風(fēng)冷蒸發(fā)復(fù)合型橫流閉式冷卻塔冷卻性能的試驗(yàn)研究

楊衛(wèi)波，張 鈺，孫念心，崔 敏

（揚(yáng)州大學(xué) 電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127）

0 引言

冷卻塔作為能源電力等行業(yè)不可缺少的冷卻換熱設(shè)備，其在運(yùn)行時(shí)需要耗費(fèi)大量的水資源；同時(shí)，冷卻塔的冷卻效果直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率與能耗。因此，為了節(jié)約水資源，提高冷卻水利用效率和冷卻塔的冷卻性能，研究高效節(jié)能節(jié)水型冷卻塔尤為重要。

近年來(lái)，復(fù)合型冷卻塔因其靈活的運(yùn)行模式和節(jié)能節(jié)水特性而得到學(xué)者們的廣泛研究。SARKER等［1］針對(duì)復(fù)合型閉式冷卻塔進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：干式運(yùn)行模式下冷卻塔的冷卻性能較低，但整體功耗也較低；濕式運(yùn)行模式下，冷卻性能與額定容量基本一致。ASVAPOOSITKUL等［2］研究表明：復(fù)合型冷卻塔的冷卻性能優(yōu)于濕式冷卻塔，低于干式冷卻塔，具體取決于干冷與濕冷的比例。DEHAGHANI等［3］對(duì)不同工況下的濕式和混合式冷卻塔進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明：冷卻范圍和天氣條件對(duì)濕式冷卻塔用水量的影響最為顯著。NOURANI等［4］以Ramin發(fā)電廠和Tabriz煉油廠為研究對(duì)象，對(duì)復(fù)合型冷卻塔的干濕段進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明：使用復(fù)合型冷卻塔使得Ramin發(fā)電廠和Tabriz煉油廠冷卻系統(tǒng)用水量分別降低了34%和38%。REZAEI等［5］研究表明，當(dāng)復(fù)合型冷卻塔的混合比在0.2～0.4時(shí)，夏季采用串聯(lián)布置更合適。NJOKU等［6］對(duì)尼日利亞五個(gè)典型熱帶地區(qū)的濕式和干式冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析，結(jié)果表明：在炎熱和干燥地區(qū)，相較于干式冷卻系統(tǒng)，濕式冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行成本和壽命周期成本更低。DEHAGHANI等［7］模擬了不同工況下干濕式復(fù)合型冷卻塔的用水量，結(jié)果表明：冷卻塔用水量受天氣條件和冷卻目標(biāo)的影響較大，塔高一定時(shí)，干式塔比濕式塔節(jié)水9.4%。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)復(fù)合型冷卻塔的研究主要集中在結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)上。李楠等［8］對(duì)干濕兩用閉式冷卻塔的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：不同工況下影響該冷卻塔性能的主要因素不同。王亮等［9］研究表明，風(fēng)量對(duì)橫流閉式冷卻塔的傳熱性能影響最小，而進(jìn)水溫度對(duì)其傳熱性能影響最大。常健佩等［10］研究表明：增加填料可以提高冷卻塔的冷卻性能，且盤(pán)管復(fù)合填料型閉式冷卻塔的冷卻性能優(yōu)于單盤(pán)管型閉式冷卻塔。錢(qián)泰磊等［11］試驗(yàn)研究了不同因素對(duì)空冷閉式冷卻塔換熱性能的影響，結(jié)果表明：增加空氣迎面速度及添加外翅片結(jié)構(gòu)等有利于提高冷卻塔的空冷效果。李進(jìn)等［12］對(duì)干濕復(fù)合型冷卻塔進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明：截面風(fēng)速和噴淋水流量對(duì)冷卻水溫差有較大的影響，對(duì)出口空氣溫度和焓值影響較小。楊俊杰等［13］對(duì)干濕復(fù)合型冷卻塔中翅片管與光管的面積比進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：光管換熱面積越大，冷卻性能越好，且當(dāng)翅片管和光管的換熱面積比值為0.71時(shí)冷卻性能達(dá)到最佳。夏莉等［14］模擬了結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)冷卻水出口溫度和冷卻效率的影響，結(jié)果表明，冷卻水出口溫度和冷卻效率隨空氣濕球溫度的升高而增大，冷卻水出口溫度隨著冷卻水流量的增加而增大，冷卻效率隨之減少。

綜上所述，目前對(duì)于復(fù)合型冷卻塔的研究主要集中在數(shù)值模擬和實(shí)例分析，試驗(yàn)研究較少，尤其是不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)其冷卻性能影響的研究很少開(kāi)展。為此，本文搭建了風(fēng)冷蒸發(fā)復(fù)合型冷卻塔模型試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)兩種塔型結(jié)構(gòu)冷卻特性的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

為了探討風(fēng)冷蒸發(fā)復(fù)合型橫流閉式冷卻塔的冷卻性能，搭建了其模型試驗(yàn)臺(tái)［15］。試驗(yàn)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、噴淋水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)等4部分組成，具體構(gòu)成包括透明PVC塔體、翅片管、光管、填料、擋水板、恒溫水浴、可控硅電子調(diào)壓器、風(fēng)機(jī)、風(fēng)管及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1所示。其中，光管與填料的位置可更換，以方便研究翅片管區(qū)在上、光管區(qū)在中、填料區(qū)在下（塔型1）和翅片管區(qū)在上、填料區(qū)在中、光管區(qū)在下（塔型2）2種冷卻塔型的傳熱傳質(zhì)特性，2種塔型的實(shí)物如圖2所示。

圖1 復(fù)合型冷卻塔試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of the composite cooling tower

圖2 2種塔型實(shí)物Fig.2 Physical pictures of two types of tower

試驗(yàn)共布置16個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，其中風(fēng)口處布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)；風(fēng)機(jī)處布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)；冷卻水進(jìn)水處、翅片管出水處、光管出水處分別布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)；噴淋水供回水處分別布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2 試驗(yàn)工況及誤差分析

2.1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)法，即系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后開(kāi)始讀數(shù)，讀數(shù)時(shí)間間隔為5 min，每個(gè)測(cè)量參數(shù)讀4～6次，取其平均值作為該測(cè)點(diǎn)的參數(shù)值。試驗(yàn)共進(jìn)行35組測(cè)試，分別研究空氣流量、冷卻水流量、噴淋水量和氣水比對(duì)2種塔型冷卻特性的影響。試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)工況Tab.1 Experimental conditions

2.2 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程包括以下幾個(gè)步驟：

（1）打開(kāi)加熱加濕器和電腦采集數(shù)據(jù)軟件，并對(duì)空氣的溫濕度進(jìn)行讀數(shù)；

（2）待溫濕度達(dá)到試驗(yàn)要求時(shí)，設(shè)置冷卻水進(jìn)口溫度同時(shí)開(kāi)啟恒溫水浴進(jìn)行加熱；

（3）打開(kāi)冷卻水泵和噴淋水泵，將轉(zhuǎn)子流量計(jì)和電子調(diào)壓器調(diào)到試驗(yàn)所需要的值；

（4）按照設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況依次進(jìn)行試驗(yàn)并用電腦采集數(shù)據(jù)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；

（5）試驗(yàn)完成后，關(guān)閉設(shè)備電源與循環(huán)水泵。

2.3 試驗(yàn)誤差分析

試驗(yàn)誤差主要來(lái)源于測(cè)量設(shè)備，包括溫度測(cè)量誤差、流量測(cè)量誤差和間接測(cè)量誤差三部分。經(jīng)計(jì)算可得試驗(yàn)系統(tǒng)溫度測(cè)量誤差最大值為0.33 ℃，最大流量測(cè)量誤差為0.003 kg/s，根據(jù)方差傳遞公式［16］計(jì)算得最大間接誤差為4.7%，因此本試驗(yàn)所測(cè)得數(shù)據(jù)滿足要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 空氣流量

分析圖3可以看出，2種塔型的翅片管和光管的出水溫度均隨空氣流量的增加而減小。這是因?yàn)榭諝饬髁吭酱螅諝饬魉僭酱?，?dǎo)致翅片管和光管的換熱系數(shù)增加，換熱效果也就越好。分析圖3（b）可以看出，光管出水溫度塔型2明顯低于塔型1，其原因是塔型2中噴淋水在噴灑到光管前先經(jīng)過(guò)填料區(qū)的降溫，導(dǎo)致管內(nèi)冷卻水與管壁上的噴淋水溫差加大，因此蒸發(fā)冷卻效果更好。

圖3 2種塔型的盤(pán)管出水溫度隨空氣流量變化Fig.3 Variations of outlet temperature of coil pipe with the air flow for two types of tower

為了研究空氣流量對(duì)2種塔型的盤(pán)管換熱效果的影響，圖4示出了2種塔型總換熱量隨空氣流量的變化，可以看出，2種塔型的盤(pán)管總換熱量均隨空氣流量的增加而增大，且塔型2的換熱量明顯高于塔型1，如塔型1和塔型2的換熱量分別從2 903，3 295 W增加到4 273，4 789 W。由此可得出，空氣流量增大使得兩種塔型的換熱效果均得到有效改善，且塔型2的換熱效果更好。

圖4 2種塔型的總換熱量隨空氣流量的變化Fig.4 Variations of total heat exchange with the air flow for two types of tower

由圖5可以看出，空氣流量越大，翅片管區(qū)的負(fù)荷比越大，而光管區(qū)的負(fù)荷比越小，如當(dāng)空氣流量從0.08 kg/s增加到0.48 kg/s時(shí)，塔型1的翅片管區(qū)負(fù)荷比由0.228增加到0.740，塔型2的翅片管區(qū)負(fù)荷比由0.203增加到0.672；對(duì)應(yīng)塔型1與塔型2的光管區(qū)負(fù)荷比分別由0.772，0.797減小到0.260，0.328。這表明空氣流量越大，翅片管區(qū)發(fā)揮的作用就越大，光管區(qū)發(fā)揮的作用就越小，這是因?yàn)榭諝饬髁康脑黾邮沟贸崞軈^(qū)的散熱量增加，而光管區(qū)因冷卻水進(jìn)口水溫降低導(dǎo)致散熱量減少。分析圖5還可以發(fā)現(xiàn)，空氣流量變化對(duì)塔型1負(fù)荷比的影響更大，其翅片管區(qū)及光管區(qū)負(fù)荷比變化更大。

圖5 2種塔型翅片管及光管負(fù)荷比隨空氣流量變化Fig.5 Variations of load ratio of finned tube and bare tube area with the air flow for two types of tower

3.2 冷卻水流量

分析圖6可以看出，2種塔型下盤(pán)管出水溫度均隨冷卻水流量的增加而增大，這是因?yàn)樵诳諝饬髁亢蛧娏芩恳欢〞r(shí)，冷卻水流量越大，冷卻塔的散熱負(fù)荷就越大，從而導(dǎo)致冷卻水的出口溫度越高。并且2種塔型的翅片管出水溫度隨冷卻水流量變化曲線基本重合，而塔型2的出水溫度比塔型1的出水溫度低0.5～0.8 ℃，如當(dāng)冷卻水流量從0.08 kg/s增加至0.167 kg/s時(shí)，塔型1的光管出水溫度由29.39 ℃增加到32.02 ℃，而塔型2的由28.62 ℃增加到31.25 ℃。這意味著填料區(qū)對(duì)噴淋水有預(yù)冷作用。

圖6 2種塔型的盤(pán)管出水溫度隨冷卻水流量的變化Fig.6 Variations of outlet temperature of coil with the cooling water flow for two types of tower

為了獲得冷卻水流量對(duì)2種塔型下盤(pán)管換熱量的影響，圖7示出了2種塔型的盤(pán)管換熱量隨冷卻水流量變化曲線?？梢钥闯觯?種塔型下各盤(pán)管區(qū)域的換熱量和總換熱量均隨冷卻水流量的增加而增大，其原因是冷卻水流量的增加使得翅片管和光管的總傳熱系數(shù)增大，換熱量增加。分析圖7可以看出，2種塔型的翅片管區(qū)換熱量基本相同，但塔型2的光管區(qū)換熱量及總換熱量明顯高于塔型1，如當(dāng)冷卻水流量從0.083 kg/s增加至0.167 kg/s時(shí)，塔型1的光管區(qū)換熱量及總換熱量分別增加了265，818 W，塔型2的光管區(qū)換熱量及總換熱量分別增加了631，1 108 W，這意味著冷卻水流量變化對(duì)塔型2的影響更大且塔型2的換熱效果更好。

圖7 2種塔型的盤(pán)管換熱量隨冷卻水流量變化Fig.7 Variations of heat exchange of coil with the cooling water flow for two types of tower

3.3 噴淋水流量

分析圖8可知，2種塔型下翅片管與光管出水溫度均隨噴淋水流量的增加而降低，但噴淋水流量對(duì)翅片管出水溫度的影響較小，如當(dāng)噴淋水流量從0.167 kg/s增加到0.250 kg/s時(shí)，塔型1與塔型2的翅片管出水溫度分別降低了0.42，0.21 ℃，而對(duì)應(yīng)光管分別降低了1.06，1.27 ℃。這是因?yàn)槔碚撋蠂娏芩康脑黾硬挥绊懗崞艿娘L(fēng)冷換熱，但實(shí)際換熱時(shí)掠過(guò)翅片管部分的空氣溫度隨著噴淋水量的增加而略有降低，從而導(dǎo)翅片管出口水溫略有降低，而噴淋水流量的增大使得光管外對(duì)流換熱效果增強(qiáng)，會(huì)強(qiáng)化空氣與噴淋水之間的熱質(zhì)交換效果。

圖8 2種塔型盤(pán)管出水溫度隨噴淋水流量變化Fig.8 Variations of outlet temperature of coil with the spray water flow rate for two types of tower

分析圖9可以看出，2種塔型下翅片管區(qū)和光管區(qū)的換熱量和總換熱量均隨噴淋水流量的增加而增大，且噴淋水流量的變化對(duì)翅片管區(qū)的換熱量影響較小，但對(duì)光管區(qū)的換熱量影響較大。如當(dāng)噴淋水流量從0.167 kg/s增加到0.250 kg/s時(shí)，塔型1與塔型2翅片管區(qū)的換熱量分別增加了295，144 W，對(duì)應(yīng)光管區(qū)換熱量分別增加了458，764 W。這是因?yàn)閲娏芩髁康脑黾觾H導(dǎo)致翅片管區(qū)的空氣溫度小幅度降低，換熱效果略有增強(qiáng)；而噴淋水流量的增加會(huì)顯著增大光管的傳熱傳質(zhì)系數(shù)和換熱效果，因此，強(qiáng)化傳熱效果更明顯。從圖9（b）還可以看出，就總換熱量而言，塔型2的換熱效果優(yōu)于塔型1。

圖9 2種塔型盤(pán)管換熱量隨噴淋水流量的變化Fig.9 Variations of heat exchange of coil with the spray water flow rate for two types of tower

3.4 氣水比

圖10，11分別示出了2種塔型盤(pán)管出水溫度隨氣水比的變化曲線，可以看出，盤(pán)管的出水溫度隨著氣水比的增大而降低，其原因是氣水比越大，從而空氣流量越大。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，噴淋水流量越大，盤(pán)管冷卻散熱效果越好。

圖10 翅片管出水溫度隨氣水比的變化Fig.10 Variations of outlet temperature of finned tube with the ratio of air to water for two types of tower

分析圖11可知，當(dāng)噴淋水流量為0.067 kg/s時(shí)，氣水比的變化對(duì)2種塔型光管出水溫度的影響基本相同，而當(dāng)噴淋水流量為0.133，0.200，0.267 kg/s時(shí)，塔型2的光管出水溫度明顯低于塔型1。由此可以得出，噴淋水流量越大，氣水比對(duì)光管出水溫度的影響就越大，且對(duì)塔型2的影響要大于塔型1。這是因?yàn)樗?的噴淋水經(jīng)過(guò)填料預(yù)冷后再進(jìn)入換熱盤(pán)管，其溫度更低，且經(jīng)過(guò)填料區(qū)后噴淋水下落的速度緩慢，使得其與換熱盤(pán)管的接觸更充分，因此當(dāng)氣水比增大時(shí)，塔型2的性能更加優(yōu)越。

圖11 光管出水溫度隨氣水比的變化Fig.11 Variations of outlet temperature of bare tube with the ratio of air to water for two types of tower

分析圖12～14可看出，噴淋水流量一定時(shí)，兩種塔型的翅片管區(qū)換熱量和總換熱量均隨氣水比的增加而增大，光管區(qū)換熱量隨氣水比的增加而減小，且噴淋水流量越大，各區(qū)域的換熱量越大。其原因是空氣流量越大，翅片管的傳熱系數(shù)及光管的傳質(zhì)系數(shù)就越大，強(qiáng)化了傳熱傳質(zhì)效果；而光管換熱量還受到翅片管出水溫度的影響，雖然光管的傳熱傳質(zhì)系數(shù)增大，但光管區(qū)進(jìn)口溫度降低，光管內(nèi)冷卻水與空氣的溫差減小，導(dǎo)致光管區(qū)的換熱量減?。豢倱Q熱量是翅片管區(qū)與光管區(qū)共同作用的結(jié)果，翅片管區(qū)換熱量的增加幅度大于光管換熱量的減小幅度，所以冷卻塔的總換熱量也增加。

圖12 翅片管區(qū)換熱量隨氣水比變化Fig.12 Variations of heat exchange of finned tube area with the ratio of air to water

圖13 光管區(qū)換熱量隨氣水比變化Fig.13 Variations of heat exchange of bare tube area with the ratio of air to water

圖14 總換熱量隨氣水比的變化Fig.14 Variations of total heat exchange with the ratio of air to water

從圖12～14還可發(fā)現(xiàn)，2種塔型的翅片管換熱量差別不大，但不同噴淋水流量下的塔型2光管區(qū)換熱量平均比塔型1要高200 W左右，這是因?yàn)樗?的填料對(duì)噴淋水的溫度進(jìn)行了預(yù)冷，使得噴淋水與管內(nèi)冷卻水的溫差增大，導(dǎo)致塔型2的光管區(qū)散熱量更大；分析圖14可知，塔型2的總換熱量高于塔型1，且噴淋水流量越大，塔型2的總換熱量比塔型1增加的越明顯，這意味著噴淋水流量越大，塔型2的換熱優(yōu)勢(shì)就越明顯。

4 結(jié)論

（1）2種塔型的冷卻性能均隨空氣流量的增加而得到改善，且空氣流量越大，翅片管區(qū)發(fā)揮的作用就越大，光管區(qū)發(fā)揮的作用就越小。如當(dāng)空氣流量從0.08 kg/s增加到0.48 kg/s時(shí)，塔型1的翅片管區(qū)負(fù)荷比由0.228增加到0.740，塔型2的翅片管區(qū)負(fù)荷比由0.203增加到0.672；對(duì)應(yīng)塔型1與塔型2的光管區(qū)負(fù)荷比分別由0.772，0.797減小到 0.260，0.328。

（2）2種塔型下各盤(pán)管區(qū)域的換熱量和總換熱量均隨冷卻水流量的增大而增加，且冷卻水流量變化對(duì)塔型2的影響更大。如當(dāng)冷卻水流量從0.083 kg/s增加至0.167 kg/s時(shí)，塔型1的光管區(qū)換熱量及總換熱量分別增加了265，818 W，而塔型2的光管區(qū)換熱量及總換熱量分別增加了631，1 108 W。

（3）隨噴淋水量增加，2種塔型下翅片管區(qū)和光管區(qū)的換熱量和總換熱量均增大，且噴淋水流量的變化對(duì)翅片管區(qū)的換熱量影響較小，但對(duì)光管區(qū)的換熱量影響較大。如當(dāng)噴淋水流量從0.167 kg/s增加到0.250 kg/s時(shí)，塔型1與塔型2翅片管區(qū)的換熱量分別增加了295，144 W，對(duì)應(yīng)光管區(qū)換熱量分別增加了458，764 W。

（4）噴淋水流量一定時(shí)，2種塔型的翅片管區(qū)換熱量和總換熱量均隨氣水比的增加而增大，光管區(qū)換熱量隨氣水比的增加而減??；且噴淋水量越大，各區(qū)域的換熱量越大，塔型2的換熱優(yōu)勢(shì)就越明顯。

（5）相同條件下，填料區(qū)在下的塔型2的冷卻性能要優(yōu)于光管區(qū)在下的塔型1。