復合型橫流閉式冷卻塔冷卻特性的實驗研究

崔敏 楊衛(wèi)波 張鈺 朱政宇 王子龍

揚州大學電氣與能源動力工程學院

0 引言

風冷蒸發(fā)復合型冷卻塔滿足現代防污、節(jié)能節(jié)水的要求，近年來受到了越來越多學者的廣泛關注。風冷蒸發(fā)復合型冷卻塔將風冷與蒸發(fā)冷卻相結合，相比普通干式冷卻塔冷卻效率更高，相比普通濕式冷卻塔更節(jié)水節(jié)能[1]。

根據空氣流向的不同，冷卻塔分為橫流式與逆流式，橫流式冷卻塔的傳熱傳質驅動力更均勻，相比逆流式更有利于冷卻效能的提高[2-3]。目前已有學者對復合型逆流式干濕串聯與干濕并聯冷卻塔換熱性能進行理論與實驗研究[4-7]。關于復合型橫流冷卻塔，夏莉[8]利用 Matlab 軟件數值模擬了結構和運行參數對復合型橫流閉式塔冷卻性能的影響，孫念心等[9-10]探討了風冷蒸發(fā)復合型橫流閉式冷卻塔內的翅片參數對其換熱性能的影響，并通過改變填料位置對復合型橫流閉式冷卻塔換熱性能進行實驗研究，對比發(fā)現翅片管區(qū)在上、填料區(qū)在中、光管區(qū)在下的復合型橫流閉式塔型冷卻性能更高。目前對復合型橫流閉式冷卻塔的研究類型以風冷翅片管與蒸發(fā)冷光管串聯為主，對并聯式復合型橫流閉式塔冷卻性能的研究較少。

為探究翅片管與光管的不同連接形式對風冷蒸發(fā)復合型橫流閉式塔冷卻性能的影響，本文根據相似原理按實物尺寸的1/3 等比縮小搭建了風冷與蒸發(fā)冷串聯與并聯時的模型實驗臺，通過實驗研究了空氣流量，冷卻水流量，噴淋水流量以及氣水比等運行參數對兩種連接形式下復合型橫流閉式冷卻塔冷卻性能的影響。

1 實驗平臺與工況設置

1.1 復合型橫流閉式冷卻塔結構

實驗所研究的復合型橫流閉式冷卻塔根據風冷翅片管與蒸發(fā)冷光管的兩種連接方式分為串聯式與并聯式，串聯式中冷卻水先從翅片管進口流入，經風冷冷卻后再進入光盤管，經蒸發(fā)式冷卻后流出，并聯式中冷卻水同時進入翅片管與光管換熱器，經風冷與蒸發(fā)式冷卻后兩部分冷卻水匯合流出。兩種連接方式結構示意見圖1。

圖1 風冷蒸發(fā)復合型橫流閉式冷卻塔結構示意圖

1.2 復合型橫流閉式冷卻塔實驗平臺

本文根據相似原理設計搭建了風冷蒸發(fā)復合型橫流閉式冷卻塔模型實驗臺，由PVC 材質透明板焊接而成的外殼尺寸為 1.0 m× 1.1 m× 1.2 m，內部結構參數如表1 所示，各參數測試儀表如表2 所示。

表1 內部結構參數

表2 測試儀器表

該模型實驗臺主要分為四個系統：冷卻水系統、噴淋水系統、風系統、數據采集系統。設置若干個溫度探頭對冷卻水、噴淋水和空氣的進出口溫度進行監(jiān)測，若干個濕度探頭監(jiān)測進出口空氣濕度，從而研究冷卻塔的傳熱傳質過程，圖 2 所示為實驗平臺的實物圖。其中，為比較兩種連接方式下冷卻塔的換熱過程，運用分支管變換翅片管與光管的連接方式，連接方式管路如圖3 所示。

圖2 實驗平臺實物圖

圖3 兩種連接方式管路圖

1.3 實驗工況設置

對于風冷蒸發(fā)復合型橫流閉式冷卻塔，影響其冷卻性能的運行參數主要有空氣流量，冷卻水流量，噴淋水流量和氣水比。故本實驗進行了 35 組不同參數組合的測試，以研究夏季工況下這些運行參數變化對兩種連接方式冷卻效果的影響規(guī)律，通過恒溫水浴控制冷卻水進口溫度保持在37 ℃，并聯式翅片管與光管的流量比為4:6，所設工況如表3 所示。

表3 實驗工況

2 實驗結果分析與討論

2.1 空氣流量

圖4 為兩種連接方式下翅片管與光管出水溫度隨空氣流量的變化，分析可以看出：串聯與并聯下各盤管的出水溫度與總出水溫度均隨空氣流量的增加而降低，這是因為空氣流量的增大會強化翅片管外的對流換熱和光管外的傳熱傳質，從而出水溫度降低。進一步分析圖4a 可以發(fā)現，并聯式翅片管的出水溫度低于串聯式，如空氣流量從0.24 增加到0.57 kg/s 時，串聯式與并聯式翅片管的出水溫度分別從 36.53、36.45 ℃降低到35.68、3 5.65 ℃，并聯式平均比串聯式低0.1 ℃，這主要是由于并聯式分流進入翅片管的冷卻水流量少于串聯式，冷卻負荷更小，降溫更多。而當空氣流量從0.24 增加到0.49 kg/s 時，串聯式與并聯式光管的出水溫度分別從 34.81、3 4.74 ℃降低到 34.60、34.56 ℃，并聯式的出口溫度略低于串聯式，其原因是串聯式光管區(qū)的冷卻水經翅片管區(qū)冷卻后進口溫度降低，管內冷卻水與管外空氣的溫差減小，換熱效果相比并聯式略差。當空氣流量增加到0.57 kg/s 時，串聯式與并聯式光管的出口溫度分別為 34.42 ℃與34.51 ℃，串聯式的出水溫度比并聯式更低，這主要是由于空氣流量增大使得串聯式翅片管內的冷卻水急劇降溫，進入光管區(qū)的冷卻水溫度遠低于并聯式。從圖4 還可以看出，串聯式冷卻水的總出口溫度明顯低于并聯式，如空氣流量為 0.57 kg/s 時，串聯式冷卻水的總出口溫度從為34.42 ℃，對應并聯式為 34.91 ℃，顯然，串聯式的總出口水溫平均比并聯式低0.5 ℃，這是因為并聯式的總出水溫度由翅片管區(qū)與光管區(qū)的出水溫度共同控制，而復合型冷卻塔干冷的性能系數遠小于濕冷部分[11]，翅片管區(qū)的出水溫度高出光管區(qū)較多，混合后的總出水溫度就高于串聯式。

圖4 兩種連接方式盤管出水溫度隨空氣流量變化

從圖5 中可以看出，隨著空氣流量的增加，兩種連接方式的冷卻效率均增加，如當空氣流量為 0.24 kg/s時，串聯式的冷卻效率為 19.8%，并聯式的效率為15.1%。而當空氣流量為0.57 kg/s 時，對應串聯式與并聯式的冷卻效率分別為27.5%、1 8.2%，串聯式與并聯式的冷卻效率分別提高了7.7%與3.1%。圖5 還表明：串聯式的冷卻效果始終優(yōu)于并聯式，冷卻效率約高出并聯式4.7%～9.3%，且空氣流量的變化對串聯式的影響更大。實際運行過程中，風速的增加會增加風機的能耗，因此要根據實際需求和經濟性來控制空氣流量的大小，不可盲目增加。

圖5 冷卻效率隨空氣流量的變化

2.2 冷卻水流量

由圖 6 可得，冷卻水流量增加，串聯式與并聯式的各盤管出水溫度與總出水溫度均增加，其原因是隨著冷卻水流量的增加，兩種連接方式中翅片管和光管內冷卻水的流量均增大，冷卻塔的散熱負荷增大，冷卻效果變差，出水溫度升高。進一步分析圖6a 可知，串聯式的翅片管出水溫度與并聯式相差不大，而串聯式的光管出水溫度明顯高于并聯式，且并聯式的光管出口水溫增幅更大。如當冷卻水流量從 0.100 增加到0.167 kg/s 時，串聯式與并聯式的光管出口水溫分別增加了0.31 與 0.73 ℃，兩者差值從0.44 降低到 0.01 ℃，這意味著冷卻水流量變化對并聯式光管區(qū)的出水溫度影響更大。進一步分析圖6b 還可看出，并聯式的總出水溫度始終高于串聯式，并隨著冷卻水流量的增大，其高出串聯式的總出水溫度越多，如冷卻水流量為 0.100 kg/s 時，并聯式的總出水溫度高出串聯式0.04 ℃，而當冷卻水流量為 0.167 kg/s 時，并聯式總出水溫度高出串聯式 0.38 ℃，這是因為并聯式的總出水溫度同時受翅片管和光管的總出水溫度影響，光管的出水溫度升高較多，從而總出水溫度也隨之升高。

圖6 兩種連接方式盤管出水溫度隨冷卻水量變化

進一步分析圖 7 可以看出，兩種連接方式下冷卻水流量的增加都會降低冷卻塔的冷卻效率，如當冷卻水流量從0.100 增加到0.167 kg/s 時，串聯式與并聯式的冷卻效率分別從 24.5 %、2 1.0%降低到 21.5 %、15.6%。這是因為冷卻水流量的增大導致冷卻塔的冷卻負荷增大，雖然流量增加會使得管內側的對流換熱系數增加，但冷卻塔總體冷卻效率下降。從圖 7 中還可發(fā)現，當冷卻水流量從 0.100 增加到0.167 kg/s 時，串聯式與并聯式的冷卻效率分別降低了 3.0%與5.4%，這意味著冷卻水流量的變化對并聯式的冷卻效率影響更大，且串聯式的冷卻效率始終高于并聯式，平均高出3.5%～5.9%。

圖7 冷卻效率隨冷卻水流量的變化

2.3 噴淋水流量

由圖8 可知，兩種連接方式下各盤管出水溫度與總出水溫度均隨噴淋水流量的增加而降低，且噴淋水流量的增加對翅片管的出水溫度影響較小，串聯式光管的出水溫度明顯高于并聯式，如當噴淋水流量從0.200 增加到 0.267 kg/s 時，串聯式光管的出水溫度從35.09 降低到34.94 ℃，并聯式的出水溫度從34.98 降低到 34.81 ℃。這主要是由于并聯式進入光管的水溫高于串聯式，與管外空氣的溫差更大，換熱效果更強。從圖8b 還可以得出，兩種連接方式的總出水溫度隨噴淋水流量的變化幅度相同，由于并聯式翅片管出水溫度較高，故并聯式總出水溫度始終高于串聯式。進一步分析圖9 中可以看出，隨著噴淋水流量的增加，兩種連接方式的冷卻效率均逐漸升高，如當噴淋水流量為0.200 kg/s 時，串聯式與并聯式的冷卻效率分別為20.8%與14.3%。當噴淋水流量為0.267 kg/s 時，串聯式與并聯式的冷卻效率分別為22.4%與 16.1%。進一步分析圖 9 可知，噴淋水流量的增加對兩種連接方式冷卻效率的影響程度基本相同，但串聯式的冷卻效率始終比并聯式高出5.8%左右。

圖8 兩種連接方式的盤管出水溫度隨噴淋水流量變化

圖9 冷卻效率隨噴淋水流量的變化

2.4 氣水比

氣水比是指空氣質量流量與噴淋水質量流量之比，本實驗中設置噴淋水流量分別為 6 L/min（0.100 kg/s）、8 L/min（0.133 kg/s）、1 2 L/min（0.200 kg/s）、16 L/min（0.267 kg/s），氣水比分別為 0.8、0.9、1.0、1.1、1.2。分析圖10 可以看出，噴淋水量一定時，兩種連接方式下各盤管出水溫度與總出水溫度均隨氣水比的增加而降低，且氣水比對兩種連接方式下翅片管出水溫度的影響規(guī)律基本相同，如當氣水比從 0.8 增加到1.2 時，兩種連接方式的翅片管出水溫度平均降低了0.15 ℃。而兩種連接方式下光管的出水溫度差異較大，當噴淋水流量從0.100 增加到 0.133 kg/s 時，串聯式光管的出水溫度下降更多，而當噴淋水噴淋水流量從0.200 增加到 0.267 kg/s 時，并聯式光管的出水溫度下降較多。如當氣水比從 0.8 增加到 1.2，在噴淋水流量從0.100 增加到0.267 kg/s 時，串聯式光管的出水溫度平均降低了0.83、0.73、0.39、0.44 ℃，并聯式平均降低了0.11、0.16、0.23、0.40 ℃。這主要是因為噴淋水流量較小時，光管區(qū)換熱效果不明顯，由于并聯式光管區(qū)的進水溫度較高，受到噴淋水的作用較小時，換熱效果不明顯。而空氣流量與噴淋水流量增大時，翅片管區(qū)熱量交換得到強化，進入串聯式光管區(qū)的冷卻水與管外空氣溫差減小，光管外水膜加厚，換熱效果降低，但并聯式由于管內冷卻水與管外空氣溫差較大，噴淋水作用效果明顯，故并聯式光管區(qū)的出水溫度降低。

圖10 兩種連接方式的各盤管出水溫度隨氣水比變化

分析圖11 可以看出，當噴淋水流量從 0.100 增加到0.133 kg/s 時，氣水比對串聯式的總出水溫度影響更大，而當噴淋水噴淋水流量從 0.200 增加到0.267 kg/s 時，氣水比對并聯式的總出水溫度相對影響更大。如當氣水比從0.8 增加到1.2，在噴淋水流量從0.100 增加到0.267 kg/s 時，串聯式的總出水溫度平均降低了0.83、0.73、0.39、0.44 ℃，并聯式的總出水溫度平均降低了 0.12、0.19、0.20、0.36 ℃。這主要是由于空氣流量與噴淋水流量較小時，翅片管和光管的出水溫度較高，故混合后并聯式的總出水溫度變化不明顯。而空氣流量與噴淋水流量增大時，串聯式翅片管冷卻水出口溫度降低更多，進入光管區(qū)時與管外空氣溫差減小，總出水溫度隨氣水比變化減小。此時噴淋水對并聯式光管區(qū)作用效果明顯，光管區(qū)的出水溫度降低，與較低的翅片管出水溫度混合后總出水溫度下降更多。

圖11 兩種連接方式的冷卻水總出口溫度隨氣水比變化

從圖 12 中可以看出，氣水比增加，兩種連接方式的冷卻效率均升高，如氣水比從0.8 增加到1.2 時，噴淋水流量分別為 0.100、0.133、0.200、0.267 kg/s 時，串聯式的冷卻效率分別升高了 8.6%、9.1%、4.0%、4.4%，并聯式分別升高了0.8%、1.3%、1.2%、3.5%，由于串聯式噴淋水流量為0.133 kg/s 時露點溫度較低，其冷卻效率偏低。進一步分析圖12 可以發(fā)現，串聯式冷卻效率始終高于并聯式，且其受氣水比的影響更大，當氣水比從 0.8 增加到 1.2 時，噴淋水流量從 0.100 增加到0.267 kg/s 時，串聯式的冷卻效率變化了 4%～9%，并聯式變化了1%～3.5%，串聯式的冷卻效率比并聯式高出4%～8.5%，這是因為空氣流量較小，翅片管區(qū)的換熱效果降低，而噴淋水流量較小時，并聯式光管區(qū)的熱濕交換不劇烈，溫降不明顯，使得并聯式總冷卻效率較低。

圖12 冷卻效率隨氣水比的變化

3 結論

1）空氣流量、噴淋水流量及氣水比的增加均能提高串聯與并聯式復合型冷卻塔的冷卻性能，而冷卻水流量的降低會導致兩者的冷卻性能降低。

2）空氣流量的增加對串聯式的冷卻效率影響更大，冷卻水流量的增加則對并聯式的冷卻效率影響更大，噴淋水流量在 0.100 到 0.133 kg/s 時，串聯式的冷卻效率受氣水比的影響較大，當噴淋水流量在 0.200到0.267 kg/s 時，則并聯式的冷卻效率受氣水比的影響較大。

3）并聯式光管區(qū)的換熱效率優(yōu)于串聯式，但其冷卻水的總出口溫度是翅片管區(qū)與光管區(qū)出水溫度混合后的結果，翅片管區(qū)的換熱效率遠低于光管區(qū)，混合后的總出水溫度較高，故并聯式的總體冷卻性能不如串聯式，串聯式復合型冷卻塔的冷卻效率比并聯式平均高出3.5%～9%。