冷卻水流向對干濕串聯的冷卻塔性能影響研究

王宇彤周亞素張恒欽查小歡

1東華大學環境科學與工程學院

2上海良機冷卻設備有限公司

0 引言

干、濕串聯運行復合式冷卻塔最早運用于工業[1-2]，處理的冷卻水水溫較高，廣泛用于煉油、化工、動力、冶金行業，是一種具有顯著節能節水效益的換熱設備[3]。工業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者進行了研究，山東建筑大學房大兵[4]在2012年進行了干、濕串聯運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，但會導致出口濕空氣的含濕量有所降低的結論。莊亞男[5]用實驗方法研究串聯逆流流向時截面風速對于復合式冷卻塔換熱性能的影響，并與閉式冷卻塔進行對比試驗，得出最佳截面風速為3.5m/s，與傳統閉式冷卻塔相比，復合式冷卻塔換熱性能最多可提升52%。關于冷卻水流向問題的研究，丁梟[6]在2015年理論計算和實驗驗證順流流向帶填料噴淋的閉式冷卻塔時冷卻效率優于逆流。針對流向對冷卻塔換熱性能的影響，本文通過實驗研究順流流向時干濕串聯冷卻塔的換熱性能，并研究冷卻水流向對換熱性能的影響。

1 干濕串聯冷卻塔實驗平臺與工況設置

干濕串聯式冷卻塔其結構示意如圖1所示，利用人工氣候室保障環境的溫濕度，設置冷卻塔的標準工況干球溫度31.5℃、濕球溫度28℃的環境溫度。利用恒溫水箱控制冷卻水進口溫度37℃。實驗采取順流流向，指空氣自下而上被風機抽出，冷卻水經過干區翅片管后，在濕區，下進上出，與空氣流動方向相同，即冷卻水先從上進入干區翅片管，與翅片管外的空氣進行換熱，然后進入下部在噴淋水作用下的濕區光管，從最下面一層光管進入，最上面一層光管流出，與管外水膜進行換熱使溫度降低。空氣從光管下部進入，先經過濕區光管及填料區吸熱蒸發再進入干區翅片管區進一步吸熱，同時空氣中未蒸發的水滴繼續吸熱蒸發，使出口空氣溫度升高，濕度降低。逆流流向，即冷卻水先從上進入干區翅片管，然后在濕區與順流相反，從上進入光管，從下流出。

圖1 復合式冷卻塔模型

2 實驗研究及結果分析

2.1 實驗儀器

為使得試驗工況持續穩定，須對冷卻水進口水溫進行控制，使得進口水溫恒定。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。設定水箱溫度保持在37±0.5℃，同時根據不同的測溫要求，需要選用不同形式的溫度計，溫度傳感器的精度均為0.01℃。用于不銹鋼管里流動的水時，采用內螺旋探頭式溫度計。用于測量各進出口空氣時，采用普通懸掛式溫度計。測噴淋水溫度時，采用貼壁式溫度計。由于需要測量冷卻水流量，采用國外引進的智能電磁流量計，利用TSI9565多參數通風表獲取包括風速、溫度、相對濕度等參數。

2.2 截面風速對冷卻水冷卻溫降及能耗影響

實驗中冷卻水處理流量為2m3/h，管內冷卻水進口溫度設置為37℃，進口空氣干球溫度為31.5±0.5℃，濕球溫度28±0.5℃，管外噴淋水量為3.5m3/h，為了觀察截面風速變化對這種干濕復合式冷卻塔換熱性能的影響，實驗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，實驗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、噴淋水作用下濕區的溫降隨截面風速的變化如圖2所示。

圖2 復合式冷卻塔溫降隨截面風速變化

圖2表明，干濕串聯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速先增加后減小的現象。在風速為3.5m/s時，冷卻水的溫降達到最大值。濕區的溫降都大于干區的溫降，占總溫降的63.47%～77.06%。

順流流向時，對于干區，其溫降隨風速增加先增加后減小。截面風速由1m/s上升至3.5m/s時，隨著截面風速增加，管外空氣的對流換熱系數增加，從而使對流換熱量增加，在干區冷卻水的溫降由1.087℃上升至2.024℃。但風速大于3.5m/s后，隨著風速增加，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，隨風速增加，濕區溫降先增加后減小。順流流向，截面風速過小時，氣水比過小，蒸發量受到空氣流量小的限制，換熱較少。截面風速由1m/s上升至3.5m/s時，隨著截面風速增加，對流換熱量增加，濕區溫降由2.193℃上升至4.087℃，但風速大于3.5m/s后，濕區空氣與循環噴淋水進行接觸換熱，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間不夠充分，因此蒸發換熱不充分，故而隨著風速增加，溫降不再增加，相反逐漸減小。綜合考慮上述因素，干濕串聯型冷卻塔存在一個最佳截面風速即3.5m/s，使得其換熱的性能最佳。

同時，改變流向，其溫降有所變化。相等運行參數下進行逆流流向實驗。對比所得，截面風速由1m/s至4.5m/s，順流流向冷卻塔溫降均大于逆流流向溫降，其中干區流向相同，其溫降基本一致。濕區順流時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，從而導致溫降處理量，順流流向大于逆流流向。

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

圖3 復合式冷卻塔干、濕區的空氣流動阻力隨截面風速變化

干式換熱增加冷卻塔的換熱性能的同時也增加了能源消耗，翅片管的存在會使得空氣流動阻力增加。圖3為復合式冷卻塔干、濕區空氣流動阻力隨截面風速變化圖。

由圖3可知，干、濕區空氣流動阻力均隨風速增加而增加，濕區的空氣流動阻力均大于干區的空氣流動阻力。順流流向時，截面風速由1m/s上升至4.5m/s，復合式冷卻塔干區空氣流動阻力受到翅片管結構的影響由1.4Pa上升至22.3Pa，濕區空氣流動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，受到噴淋水的影響，流向對于濕區空氣阻力影響并不大，對于干區空氣阻力，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，與空氣流量無關，故水側阻力不隨截面風速改變而改變。順流流向時，水側總阻力45 kPa，干區25 kPa，占總阻力的55.56%，濕區20 kPa，占44.44%。逆流流向時，水側總阻力25 kPa，其中干區14 kPa，占比56%，濕區11 kPa，占比44%。故不同冷卻水流向時，干濕區冷卻水阻力占復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，噴淋密度參數更具普遍性。為了研究噴淋密度對于復合式冷卻塔的性能影響，選擇標準冷卻塔工況，進口空氣干球溫度為31.5±0.5℃，濕球溫度28±0.5℃，設置管內冷卻水進口溫度為37%℃，流量為2m3/h，選取最佳截面風速3.5m/s，噴淋密度變化范圍是8～16m3/(m2·h)，進行復合式冷卻塔冷卻水出口水溫對比以及能耗對比。圖4為截面風速為3.5m/s，復合式冷卻塔干、濕區溫降隨噴淋密度變化。

圖4 復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，噴淋密度逐漸增大，空氣能夠與越來越多的噴淋水進行熱濕交換，溫降增大，總溫降由4.733℃上升至5.942℃。干區溫降由1.893℃上升至1.924℃，噴淋密度對干區影響很小，濕區溫降由3.022℃上升至3.987℃。當噴淋密度大于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致水膜傳熱熱阻增加，對傳熱造成不利影響，也會增加風阻，溫降不再增加，相反逐漸減小。

同時，改變流向，其溫降有所變化。相等運行參數下進行逆流流向實驗。對比所得，噴淋密度由8m3/(m2·h)至16m3/(m2·h)，干濕區溫降處理量及總溫降處理量，順流狀態均大于逆流狀態，順流流向換熱性能優于逆流流向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，干濕串聯型冷卻塔干區和濕區的空氣流動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，與空氣接觸摩擦增大，導致冷卻塔的空氣流動阻力隨之增大。由圖6可知，噴淋密度由8m3/(m2·h)上升至 16m3/(m2·h)時，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。冷卻水流向對于不同噴淋水量，阻力不發生改變。

圖5 復合式冷卻塔的空氣流動阻力隨噴淋密度變化

圖6 復合式冷卻塔的噴淋水阻力隨噴淋密度變化

3 結論

實驗分別控制噴淋密度和截面風速，探究換熱性能及能耗的影響因素，并做對比試驗分析冷卻水流向對于冷卻塔換熱性能及能耗的影響，得出以下結論：

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

2）噴淋密度對復合式冷卻塔的干區換熱性能幾乎沒有影響。噴淋密度在 8m3/(m2·h)至 14m3/(m2·h)之間，濕區換熱隨噴淋密度的增加而增強，在14m3/(m2·h)時，復合式冷卻塔的綜合換熱效果達到最佳，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，不同截面風速與噴淋密度下，冷卻水與空氣順流流向時，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型冷卻塔換熱性能優于逆流6.73%～15.48%。能耗方面，對于復合式冷卻塔水側阻力，順流流向較高逆流44.44%。對于空氣側阻力，順流流向時空氣阻力較高逆流8%～27%，改變噴淋密度時，順流流向與逆流流向的空氣側阻力基本一致。能耗阻力與塔型管道配置關系密切，可在今后結構優化中進一步改進。優先考慮換熱性能時，干濕串聯型復合式冷卻塔建議順流運行。

[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.組合式空冷器風量需求規律[J].華中科技大學學報:自然科學版,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構設計及性能分析[D].濟南:山東建筑大學,2012.

[5]莊亞男.復合式冷卻塔工作性能實驗研究[D].上海:東華大學,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驗驗證[D].上海:東華大學,2015.