帶填料的閉式冷卻塔在過(guò)渡季運(yùn)行性能研究

賈改艷 周亞素 張恒欽

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

閉式冷卻塔（也稱(chēng)蒸發(fā)式空冷器或密閉式冷卻塔）是將管式換熱器置于塔內(nèi)，通過(guò)流通的空氣，噴淋水與循環(huán)冷卻水的熱交換達(dá)到降溫的效果[1]的一種裝置。近幾年密閉式冷卻塔在電力電子、機(jī)械加工、空調(diào)系統(tǒng)等行業(yè)得到了更為廣泛的應(yīng)用。許多冷卻塔設(shè)備的設(shè)計(jì)和提供給用戶的設(shè)計(jì)參數(shù)以及熱工性能曲線均是以夏季氣象條件為依據(jù)，濕球溫度范圍一般在20 ℃到35 ℃，但過(guò)渡季及冬季的室外濕球溫度可達(dá)到15 ℃以下。使用冷卻塔夏季運(yùn)行時(shí)的相關(guān)樣本技術(shù)參數(shù)，會(huì)導(dǎo)致冷卻塔在運(yùn)行時(shí)并不能達(dá)到預(yù)期的制冷效果或者耗能過(guò)大，不利于節(jié)能[2]。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，除了冷卻塔本身運(yùn)行參數(shù)外，當(dāng)室外空氣濕球溫度、干球溫度、相對(duì)濕度等參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，冷卻塔自身的熱工性能也會(huì)發(fā)生變化，偏離其設(shè)計(jì)工況[3]。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究冷卻塔在過(guò)渡季的運(yùn)行性能，隨著過(guò)渡季室外干濕球溫度的變化，改變冷卻水流量、空氣流量，分析得出冷卻塔在非額定工況下的評(píng)價(jià)指標(biāo)[4]變化趨勢(shì)和性能曲線，調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)使其達(dá)到更好的運(yùn)行效果。

1 冷卻塔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及儀器介紹

為確保對(duì)閉式冷卻塔性能實(shí)驗(yàn)研究更為精準(zhǔn)，本實(shí)驗(yàn)采用東華大學(xué)環(huán)境學(xué)院帶填料的閉式冷卻塔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合恒溫、恒濕氣候控制室，利用變頻技術(shù)、智能數(shù)據(jù)采集技術(shù)等展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)物圖如圖1 所示。

圖1 帶填料的閉式冷卻塔模型實(shí)物圖

盤(pán)管段換熱管型采用黃銅光管。盤(pán)管簇中單管尺寸結(jié)構(gòu)參數(shù)由良機(jī)冷卻設(shè)備有限公司提供的既有塔型進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可用空間及高度設(shè)計(jì)盤(pán)管數(shù)量、盤(pán)管間距等整體尺寸。表1 為盤(pán)管部分結(jié)構(gòu)參數(shù)表。

表1 盤(pán)管段結(jié)構(gòu)參數(shù)

填料是閉式塔中為加強(qiáng)蒸發(fā)換熱而設(shè)置的部分。填料的迎風(fēng)面尺寸為500 mm×500 mm，組裝高度為600 mm。

2 冷卻塔傳熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 冷卻水出口水溫及進(jìn)出口水溫差

高溫冷卻水進(jìn)塔后，通過(guò)換熱盤(pán)管散熱變成低溫冷卻水出塔。進(jìn)口水溫一定，出口水溫越低，進(jìn)出口溫差越大。冷卻水進(jìn)出口溫差成為衡量塔性能最直觀的參數(shù)指標(biāo)。

式中：Δt 為實(shí)際運(yùn)行時(shí)冷卻水進(jìn)出口水溫差，℃；tw1為冷卻水進(jìn)口水溫，℃；tw2為冷卻水出口水溫，℃。

2.2 冷卻塔的相對(duì)冷卻量β

隨著季節(jié)變化引起的室外氣象參數(shù)變化，冷卻塔的實(shí)際運(yùn)行與其夏季情況有不同程度的差異[5]，致使其實(shí)際冷量Q 也將不同于額定冷量Q0。本論文使用相對(duì)冷量β（實(shí)際冷量與額定冷量的比值Q/Q0）這一指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)冷卻塔實(shí)際冷卻能力接近額定工況的程度。

式中：β 為冷卻塔的相對(duì)冷量，%；cpw為水的定壓比熱，kJ/(kg·℃)；Q0、W0、tw1,0、tw2,0分別為額定工況條件下冷卻塔的冷量（kW）、水流量（m3/h）、進(jìn)口水溫（℃）、出口水溫（℃）；Q、W、tw1、tw2則為實(shí)際工況條件下各對(duì)應(yīng)參數(shù)。

2.3 相對(duì)能耗系數(shù)ω

冷卻塔的相對(duì)能耗系數(shù)ω（實(shí)際能耗系數(shù)與額定能耗系數(shù)的比值）用來(lái)評(píng)估非額定工況條件下冷卻塔能耗系數(shù)接近額定工況的程度。

式中：ω 為冷卻塔的相對(duì)能耗系數(shù)，%；Pa0、Pf0分別為額定工況條件下，冷卻塔的風(fēng)側(cè)能耗（W）、水側(cè)能耗（W）；Pa、Pf則為非額定工況條件下的各對(duì)應(yīng)參數(shù)。

3 過(guò)渡季與夏季冷卻塔性能比較

3.1 過(guò)渡季運(yùn)行參數(shù)確定

以上海地區(qū)過(guò)渡季氣象參數(shù)作為冷卻塔的計(jì)算參數(shù)。與夏季標(biāo)準(zhǔn)工況下的運(yùn)行性能比較，分析得出過(guò)渡季冷卻塔的性能。本實(shí)驗(yàn)首先確定了夏季標(biāo)況的運(yùn)行的條件，如表2 所示。

通過(guò)查閱上海地區(qū)全年氣象逐時(shí)參數(shù)，過(guò)渡季節(jié)3、11 月的室外濕球溫度變化范圍通常約為6～12 ℃。4、5、10 月的室外濕球溫度變化范圍通常約為12～18 ℃。關(guān)于冷卻塔進(jìn)口水溫tw，考慮到冷卻塔出口水溫一般比空氣濕球溫度高3～5 ℃，且冷卻塔全年運(yùn)行的進(jìn)出口水溫差一般為Δt=2～5 ℃。因此，依據(jù)室外氣象條件的不同，將過(guò)渡季節(jié)分為兩個(gè)工況：3、11 月按tw=18 ℃。4、5、10 月按tw=23 ℃設(shè)定。

表2 夏季標(biāo)況運(yùn)行參數(shù)

3.2 過(guò)渡季與夏季運(yùn)行結(jié)果對(duì)比

1）在3、11 月、進(jìn)口水溫為18 ℃時(shí)，冷卻塔在夏季設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)的運(yùn)行性能如表3 所示。可以看出，隨著濕球溫度從6 ℃變化到10 ℃，冷卻水的進(jìn)出口溫差分別為3.6 ℃、3.1 ℃、2.8 ℃，制冷量及能耗系數(shù)分別為夏季額定工況下制冷量及能耗系數(shù)的69.9%、60.9%、55.7%。以制冷量為標(biāo)準(zhǔn)，冷卻塔在過(guò)渡季的性能偏離設(shè)計(jì)工況5.5 到7 成左右。

表3 夏季額定運(yùn)行參數(shù)在3、11 月實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

2）在4、5、10 月、進(jìn)口水溫為23 ℃時(shí)，冷卻塔在夏季設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)的運(yùn)行性能如表4 所示?？梢钥闯?，隨著濕球溫度從12 ℃變化到16 ℃，冷卻水的進(jìn)出口溫差分別為3.7 ℃、3.3 ℃、2.9 ℃，制冷量及能耗系數(shù)分別為夏季額定工況下制冷量及能耗系數(shù)的72.2%、64.3%、62.1%。以制冷量為標(biāo)準(zhǔn)，冷卻塔在過(guò)渡季的性能偏離設(shè)計(jì)工況6 到7 成左右。

表4 夏季額定運(yùn)行參數(shù)在4、5、10 月實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)過(guò)渡季使用冷卻塔供冷時(shí)冷卻水供、回水溫差最低可以取到2 ℃?？梢酝ㄟ^(guò)查閱相關(guān)的文獻(xiàn)[6]擬定冷卻塔相對(duì)制冷量為50%以上、冷卻塔相對(duì)能耗系數(shù)為50%以上時(shí)為冷卻塔適宜運(yùn)行的條件。

4 過(guò)渡季變工況冷卻塔性能分析

4.1 過(guò)渡季（3 月、11 月）工況下冷卻塔性能

本小節(jié)將在空氣干球溫度為12 ℃，濕球溫度分別為6 ℃、8 ℃、10 ℃時(shí)，保持冷卻塔入口水溫為18 ℃的工況下分別從變風(fēng)速、變冷卻水量2 個(gè)方面對(duì)冷卻塔過(guò)渡季（3 月、11 月）性能進(jìn)行分析。

4.1.1 變風(fēng)速

圖2 為過(guò)渡季（3 月、11 月）變風(fēng)速對(duì)冷卻塔性能影響。

圖2 過(guò)渡季（3 月、11 月）變風(fēng)速對(duì)冷卻塔性能影響

從圖2 可以看出：

1）過(guò)渡季變風(fēng)速引起的進(jìn)出口溫差隨著風(fēng)速的增加而增大且增大幅度隨風(fēng)速的增加而減小。隨著風(fēng)速?gòu)?.38 m/s 增加到3.47 m/s，濕球溫度分別為6 ℃、8 ℃、10 ℃時(shí)，冷卻水進(jìn)出口溫差分別從2.2 ℃升高到4.1 ℃、1.8 ℃升高到3.7 ℃、1.6 ℃升高到3.3 ℃。

2）隨著進(jìn)口風(fēng)速的增加，相對(duì)冷量也呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著風(fēng)速的增加，單位質(zhì)量空氣處理的水量減小而冷卻塔進(jìn)水量保持不變，所以單位質(zhì)量冷卻水放出的熱量就會(huì)變大，從而冷卻塔的總制冷量上升。當(dāng)濕球溫度分別為6 ℃、8 ℃、10 ℃時(shí)，隨著風(fēng)速?gòu)?.38 m/s 增加到3.47 m/s，冷卻塔的相對(duì)冷量分別從0.42 升高到0.79、0.35 升高到0.69、0.32 升高到0.64，濕球溫度越低，單位風(fēng)速的變化引起的相對(duì)冷量變化越大。

3）隨著風(fēng)速的增加，冷卻塔的相對(duì)能耗系數(shù)呈減小趨勢(shì)。隨著風(fēng)速的提高冷卻塔的制冷量雖然增加，但是增大風(fēng)速會(huì)造成能耗變大，且能耗增大速率大于制冷量提高速率。當(dāng)濕球溫度分別為6 ℃、8 ℃、10 ℃時(shí)，隨著風(fēng)速?gòu)?.38 m/s 增加到3.47 m/s，冷卻塔的相對(duì)能耗系數(shù)分別從1.2 降低到0.47、1.1 降低到0.41、1.0 降低到0.38。

在必須滿足出口水溫、盡量滿足其他控制條件的前提下，最佳運(yùn)行風(fēng)速為2.18～2.67 m/s。

4.1.2 變冷卻水量

圖3 為過(guò)渡季（3 月、11 月）變冷卻水量對(duì)冷卻塔性能影響。

圖3 過(guò)渡季（3 月、11 月）變冷卻水量對(duì)冷卻塔性能影響

從圖3 可以看出：

1）冷卻塔的進(jìn)出口溫差隨著冷卻水量的增加而降低。在冷卻水量由1.22 m3/h 增加到3.60 m3/h 的條件下，濕球溫度分別為6 ℃、10 ℃時(shí)，進(jìn)出口水溫差分別降低了51.18%、54.09%。說(shuō)明在冷卻水量增加幅度相同時(shí)，濕球溫度越高，出口水溫降低幅度越大。在濕球溫度由6 ℃增加到10 ℃的條件下，冷卻水量分別為1.22 m3/h、3.60 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)的出口水溫分別降低了20.56%、25.32%。說(shuō)明在濕球溫度變化量相同的條件下，冷卻水量越大，系統(tǒng)進(jìn)出口溫差降低幅度越大。

2）冷卻塔的相對(duì)冷量隨著冷卻水量的增大而增加，這是因?yàn)殡S著水量的增加，冷卻水進(jìn)出口溫差減小，冷卻塔盤(pán)管內(nèi)冷卻水的平均溫度提高，增大了冷卻水與空氣間的溫差，使顯熱交換量增加，使空氣溫度升高。溫度升高的同時(shí)又降低了空氣側(cè)水蒸氣分壓力，對(duì)潛熱換熱量也有一定的增強(qiáng)。在冷卻水量由1.22 m3/h 增加大3.60 m3/h 的條件下，濕球溫度分別為6 ℃、10 ℃時(shí)，相對(duì)冷量分別增加了30.10%、38.09%。相對(duì)冷量增幅隨著濕球溫度的增加而增大。在濕球溫度由6 ℃增加到10 ℃的條件下，冷卻水量分別為1.22 m3/h、3.60 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)的相對(duì)冷量分別降低了21.8%、23.55%，冷卻水量越大，系統(tǒng)的相對(duì)冷量降低幅度增大。

3）系統(tǒng)的相對(duì)能效系數(shù)隨著冷卻水量的升高而增大，水量增加所引起的能耗的增加小于提高風(fēng)量所引起的能耗。在冷卻水量由1.22 m3/h 增加大3.60 m3/h的條件下，濕球溫度分別為6 ℃、10 ℃時(shí)，相對(duì)能耗系數(shù)分別增加了22.31%、20.71%。在濕球溫度由6 ℃增加到10 ℃的條件下，冷卻水量分別為1.22 m3/h、3.60 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)的相對(duì)能耗系數(shù)分別降低了20.56%、21.64%。冷卻水量越大，能耗系數(shù)降低幅度越大。曲線的斜率逐漸降低，說(shuō)明同一濕球溫度下隨著冷卻水量的增加相對(duì)能耗系數(shù)增加幅度逐漸降低。

通過(guò)上述分析在必須滿足出口水溫、盡量滿足其他控制條件的前提下，最佳運(yùn)行條件在冷卻水流量為2.27～2.81 m3/h 范圍內(nèi)。在變風(fēng)速調(diào)節(jié)不能滿足指標(biāo)值的情況下，通過(guò)變冷卻水量調(diào)節(jié)可以滿足。

4.2 過(guò)渡季（4 月、5 月、10 月）工況下冷卻塔性能

本節(jié)將在空氣干球溫度為18 ℃，濕球溫度分別為12 ℃、14 ℃、16 ℃時(shí)，保持冷卻塔入口水溫為23 ℃的工況下分別從變進(jìn)風(fēng)速、變冷卻水量2 個(gè)方面對(duì)冷卻塔過(guò)渡季（4 月、5 月、10 月）性能進(jìn)行分析。

4.2.1 變風(fēng)速

圖4 為過(guò)渡季（4 月、5 月、10 月）變風(fēng)速對(duì)冷卻塔性能影響。

圖4 過(guò)渡季（4 月、5 月、10 月）變風(fēng)速對(duì)冷卻塔性能影響

從圖4 可以看出：

1）隨著風(fēng)速的增加冷卻水進(jìn)出口水溫差逐漸增加。濕球溫度分別為12 ℃、14 ℃、16 ℃時(shí)，隨著風(fēng)速?gòu)?.38 m/s 增加到3.47 m/s，冷卻水進(jìn)出口溫差分別從2.5 ℃升高到4.3 ℃、2.1 ℃升高到3.6 ℃、1.6 ℃升高到3.0 ℃?？梢钥闯?，變風(fēng)速引起的進(jìn)出口水溫差變化速率并不會(huì)因?yàn)闈袂驕囟鹊淖兓a(chǎn)生較大波動(dòng)。

2）隨著進(jìn)風(fēng)速的增加，相對(duì)冷量呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。當(dāng)濕球溫度為12 ℃、14 ℃、16 ℃時(shí)，隨著風(fēng)速?gòu)?.38m/s 增加到3.47 m/s，冷卻塔的相對(duì)冷量分別從0.46 升高到0.85、0.43 升高到0.71、0.34 升高到0.59。分析可知，變風(fēng)速時(shí)冷卻塔相對(duì)冷量的變化受室外濕球溫度影響，濕球溫度越低，單位質(zhì)量風(fēng)速的變化引起的相對(duì)冷量變化越大。

3）隨著風(fēng)速的增加，冷卻塔的相對(duì)能耗系數(shù)呈減小趨勢(shì)。當(dāng)濕球溫度分別為12 ℃、14 ℃、16 ℃時(shí)，隨著冷卻塔進(jìn)風(fēng)速?gòu)?.38 m/s 增加到3.47 m/s，冷卻塔的相對(duì)能耗系數(shù)分別從1.32 降低到0.50、1.27 降低到0.42、0.96 降低到0.35。以夏季額定風(fēng)速為標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)速每增加10%，相對(duì)能耗系數(shù)分別降低約7.5%、7.5%、5.5%，當(dāng)風(fēng)速在2.67～2.18 m/s 這一區(qū)間時(shí)，風(fēng)速每降低10%相對(duì)能耗系數(shù)分別增加約17.2%、16.0%、18.3%，在2.18～1.38m/s 這一區(qū)間時(shí)風(fēng)速每降低10%，相對(duì)能耗系數(shù)分別增加約9.6%、10.3%、5.6%。

必須滿足出口水溫、盡量滿足其他控制條件的前提下，最佳運(yùn)行風(fēng)速在2.18～2.67 m/s 的范圍內(nèi)。

4.2.2 變冷卻水量

圖5 為過(guò)渡季（4 月、5 月、10 月）變冷卻水量對(duì)冷卻塔性能影響。

圖5 過(guò)渡季（4 月、5 月、10 月）變冷卻水量對(duì)冷卻塔性能影響

從圖5 可以看出：

1）當(dāng)冷卻水量增大時(shí)，冷卻塔進(jìn)出口水溫溫差隨之減小，但減小幅度隨著冷卻水量的增大而減緩。當(dāng)濕球溫度分別為12 ℃、14 ℃、16 ℃時(shí)，以夏季額定冷卻水量2.27 m3/h 為參照基準(zhǔn)，冷卻水量每減少10%，冷卻塔進(jìn)出口溫差分別上升9.5%、8.8%、7.5%，冷卻水量每增加10%，冷卻塔進(jìn)出口溫差分別下降5.6%、5.2%、5.6%。

2）當(dāng)冷卻水量增大時(shí)，冷卻塔相對(duì)冷量均隨之增大，但增加幅度隨著冷卻水量的增大卻不斷下降。濕球溫度分別為12 ℃、14 ℃時(shí)，冷卻水量由1.22 m3/h 增至2.27 m3/h，相對(duì)冷量分別增加了17.7%、17.0%，而當(dāng)冷卻水量由2.27 m3/h 增至3.60 m3/h 時(shí)，相對(duì)冷量分別增加了7.6%、9.0%。

3）當(dāng)冷卻水量增大時(shí)，相對(duì)能耗系數(shù)均隨之增大，但增加幅度隨著冷卻水量的增大卻不斷減小。濕球溫度分別為12 ℃、14 ℃時(shí)，冷卻水量1.22 m3/h 增至2.27 m3/h，相對(duì)能耗系數(shù)分別增加了0.13、0.14，而當(dāng)冷卻水量由2.27 m3/h 增至3.60 m3/h 時(shí)，相對(duì)能耗系數(shù)分別增加了0.06、0.08。

通過(guò)上述分析在必須滿足出口水溫、盡量滿足其他控制條件的前提下，最佳冷卻水流量在2.27～2.81 m3/h 范圍內(nèi)。在變風(fēng)速調(diào)節(jié)不能滿足指標(biāo)值情況下，通過(guò)變冷卻水量調(diào)節(jié)可以滿足。而且此時(shí)的室外氣象參數(shù)已經(jīng)比較接近夏季，在有些工況下，即使不進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可以達(dá)到要求的指標(biāo)范圍。

5 結(jié)論

1）過(guò)渡季節(jié)3 月、11 月冷卻塔性能偏離設(shè)計(jì)工況5.5 到7 成左右。在4、5、10 月冷卻塔性能偏離設(shè)計(jì)工況6 到7 成左右。冷卻塔的制冷量可以通過(guò)提高冷卻塔進(jìn)風(fēng)速或者增加冷卻水進(jìn)水量來(lái)增加，但相應(yīng)的會(huì)分別帶來(lái)能耗系數(shù)降低、出口溫度升高的的不利影響。

2）在過(guò)渡季節(jié)（3、11 月）時(shí)，冷卻塔可根據(jù)主要評(píng)價(jià)條件的不同調(diào)整冷卻塔進(jìn)水量及進(jìn)口風(fēng)速，此時(shí)冷卻塔可以滿足制冷要求。在過(guò)渡季（4、5、10 月）時(shí)，由于室外溫度相對(duì)較高，此時(shí)通過(guò)變風(fēng)速調(diào)節(jié)冷卻塔性能代價(jià)很高，在該類(lèi)氣象條件下運(yùn)行冷卻塔經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差。

3）當(dāng)過(guò)渡季所需制冷量不大時(shí)，建議優(yōu)先采用變水量調(diào)節(jié)，變水量所對(duì)應(yīng)的能耗系數(shù)分別為比變風(fēng)速下的能耗系數(shù)提高了約5%。

4）當(dāng)室外濕球溫度處于過(guò)渡季節(jié)內(nèi)相對(duì)較低的水平，如濕球溫度為6 ℃、8 ℃時(shí)，建議進(jìn)行變風(fēng)量調(diào)節(jié)，在提高冷卻塔相對(duì)冷量的同時(shí)滿足其相對(duì)能耗系數(shù)不低于預(yù)期水平。