闭式冷却塔冬季运行性能研究

白羽丰 周亚素 查小欢

1东华大学环境科学与工程学院

2上海良机冷却设备有限公司

0 引言

闭式冷却塔源自于工业用蒸发式冷却器， 是利用自然环境中空气的干湿球温度差以间接蒸发的方式来降低水的温度， 冷却水流经闭式冷却塔的盘管段与空气进行间接换热， 从而保证了冷却水不像开式塔那样易受环境及空气中杂质的污染。另外， 闭式冷却塔还具有结构紧凑、 占地面积少、 噪音低、 运行费用低、 适应性强等优点， 可广泛应用于工业用、 民用等制冷等领域 [1] 。

随着社会的发展， 闭式冷却塔近些年被越来越多的应用于建筑物非夏季工况 （非额定工况） 条件下的系统中 [2-4] 。由于冷却塔的热湿交换效果受很多因素的影响， 而冷却塔出产商所提供给买家的产品样本及使用说明书中， 冷却塔热工性能曲线只是以夏季情况为依据， 一般只针对干、 湿球温度比较高的情况， 很少有厂家能够提供冷却塔在非夏季工况的热工性能曲线。然而， 室外气象参数对冷却塔的热湿交换效果产生的影响是无法忽略的 [5] ， 随着室外空气湿球温度、 空气相对湿度等因素的变化， 冷却塔的运行工况将偏离其额定工况条件， 也即冷却塔热湿交换能力将随其运行条件而改变。如何调整冷却塔自身运行参数来使冷却塔在非额定工况下仍具有较好的冷却能力是一个困扰着生产厂家的大问题。虽然国内外已经有学者对不同类型冷却塔在不同室外空气下的运行特性进行了一些研究， 然而并不全面， 因此研究本课题的目的在于补充并完善前人所做的研究工作， 充实该方向的研究成果， 可为冷却塔全年能够更加有效率运行提供技术参考。

1 数学模型介绍

在逆流闭式冷却塔中， 如图 1 所示， 管内冷却水在冷却盘管中流动, 其热量通过盘管管壁以间接传热的方式传递给管外喷淋水。循环水泵将集水槽的水送到冷却塔上部， 通过喷嘴喷淋流经填料后在盘管外表面形成水膜,水膜吸热蒸发成水蒸气进入空气中， 剩余的水再流回集水槽， 循环使用。风机通过机械送风的方式使空气自下部进入塔体， 流过盘管与管外喷淋水发生热量和质量交换， 带走其热量后从塔顶排出。

图1 逆流闭式冷却塔模型示意图

由图 1 可知带填料的闭式冷却塔热湿交换主要在冷却塔上部的填料区及下部的盘管区发生， 因此下文将针对这两部分进行简要的模型分析。

对于盘管区，取微元控制体进行分析，则如图 2所示。

图2 闭式冷却塔内盘管微元控制体

综合盘管内冷却水失热、 喷淋水作为中间媒介的得热失热、 流经冷却塔内的空气得热这三者之间的能量平衡关系及喷淋水量减少、 空气中水蒸气含量增加这两者之间的质量平衡关系可以得到冷却塔盘管段的控制方程组[6]。

对于填料段， 由于填料的表面结构非常复杂， 水的表面面积很难确定， 所以常用填料块的体积来代替表面积进行计算 [7] 。 如图3， 取微元高度为dz， 横截面面积为S， 即体积为dV=dz× S的微元体填料段， 进行分析。空气自下而上流动， 喷淋水则与空气逆向流动进行热质交换， 喷淋水损失的热量等于空气获得的热量。

图3 填料区传热传质过程示意图

对填料段的能量平衡及质量平衡进行分析化简，可以得到填料段的控制方程组[8]。

结合方程组 （1）、（2） 可知， 影响冷却塔冷却性能的室外参数主要有空气湿球温度及空气干球温度。影响冷却塔冷却性能的运行参数主要有冷却塔喷淋水量，进口空气流量及冷却塔冷却水量。因此本文将对上述参数中的气象进行实验分析， 重点确定冬季气象参数改变对冷却塔运行性能产生的具体影响。

2 冷却塔传热性能评价指标

冷却塔生产方通常给出的是夏季额定工况条件下的性能参数， 而实际工程中， 由于季节和室外气象参数的变化， 冷却塔的实际运行效果大多是偏离其额定设计效果的， 致使其实际冷量Q， 能耗数等也不同于额定冷量Q0 ， 额定能耗系数。因此， 如何保证非额定工况下冷却塔高效运行以及如何判定冷却塔的运行效果好坏成为研究的关键。因此， 本文提出了冷却塔非额定工况运行条件下的评价指标。

2.1 冷却塔的冷却效率ε

通常， 冷却塔的冷却效率ε定义为冷却塔实际冷却量 （应该是冷却量， 不是制冷量） 与理论最大冷却量之比。显然，ε越大， 冷却塔出口水温tf2越接近理论极限温度ts1， 冷却塔的热湿交换效果越好。

式中：Q为冷却塔实际冷却量，kW；Qmax为冷却塔理论最大冷却量，k W；tf1为冷却塔进口水温，℃ ；tf2为冷却塔出口水温，℃ ；ts1为冷却塔进口空气湿球温度，℃ 。

2.2 冷却塔的相对冷量β

冷却塔生产厂家通常给出的是夏季额定工况条件下的额定冷却量Q0 ， 实际工程中， 由于季节和室外气象参数的变化， 冷却塔的实际运行工况大多是偏离其额定工况的， 致使其实际冷却量Q也将不同于额定冷却量（经常有人忽略了这点）。

为便于比较评价， 本研究认为在实际工程中可用冷却塔的相对冷量β（实际冷却量与额定冷却量比值Q/Q0 ） 评价冷却塔实际冷却能力接近额定工况程度。

式中：β为冷却塔的相对冷量，% ；cpf为水的定压比热，kJ/kg·℃ ；Q0、W0、tf1,0、tf2,0分别为额定工况条件下冷却塔的冷却量（ kW）、水 流量（ kg/h）、进 口水温（ ℃）、出 口水温（ ℃）；Q、W、tf1、tf2则分别为实际工况条件下的各对应参数。

2.3 相对能耗系数

同理， 也可用冷却塔的相对能耗系数（实际能耗系数与额定能耗系数的比值） 比较并评估非额定工况条件下冷却塔能耗系数接近额定工况的程度。

式中：ω为冷却塔的相对能耗系数， %；P a0 、Pf0分别为额定工况条件下冷却塔的风侧能耗和水侧能耗， Pa；P a、Pf0则为非额定工况条件下的各对应参数。

3 冬季工况下冷却塔性能分析

通过查阅文献及咨询相关厂家得知， 冷却塔冬季工况运行时冷却水的进口水温一般为12 ℃ [9] 。因此，本文将在保持冷却塔其他运行参数为夏季额定参数不变的前提下， 将冷却塔进水温度设定为 12 ℃， 通过对干球温度、 湿球温度的控制， 研究冷却塔在冬季气象参数条件下的运行性能。

为了便于比较分析， 实验冷却塔夏季额定工况 （空气干球温度 32 ℃， 湿球温度 28 ℃冷却水进口温度37 ℃， 冷却水处理流量2.27m3/h） 下的工作性能如表1所示。

表1 夏季额定运行参数下冷却塔性能

如表1所列数据，本课题中所应用的闭式逆流冷却塔模型的设计气象参数为： 干球温度 32 ℃， 湿球温度28 ℃； 设计运行参数为： 冷却水流量 2.27m3/h， 喷淋水喷淋密度1.80 kg/m2/s， 空气截面风速3.88m/s。 此时冷却塔进出口水温分别为37 ℃及32 ℃，冷却塔冷却量为1.35 kW。

3.1 冬季空气湿球温度对冷却塔性能的影响

为研究冷却塔在冬季气象条件下的运行性能， 先保持冷却塔的运行参数不变，即冷却水流量保持在2.27m3/h， 喷淋水喷淋密度1.80 kg/m2/s， 空气截面风速3.88m/s。 调整干球温度， 使其稳定在6 ℃； 调整冷却水进口温度使其稳定在12 ℃。

表2 夏季额定运行参数在冬季工况下实验结果

通过表2可以看出，冷却塔的夏季设计运行参数在冬季气象工况下，随 着湿球温度从 0 ℃变化到4 ℃，冷却水的进出口温差分别为 3.1 ℃、2.8 ℃、2.5 ℃。冷却效率分别为25.64%、27.74%、31.73%。比 较表1和表2的冷却量，可 以得到在冬季气象参数下，在 干球温度为6度、其 他冷却塔运行参数保持额定不变、湿 球温度分别为 0 ℃、2 ℃、4 ℃时，相 对冷却量β分别为60.5%、54.9%、49.7%。由于冷却塔进风量、处 理水量保持一定，冷 却塔的风侧、水 侧的能耗基本不变，因 此相对能耗系数变化规律与相对制冷量基本一致，分 别为60.5%、54.9%、49.7%。由上述数据可见，当 其参数恒定时，随 着湿球温度的降低，冷 却塔进出口水温差升高，出口水温可以达到更低的温度，但 是冷却塔的冷却效率却随着湿球温度的降低而减小，冷 却塔的热湿交换效果反而降低。此时以冷却量为标准，冷 却塔在冬季的性能已经偏离到了额定工况的5到6成。

3.2 冬季干球温度对冷却塔性能的影响

研究干球温度变化对冷却塔性能带来的影响， 保持冷却塔的运行参数不变， 即冷却水流量保持在2.27m3/h， 喷淋水喷淋密度 1.80 kg/m2/s， 空气截面风速3.88m/s， 冷却水进口温为12℃。 分别调整湿球温度至0 ℃及2 ℃并保持湿球温度恒定， 改变干球温度。

图4 变干球温度对进出口水温差的影响

如图 4 至图 7所示，当 保持冷却塔运行参数为夏季额定参数不变、湿 球温度恒定时，随 着干球温度的升高，各 项冷却塔性能评价指标均随之减小。当湿球温度为 0 ℃、2 ℃、干 球温度低于 4 ℃时，进 出口水温差，冷 却效率，相 对冷却量及相对能耗系数降低幅度很非常小。这是由于在湿球温度、干 球温度处于较低水平时，当 干球温度发生小幅变化时空气焓值基本不变，室 外空气参数可以近似当成恒定不变，因 此冷却塔冷却能力基本不发生变化。当湿球温度为 0 ℃、2 ℃时，随 着干球温度从4 ℃升高至6 ℃，与 4℃时相比进出口水温差分别提高了11.4%和9.4%。冷却效率分别降低了 3.1%和 3.6%。相对冷量分别降低了 13.7%和9.7%。相 对能耗系数分别降低了了9.8%和9.4%。这 是因为空气温度升高，减 小了冷却塔中冷却水与空气之间的换热温差，导 致热交换能力下降，降 低了冷却塔的换热性能。由上述分析可知，当 室外干、湿 球温度均较低时，干 球温度的变化并不会对冷却塔热湿交换能力产生很大影响， 但当干球温度高于4 ℃时， 冷却塔显热换热能力 （即热交换能力） 降低， 冷却塔整体性能会有所降低。 此时干球温度每升高1 ℃， 冷却塔的相对冷量及相对能耗系数都会降低4%至5%。冷却塔相对冷却量及相对能耗系数依然能够保持在50%以上， 具有较好的冷却能力。

图5 变干球温度对冷却效率的影响

图6 变干球温度对相对冷量的影响

图7 变干球温度对相对能耗系数的影响

4 结论

为了研究闭式冷却塔在冬季热质交换情况及其运行性能， 把握影响冷却塔运行性能的因素及其适宜的运行条件， 本文以带填料的闭式冷却塔为研究对象，结合冷却塔试验台及其热质交换模型， 以夏季额定工况下冷却塔各项运行参数为比较基准， 比较详细的分析了当室外气象参数改变时闭式冷却塔的性能变化，得到以下结论：

1）以 冷却塔额定工况性能参数为比较基准，提 出了关于冷却塔全年运行热湿交换性能评价的指标：冷却塔的冷却效率ε， 相 对冷量β，相 对能耗系数。

2）在运行参数为额定工况下冷却塔的运行参数ω，冷 却水进口水温为 12℃的情况下，冷 却塔冬季冷却量要明显低于夏季，冬 季气象条件下冷却量一般为夏季的40%到60%左右。能耗系数也降低到夏季工况的50%～70%。进出口水温差无法达到夏季的 5℃，一般只有2.5℃到3℃。

3）当 干球温度低于 4 ℃时，干 球温度的变化对冷却塔带来的影响可以忽略不计，当湿球温度恒定，干球温度高于4℃时，冷却塔热质交换性能的会随着干球温度的升高而降低。此 时干球温度每升高1℃，冷 却塔的相对冷量及相对能耗系数都会降低4%至5%。

参考文献

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