帶填料的閉式冷卻塔在過渡季運行性能研究

賈改艷 周亞素 張恒欽

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

閉式冷卻塔（也稱蒸發式空冷器或密閉式冷卻塔）是將管式換熱器置于塔內，通過流通的空氣，噴淋水與循環冷卻水的熱交換達到降溫的效果[1]的一種裝置。近幾年密閉式冷卻塔在電力電子、機械加工、空調系統等行業得到了更為廣泛的應用。許多冷卻塔設備的設計和提供給用戶的設計參數以及熱工性能曲線均是以夏季氣象條件為依據，濕球溫度范圍一般在20 ℃到35 ℃，但過渡季及冬季的室外濕球溫度可達到15 ℃以下。使用冷卻塔夏季運行時的相關樣本技術參數，會導致冷卻塔在運行時并不能達到預期的制冷效果或者耗能過大，不利于節能[2]。通過查閱相關文獻可知，除了冷卻塔本身運行參數外，當室外空氣濕球溫度、干球溫度、相對濕度等參數發生變化時，冷卻塔自身的熱工性能也會發生變化，偏離其設計工況[3]。

本文通過實驗來研究冷卻塔在過渡季的運行性能，隨著過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價指標[4]變化趨勢和性能曲線，調節運行參數使其達到更好的運行效果。

1 冷卻塔實驗平臺及儀器介紹

為確保對閉式冷卻塔性能實驗研究更為精準，本實驗采用東華大學環境學院帶填料的閉式冷卻塔實驗平臺，結合恒溫、恒濕氣候控制室，利用變頻技術、智能數據采集技術等展開實驗研究，實驗模型實物圖如圖1 所示。

圖1 帶填料的閉式冷卻塔模型實物圖

盤管段換熱管型采用黃銅光管。盤管簇中單管尺寸結構參數由良機冷卻設備有限公司提供的既有塔型進行設計，根據實驗室內可用空間及高度設計盤管數量、盤管間距等整體尺寸。表1 為盤管部分結構參數表。

表1 盤管段結構參數

填料是閉式塔中為加強蒸發換熱而設置的部分。填料的迎風面尺寸為500 mm×500 mm，組裝高度為600 mm。

2 冷卻塔傳熱性能評價指標

2.1 冷卻水出口水溫及進出口水溫差

高溫冷卻水進塔后，通過換熱盤管散熱變成低溫冷卻水出塔。進口水溫一定，出口水溫越低，進出口溫差越大。冷卻水進出口溫差成為衡量塔性能最直觀的參數指標。

式中：Δt 為實際運行時冷卻水進出口水溫差，℃；tw1為冷卻水進口水溫，℃；tw2為冷卻水出口水溫，℃。

2.2 冷卻塔的相對冷卻量β

隨著季節變化引起的室外氣象參數變化，冷卻塔的實際運行與其夏季情況有不同程度的差異[5]，致使其實際冷量Q 也將不同于額定冷量Q0。本論文使用相對冷量β（實際冷量與額定冷量的比值Q/Q0）這一指標來評價冷卻塔實際冷卻能力接近額定工況的程度。

式中：β 為冷卻塔的相對冷量，%；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）、進口水溫（℃）、出口水溫（℃）；Q、W、tw1、tw2則為實際工況條件下各對應參數。

2.3 相對能耗系數ω

冷卻塔的相對能耗系數ω（實際能耗系數與額定能耗系數的比值）用來評估非額定工況條件下冷卻塔能耗系數接近額定工況的程度。

式中：ω 為冷卻塔的相對能耗系數，%；Pa0、Pf0分別為額定工況條件下，冷卻塔的風側能耗（W）、水側能耗（W）；Pa、Pf則為非額定工況條件下的各對應參數。

3 過渡季與夏季冷卻塔性能比較

3.1 過渡季運行參數確定

以上海地區過渡季氣象參數作為冷卻塔的計算參數。與夏季標準工況下的運行性能比較，分析得出過渡季冷卻塔的性能。本實驗首先確定了夏季標況的運行的條件，如表2 所示。

通過查閱上海地區全年氣象逐時參數，過渡季節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 ℃。關于冷卻塔進口水溫tw，考慮到冷卻塔出口水溫一般比空氣濕球溫度高3～5 ℃，且冷卻塔全年運行的進出口水溫差一般為Δt=2～5 ℃。因此，依據室外氣象條件的不同，將過渡季節分為兩個工況：3、11 月按tw=18 ℃。4、5、10 月按tw=23 ℃設定。

表2 夏季標況運行參數

3.2 過渡季與夏季運行結果對比

1）在3、11 月、進口水溫為18 ℃時，冷卻塔在夏季設計參數時的運行性能如表3 所示。可以看出，隨著濕球溫度從6 ℃變化到10 ℃，冷卻水的進出口溫差分別為3.6 ℃、3.1 ℃、2.8 ℃，制冷量及能耗系數分別為夏季額定工況下制冷量及能耗系數的69.9%、60.9%、55.7%。以制冷量為標準，冷卻塔在過渡季的性能偏離設計工況5.5 到7 成左右。

表3 夏季額定運行參數在3、11 月實驗測試結果

2）在4、5、10 月、進口水溫為23 ℃時，冷卻塔在夏季設計參數時的運行性能如表4 所示。可以看出，隨著濕球溫度從12 ℃變化到16 ℃，冷卻水的進出口溫差分別為3.7 ℃、3.3 ℃、2.9 ℃，制冷量及能耗系數分別為夏季額定工況下制冷量及能耗系數的72.2%、64.3%、62.1%。以制冷量為標準，冷卻塔在過渡季的性能偏離設計工況6 到7 成左右。

表4 夏季額定運行參數在4、5、10 月實驗測試結果

根據實驗發現過渡季使用冷卻塔供冷時冷卻水供、回水溫差最低可以取到2 ℃。可以通過查閱相關的文獻[6]擬定冷卻塔相對制冷量為50%以上、冷卻塔相對能耗系數為50%以上時為冷卻塔適宜運行的條件。

4 過渡季變工況冷卻塔性能分析

4.1 過渡季（3 月、11 月）工況下冷卻塔性能

本小節將在空氣干球溫度為12 ℃，濕球溫度分別為6 ℃、8 ℃、10 ℃時，保持冷卻塔入口水溫為18 ℃的工況下分別從變風速、變冷卻水量2 個方面對冷卻塔過渡季（3 月、11 月）性能進行分析。

4.1.1 變風速

圖2 為過渡季（3 月、11 月）變風速對冷卻塔性能影響。

圖2 過渡季（3 月、11 月）變風速對冷卻塔性能影響

從圖2 可以看出：

1）過渡季變風速引起的進出口溫差隨著風速的增加而增大且增大幅度隨風速的增加而減小。隨著風速從1.38 m/s 增加到3.47 m/s，濕球溫度分別為6 ℃、8 ℃、10 ℃時，冷卻水進出口溫差分別從2.2 ℃升高到4.1 ℃、1.8 ℃升高到3.7 ℃、1.6 ℃升高到3.3 ℃。

2）隨著進口風速的增加，相對冷量也呈現出上升趨勢。這是因為隨著風速的增加，單位質量空氣處理的水量減小而冷卻塔進水量保持不變，所以單位質量冷卻水放出的熱量就會變大，從而冷卻塔的總制冷量上升。當濕球溫度分別為6 ℃、8 ℃、10 ℃時，隨著風速從1.38 m/s 增加到3.47 m/s，冷卻塔的相對冷量分別從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，單位風速的變化引起的相對冷量變化越大。

3）隨著風速的增加，冷卻塔的相對能耗系數呈減小趨勢。隨著風速的提高冷卻塔的制冷量雖然增加，但是增大風速會造成能耗變大，且能耗增大速率大于制冷量提高速率。當濕球溫度分別為6 ℃、8 ℃、10 ℃時，隨著風速從1.38 m/s 增加到3.47 m/s，冷卻塔的相對能耗系數分別從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，最佳運行風速為2.18～2.67 m/s。

4.1.2 變冷卻水量

圖3 為過渡季（3 月、11 月）變冷卻水量對冷卻塔性能影響。

圖3 過渡季（3 月、11 月）變冷卻水量對冷卻塔性能影響

從圖3 可以看出：

1）冷卻塔的進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，進出口水溫差分別降低了51.18%、54.09%。說明在冷卻水量增加幅度相同時，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，系統的出口水溫分別降低了20.56%、25.32%。說明在濕球溫度變化量相同的條件下，冷卻水量越大，系統進出口溫差降低幅度越大。

2）冷卻塔的相對冷量隨著冷卻水量的增大而增加，這是因為隨著水量的增加，冷卻水進出口溫差減小，冷卻塔盤管內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。溫度升高的同時又降低了空氣側水蒸氣分壓力，對潛熱換熱量也有一定的增強。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，相對冷量分別增加了30.10%、38.09%。相對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，系統的相對冷量分別降低了21.8%、23.55%，冷卻水量越大，系統的相對冷量降低幅度增大。

3）系統的相對能效系數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，相對能耗系數分別增加了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，系統的相對能耗系數分別降低了20.56%、21.64%。冷卻水量越大，能耗系數降低幅度越大。曲線的斜率逐漸降低，說明同一濕球溫度下隨著冷卻水量的增加相對能耗系數增加幅度逐漸降低。

通過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，最佳運行條件在冷卻水流量為2.27～2.81 m3/h 范圍內。在變風速調節不能滿足指標值的情況下，通過變冷卻水量調節可以滿足。

4.2 過渡季（4 月、5 月、10 月）工況下冷卻塔性能

本節將在空氣干球溫度為18 ℃，濕球溫度分別為12 ℃、14 ℃、16 ℃時，保持冷卻塔入口水溫為23 ℃的工況下分別從變進風速、變冷卻水量2 個方面對冷卻塔過渡季（4 月、5 月、10 月）性能進行分析。

4.2.1 變風速

圖4 為過渡季（4 月、5 月、10 月）變風速對冷卻塔性能影響。

圖4 過渡季（4 月、5 月、10 月）變風速對冷卻塔性能影響

從圖4 可以看出：

1）隨著風速的增加冷卻水進出口水溫差逐漸增加。濕球溫度分別為12 ℃、14 ℃、16 ℃時，隨著風速從1.38 m/s 增加到3.47 m/s，冷卻水進出口溫差分別從2.5 ℃升高到4.3 ℃、2.1 ℃升高到3.6 ℃、1.6 ℃升高到3.0 ℃。可以看出，變風速引起的進出口水溫差變化速率并不會因為濕球溫度的變化而產生較大波動。

2）隨著進風速的增加，相對冷量呈現出上升趨勢。當濕球溫度為12 ℃、14 ℃、16 ℃時，隨著風速從1.38m/s 增加到3.47 m/s，冷卻塔的相對冷量分別從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，變風速時冷卻塔相對冷量的變化受室外濕球溫度影響，濕球溫度越低，單位質量風速的變化引起的相對冷量變化越大。

3）隨著風速的增加，冷卻塔的相對能耗系數呈減小趨勢。當濕球溫度分別為12 ℃、14 ℃、16 ℃時，隨著冷卻塔進風速從1.38 m/s 增加到3.47 m/s，冷卻塔的相對能耗系數分別從1.32 降低到0.50、1.27 降低到0.42、0.96 降低到0.35。以夏季額定風速為標準，風速每增加10%，相對能耗系數分別降低約7.5%、7.5%、5.5%，當風速在2.67～2.18 m/s 這一區間時，風速每降低10%相對能耗系數分別增加約17.2%、16.0%、18.3%，在2.18～1.38m/s 這一區間時風速每降低10%，相對能耗系數分別增加約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，最佳運行風速在2.18～2.67 m/s 的范圍內。

4.2.2 變冷卻水量

圖5 為過渡季（4 月、5 月、10 月）變冷卻水量對冷卻塔性能影響。

圖5 過渡季（4 月、5 月、10 月）變冷卻水量對冷卻塔性能影響

從圖5 可以看出：

1）當冷卻水量增大時，冷卻塔進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。當濕球溫度分別為12 ℃、14 ℃、16 ℃時，以夏季額定冷卻水量2.27 m3/h 為參照基準，冷卻水量每減少10%，冷卻塔進出口溫差分別上升9.5%、8.8%、7.5%，冷卻水量每增加10%，冷卻塔進出口溫差分別下降5.6%、5.2%、5.6%。

2）當冷卻水量增大時，冷卻塔相對冷量均隨之增大，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，冷卻水量由1.22 m3/h 增至2.27 m3/h，相對冷量分別增加了17.7%、17.0%，而當冷卻水量由2.27 m3/h 增至3.60 m3/h 時，相對冷量分別增加了7.6%、9.0%。

3）當冷卻水量增大時，相對能耗系數均隨之增大，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，冷卻水量1.22 m3/h 增至2.27 m3/h，相對能耗系數分別增加了0.13、0.14，而當冷卻水量由2.27 m3/h 增至3.60 m3/h 時，相對能耗系數分別增加了0.06、0.08。

通過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。在變風速調節不能滿足指標值情況下，通過變冷卻水量調節可以滿足。而且此時的室外氣象參數已經比較接近夏季，在有些工況下，即使不進行調節，也可以達到要求的指標范圍。

5 結論

1）過渡季節3 月、11 月冷卻塔性能偏離設計工況5.5 到7 成左右。在4、5、10 月冷卻塔性能偏離設計工況6 到7 成左右。冷卻塔的制冷量可以通過提高冷卻塔進風速或者增加冷卻水進水量來增加，但相應的會分別帶來能耗系數降低、出口溫度升高的的不利影響。

2）在過渡季節（3、11 月）時，冷卻塔可根據主要評價條件的不同調整冷卻塔進水量及進口風速，此時冷卻塔可以滿足制冷要求。在過渡季（4、5、10 月）時，由于室外溫度相對較高，此時通過變風速調節冷卻塔性能代價很高，在該類氣象條件下運行冷卻塔經濟性相對較差。

3）當過渡季所需制冷量不大時，建議優先采用變水量調節，變水量所對應的能耗系數分別為比變風速下的能耗系數提高了約5%。

4）當室外濕球溫度處于過渡季節內相對較低的水平，如濕球溫度為6 ℃、8 ℃時，建議進行變風量調節，在提高冷卻塔相對冷量的同時滿足其相對能耗系數不低于預期水平。