fā)換熱不充分，故而隨著風(fēng)速增加，溫降不再增加，相反逐漸減小。綜合考慮上述因素，干濕串聯(lián)型冷卻塔存在一個(gè)最佳截面風(fēng)速即3.5m/s，使得其換熱的性能最佳。

同時(shí)，改變流向，其溫降有所變化。相等運(yùn)行參數(shù)下進(jìn)行逆流流向?qū)嶒?yàn)。對比所得，截面風(fēng)速由1m/s至4.5m/s，順流流向冷卻塔溫降均大于逆流流向溫降，其中干區(qū)流向相同，其溫降基本一致。濕區(qū)順流時(shí)冷卻水與空氣流向相同，與噴淋水流向相反，其換熱更加充分，從而導(dǎo)致溫降處理量，順流流向大于逆流流向。

綜上，復(fù)合式冷卻塔在截面風(fēng)速為3.5m/s時(shí)，綜合換熱效果最佳，此時(shí)上部翅片管區(qū)的干式換熱與下部光管區(qū)的濕式換熱均對復(fù)合式冷卻塔的換熱量均有重大貢獻(xiàn)，順流流向時(shí)干區(qū)處理溫度達(dá)總處理溫度的37.74%，逆流時(shí)達(dá)34.06%。無論截面風(fēng)速的取值，順流流向溫降處理量均大于逆流流向溫降處理量，其中干區(qū)溫降基本一致，濕區(qū)溫降，順流流向均大于逆流流向。

圖3 復(fù)合式冷卻塔干、濕區(qū)的空氣流動(dòng)阻力隨截面風(fēng)速變化

干式換熱增加冷卻塔的換熱性能的同時(shí)也增加了能源消耗，翅片管的存在會(huì)使得空氣流動(dòng)阻力增加。圖3為復(fù)合式冷卻塔干、濕區(qū)空氣流動(dòng)阻力隨截面風(fēng)速變化圖。

由圖3可知，干、濕區(qū)空氣流動(dòng)阻力均隨風(fēng)速增加而增加，濕區(qū)的空氣流動(dòng)阻力均大于干區(qū)的空氣流動(dòng)阻力。順流流向時(shí)，截面風(fēng)速由1m/s上升至4.5m/s，復(fù)合式冷卻塔干區(qū)空氣流動(dòng)阻力受到翅片管結(jié)構(gòu)的影響由1.4Pa上升至22.3Pa，濕區(qū)空氣流動(dòng)阻力是由與空氣逆向而行的噴淋水的阻擋造成，由5.2Pa上升至29.3Pa。同時(shí)，受到噴淋水的影響，流向?qū)τ跐駞^(qū)空氣阻力影響并不大，對于干區(qū)空氣阻力，順流流向大于逆流。

冷卻塔水阻力僅與冷卻水流量和流程有關(guān)，與空氣流量無關(guān)，故水側(cè)阻力不隨截面風(fēng)速改變而改變。順流流向時(shí)，水側(cè)總阻力45 kPa，干區(qū)25 kPa，占總阻力的55.56%，濕區(qū)20 kPa，占44.44%。逆流流向時(shí)，水側(cè)總阻力25 kPa，其中干區(qū)14 kPa，占比56%，濕區(qū)11 kPa，占比44%。故不同冷卻水流向時(shí)，干濕區(qū)冷卻水阻力占復(fù)合式冷卻塔總冷卻水阻力無明顯變化。冷卻水流向僅對總冷卻水阻力有影響，順流流向大于逆流20 kPa，占順流冷卻水阻力的44.44%。

2.3 噴淋密度對冷卻水冷卻溫降及能耗的影響

噴淋密度指本試驗(yàn)裝置冷卻塔橫截面每1m2的噴淋水量，相比噴淋水量，噴淋密度參數(shù)更具普遍性。為了研究噴淋密度對于復(fù)合式冷卻塔的性能影響，選擇標(biāo)準(zhǔn)冷卻塔工況，進(jìn)口空氣干球溫度為31.5±0.5℃，濕球溫度28±0.5℃，設(shè)置管內(nèi)冷卻水進(jìn)口溫度為37%℃，流量為2m3/h，選取最佳截面風(fēng)速3.5m/s，噴淋密度變化范圍是8～16m3/(m2·h)，進(jìn)行復(fù)合式冷卻塔冷卻水出口水溫對比以及能耗對比。圖4為截面風(fēng)速為3.5m/s，復(fù)合式冷卻塔干、濕區(qū)溫降隨噴淋密度變化。

圖4 復(fù)合式冷卻塔的溫降隨噴淋密度變化

由圖4可知，隨著噴淋密度的增加，能夠處理的冷卻水總溫降基本逐漸增加。順流流向，噴淋密度由8m3/(m2·h)上升至 14m3/(m2·h)時(shí)，噴淋密度逐漸增大，空氣能夠與越來越多的噴淋水進(jìn)行熱濕交換，溫降增大，總溫降由4.733℃上升至5.942℃。干區(qū)溫降由1.893℃上升至1.924℃，噴淋密度對干區(qū)影響很小，濕區(qū)溫降由3.022℃上升至3.987℃。當(dāng)噴淋密度大于14m3/(m2·h)后，隨著噴淋密度增加，管外噴淋水膜厚度的隨之增加導(dǎo)致水膜傳熱熱阻增加，對傳熱造成不利影響，也會(huì)增加風(fēng)阻，溫降不再增加，相反逐漸減小。

同時(shí)，改變流向，其溫降有所變化。相等運(yùn)行參數(shù)下進(jìn)行逆流流向?qū)嶒?yàn)。對比所得，噴淋密度由8m3/(m2·h)至16m3/(m2·h)，干濕區(qū)溫降處理量及總溫降處理量，順流狀態(tài)均大于逆流狀態(tài)，順流流向換熱性能優(yōu)于逆流流向6.7%～15.4%。原因是順流流向冷卻水與空氣流向一致，與噴淋水流向相反，因此換熱更加充分，換熱效果更好。

由圖5可知，干濕串聯(lián)型冷卻塔干區(qū)和濕區(qū)的空氣流動(dòng)阻力隨噴淋密度增大而增大。主要原因在于噴淋水量增大時(shí)，與空氣接觸摩擦增大，導(dǎo)致冷卻塔的空氣流動(dòng)阻力隨之增大。由圖6可知，噴淋密度由8m3/(m2·h)上升至 16m3/(m2·h)時(shí)，噴淋阻力由0.29MPa升至0.5MPa，噴淋水阻力隨噴淋水量增大而增大。冷卻水流向?qū)τ诓煌瑖娏芩?，阻力不發(fā)生改變。

圖5 復(fù)合式冷卻塔的空氣流動(dòng)阻力隨噴淋密度變化

圖6 復(fù)合式冷卻塔的噴淋水阻力隨噴淋密度變化

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)分別控制噴淋密度和截面風(fēng)速，探究換熱性能及能耗的影響因素，并做對比試驗(yàn)分析冷卻水流向?qū)τ诶鋮s塔換熱性能及能耗的影響，得出以下結(jié)論：

1）順流流向與逆流流向干濕串聯(lián)型冷卻塔的換熱性能均受截面風(fēng)速影響較大。在截面風(fēng)速1～3.5m/s范圍內(nèi)，串聯(lián)型復(fù)合式冷卻塔的溫降，即其換熱性能，隨截面風(fēng)速增大而增大，干、濕區(qū)換熱效果均在截面風(fēng)速為3.5m/s時(shí)達(dá)到最佳，因此復(fù)合式冷卻塔的綜合換熱效果在截面風(fēng)速為3.5m/s時(shí)達(dá)到最佳。與逆流流向相比，最佳截面風(fēng)速一致，不同風(fēng)速下的換熱性能，順流流向均優(yōu)于逆流。

2）噴淋密度對復(fù)合式冷卻塔的干區(qū)換熱性能幾乎沒有影響。噴淋密度在 8m3/(m2·h)至 14m3/(m2·h)之間，濕區(qū)換熱隨噴淋密度的增加而增強(qiáng)，在14m3/(m2·h)時(shí)，復(fù)合式冷卻塔的綜合換熱效果達(dá)到最佳，為最佳噴淋密度。與逆流流向相比，最佳噴淋密度一致，不同噴淋密度下的換熱性能，順流流向均優(yōu)于逆流。

3）順流流向與逆流流向相比較：換熱性能方面，不同截面風(fēng)速與噴淋密度下，冷卻水與空氣順流流向時(shí)，由于冷卻水與噴淋水方向相反，而冷卻水熱量主要在噴淋水作用下被帶走，故順流流向干濕串聯(lián)型冷卻塔換熱性能優(yōu)于逆流6.73%～15.48%。能耗方面，對于復(fù)合式冷卻塔水側(cè)阻力，順流流向較高逆流44.44%。對于空氣側(cè)阻力，順流流向時(shí)空氣阻力較高逆流8%～27%，改變噴淋密度時(shí)，順流流向與逆流流向的空氣側(cè)阻力基本一致。能耗阻力與塔型管道配置關(guān)系密切，可在今后結(jié)構(gòu)優(yōu)化中進(jìn)一步改進(jìn)。優(yōu)先考慮換熱性能時(shí)，干濕串聯(lián)型復(fù)合式冷卻塔建議順流運(yùn)行。

[1]Card R W.Economic Design of Hybrid Wet-Dry Cooling Systems[C]//Power 2013-98111,ASME 2013 Power Conference.2013.

[2]Streng A.Combined wet/dry cooling towers of cell-type construction[J].Journal of energy engineering,1998,124(3):104-121.

[3]陳良才,楊博,朱曉明,等.組合式空冷器風(fēng)量需求規(guī)律[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,39(11):129-132.

[4]房大兵.干盤管與濕盤管組合式閉式冷卻塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析[D].濟(jì)南:山東建筑大學(xué),2012.

[5]莊亞男.復(fù)合式冷卻塔工作性能實(shí)驗(yàn)研究[D].上海:東華大學(xué),2016.

[6]丁梟.填料加盤管型閉式冷卻塔冷卻性能的理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[D].上海:東華大學(xué),2015.