冷却水流向对干湿串联的冷却塔性能影响研究

王宇彤周亚素张恒钦查小欢

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

干、湿串联运行复合式冷却塔最早运用于工业[1-2]，处理的冷却水水温较高，广泛用于炼油、化工、动力、冶金行业，是一种具有显著节能节水效益的换热设备[3]。工业上使用的这种组合式冷却塔由于处理的水温较高，普遍没有设置淋水填料。由于淋水填料可以增加空气与水的换热能力，因此，本文研究一种有淋水填料的干湿组合式冷却塔在处理冷却水温度40%℃以下时的工作性能。

目前对于有淋水填料的组合式冷却塔工作性能也有一些学者进行了研究，山东建筑大学房大兵[4]在2012年进行了干、湿串联运行组合式闭式冷却塔的理论模拟及性能分析，得出空气流量的增加使冷却能力增强，但会导致出口湿空气的含湿量有所降低的结论。庄亚男[5]用实验方法研究串联逆流流向时截面风速对于复合式冷却塔换热性能的影响，并与闭式冷却塔进行对比试验，得出最佳截面风速为3.5m/s，与传统闭式冷却塔相比，复合式冷却塔换热性能最多可提升52%。关于冷却水流向问题的研究，丁枭[6]在2015年理论计算和实验验证顺流流向带填料喷淋的闭式冷却塔时冷却效率优于逆流。针对流向对冷却塔换热性能的影响，本文通过实验研究顺流流向时干湿串联冷却塔的换热性能，并研究冷却水流向对换热性能的影响。

1 干湿串联冷却塔实验平台与工况设置

干湿串联式冷却塔其结构示意如图1所示，利用人工气候室保障环境的温湿度，设置冷却塔的标准工况干球温度31.5℃、湿球温度28℃的环境温度。利用恒温水箱控制冷却水进口温度37℃。实验采取顺流流向，指空气自下而上被风机抽出，冷却水经过干区翅片管后，在湿区，下进上出，与空气流动方向相同，即冷却水先从上进入干区翅片管，与翅片管外的空气进行换热，然后进入下部在喷淋水作用下的湿区光管，从最下面一层光管进入，最上面一层光管流出，与管外水膜进行换热使温度降低。空气从光管下部进入，先经过湿区光管及填料区吸热蒸发再进入干区翅片管区进一步吸热，同时空气中未蒸发的水滴继续吸热蒸发，使出口空气温度升高，湿度降低。逆流流向，即冷却水先从上进入干区翅片管，然后在湿区与顺流相反，从上进入光管，从下流出。

图1 复合式冷却塔模型

2 实验研究及结果分析

2.1 实验仪器

为使得试验工况持续稳定，须对冷却水进口水温进行控制，使得进口水温恒定。因此该水箱采取恒温措施，加热方式为“U”型浸入式电热管加热。设定水箱温度保持在37±0.5℃，同时根据不同的测温要求，需要选用不同形式的温度计，温度传感器的精度均为0.01℃。用于不锈钢管里流动的水时，采用内螺旋探头式温度计。用于测量各进出口空气时，采用普通悬挂式温度计。测喷淋水温度时，采用贴壁式温度计。由于需要测量冷却水流量，采用国外引进的智能电磁流量计，利用TSI9565多参数通风表获取包括风速、温度、相对湿度等参数。

2.2 截面风速对冷却水冷却温降及能耗影响

实验中冷却水处理流量为2m3/h，管内冷却水进口温度设置为37℃，进口空气干球温度为31.5±0.5℃，湿球温度28±0.5℃，管外喷淋水量为3.5m3/h，为了观察截面风速变化对这种干湿复合式冷却塔换热性能的影响，实验中控制空气流速范围是1～4.5m/s。为了比较冷却水在顺流与逆流流向下性能的差别，实验也研究了冷却水流向的变化对性能的影响，在翅片管的干区、喷淋水作用下湿区的温降随截面风速的变化如图2所示。

图2 复合式冷却塔温降随截面风速变化

图2表明，干湿串联冷却塔无论是顺流还是逆流，其冷却水温降都随着空气截面风速先增加后减小的现象。在风速为3.5m/s时，冷却水的温降达到最大值。湿区的温降都大于干区的温降，占总温降的63.47%～77.06%。

顺流流向时，对于干区，其温降随风速增加先增加后减小。截面风速由1m/s上升至3.5m/s时，随着截面风速增加，管外空气的对流换热系数增加，从而使对流换热量增加，在干区冷却水的温降由1.087℃上升至2.024℃。但风速大于3.5m/s后，随着风速增加，在翅片作用下反而形成涡流，引起对流换热减弱，从而使温降逐渐减小。

对于湿区，随风速增加，湿区温降先增加后减小。顺流流向，截面风速过小时，气水比过小，蒸发量受到空气流量小的限制，换热较少。截面风速由1m/s上升至3.5m/s时，随着截面风速增加，对流换热量增加，湿区温降由2.193℃上升至4.087℃，但风速大于3.5m/s后，湿区空气与循环喷淋水进行接触换热，空气流速越大，流量越大，所能带走的热量越多，由于空气流速增大使得空气与喷淋水的接触时间不够充分，因此蒸发换热不充分，故而随着风速增加，温降不再增加，相反逐渐减小。综合考虑上述因素，干湿串联型冷却塔存在一个最佳截面风速即3.5m/s，使得其换热的性能最佳。

同时，改变流向，其温降有所变化。相等运行参数下进行逆流流向实验。对比所得，截面风速由1m/s至4.5m/s，顺流流向冷却塔温降均大于逆流流向温降，其中干区流向相同，其温降基本一致。湿区顺流时冷却水与空气流向相同，与喷淋水流向相反，其换热更加充分，从而导致温降处理量，顺流流向大于逆流流向。

综上，复合式冷却塔在截面风速为3.5m/s时，综合换热效果最佳，此时上部翅片管区的干式换热与下部光管区的湿式换热均对复合式冷却塔的换热量均有重大贡献，顺流流向时干区处理温度达总处理温度的37.74%，逆流时达34.06%。无论截面风速的取值，顺流流向温降处理量均大于逆流流向温降处理量，其中干区温降基本一致，湿区温降，顺流流向均大于逆流流向。

图3 复合式冷却塔干、湿区的空气流动阻力随截面风速变化

干式换热增加冷却塔的换热性能的同时也增加了能源消耗，翅片管的存在会使得空气流动阻力增加。图3为复合式冷却塔干、湿区空气流动阻力随截面风速变化图。

由图3可知，干、湿区空气流动阻力均随风速增加而增加，湿区的空气流动阻力均大于干区的空气流动阻力。顺流流向时，截面风速由1m/s上升至4.5m/s，复合式冷却塔干区空气流动阻力受到翅片管结构的影响由1.4Pa上升至22.3Pa，湿区空气流动阻力是由与空气逆向而行的喷淋水的阻挡造成，由5.2Pa上升至29.3Pa。同时，受到喷淋水的影响，流向对于湿区空气阻力影响并不大，对于干区空气阻力，顺流流向大于逆流。

冷却塔水阻力仅与冷却水流量和流程有关，与空气流量无关，故水侧阻力不随截面风速改变而改变。顺流流向时，水侧总阻力45 kPa，干区25 kPa，占总阻力的55.56%，湿区20 kPa，占44.44%。逆流流向时，水侧总阻力25 kPa，其中干区14 kPa，占比56%，湿区11 kPa，占比44%。故不同冷却水流向时，干湿区冷却水阻力占复合式冷却塔总冷却水阻力无明显变化。冷却水流向仅对总冷却水阻力有影响，顺流流向大于逆流20 kPa，占顺流冷却水阻力的44.44%。

2.3 喷淋密度对冷却水冷却温降及能耗的影响

喷淋密度指本试验装置冷却塔横截面每1m2的喷淋水量，相比喷淋水量，喷淋密度参数更具普遍性。为了研究喷淋密度对于复合式冷却塔的性能影响，选择标准冷却塔工况，进口空气干球温度为31.5±0.5℃，湿球温度28±0.5℃，设置管内冷却水进口温度为37%℃，流量为2m3/h，选取最佳截面风速3.5m/s，喷淋密度变化范围是8～16m3/(m2·h)，进行复合式冷却塔冷却水出口水温对比以及能耗对比。图4为截面风速为3.5m/s，复合式冷却塔干、湿区温降随喷淋密度变化。

图4 复合式冷却塔的温降随喷淋密度变化

由图4可知，随着喷淋密度的增加，能够处理的冷却水总温降基本逐渐增加。顺流流向，喷淋密度由8m3/(m2·h)上升至 14m3/(m2·h)时，喷淋密度逐渐增大，空气能够与越来越多的喷淋水进行热湿交换，温降增大，总温降由4.733℃上升至5.942℃。干区温降由1.893℃上升至1.924℃，喷淋密度对干区影响很小，湿区温降由3.022℃上升至3.987℃。当喷淋密度大于14m3/(m2·h)后，随着喷淋密度增加，管外喷淋水膜厚度的随之增加导致水膜传热热阻增加，对传热造成不利影响，也会增加风阻，温降不再增加，相反逐渐减小。

同时，改变流向，其温降有所变化。相等运行参数下进行逆流流向实验。对比所得，喷淋密度由8m3/(m2·h)至16m3/(m2·h)，干湿区温降处理量及总温降处理量，顺流状态均大于逆流状态，顺流流向换热性能优于逆流流向6.7%～15.4%。原因是顺流流向冷却水与空气流向一致，与喷淋水流向相反，因此换热更加充分，换热效果更好。

由图5可知，干湿串联型冷却塔干区和湿区的空气流动阻力随喷淋密度增大而增大。主要原因在于喷淋水量增大时，与空气接触摩擦增大，导致冷却塔的空气流动阻力随之增大。由图6可知，喷淋密度由8m3/(m2·h)上升至 16m3/(m2·h)时，喷淋阻力由0.29MPa升至0.5MPa，喷淋水阻力随喷淋水量增大而增大。冷却水流向对于不同喷淋水量，阻力不发生改变。

图5 复合式冷却塔的空气流动阻力随喷淋密度变化

图6 复合式冷却塔的喷淋水阻力随喷淋密度变化

3 结论

实验分别控制喷淋密度和截面风速，探究换热性能及能耗的影响因素，并做对比试验分析冷却水流向对于冷却塔换热性能及能耗的影响，得出以下结论：

1）顺流流向与逆流流向干湿串联型冷却塔的换热性能均受截面风速影响较大。在截面风速1～3.5m/s范围内，串联型复合式冷却塔的温降，即其换热性能，随截面风速增大而增大，干、湿区换热效果均在截面风速为3.5m/s时达到最佳，因此复合式冷却塔的综合换热效果在截面风速为3.5m/s时达到最佳。与逆流流向相比，最佳截面风速一致，不同风速下的换热性能，顺流流向均优于逆流。

2）喷淋密度对复合式冷却塔的干区换热性能几乎没有影响。喷淋密度在 8m3/(m2·h)至 14m3/(m2·h)之间，湿区换热随喷淋密度的增加而增强，在14m3/(m2·h)时，复合式冷却塔的综合换热效果达到最佳，为最佳喷淋密度。与逆流流向相比，最佳喷淋密度一致，不同喷淋密度下的换热性能，顺流流向均优于逆流。

3）顺流流向与逆流流向相比较：换热性能方面，不同截面风速与喷淋密度下，冷却水与空气顺流流向时，由于冷却水与喷淋水方向相反，而冷却水热量主要在喷淋水作用下被带走，故顺流流向干湿串联型冷却塔换热性能优于逆流6.73%～15.48%。能耗方面，对于复合式冷却塔水侧阻力，顺流流向较高逆流44.44%。对于空气侧阻力，顺流流向时空气阻力较高逆流8%～27%，改变喷淋密度时，顺流流向与逆流流向的空气侧阻力基本一致。能耗阻力与塔型管道配置关系密切，可在今后结构优化中进一步改进。优先考虑换热性能时，干湿串联型复合式冷却塔建议顺流运行。

[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]陈良才,杨博,朱晓明,等.组合式空冷器风量需求规律[J].华中科技大学学报:自然科学版,2011,39(11):129-132.

[4]房大兵.干盘管与湿盘管组合式闭式冷却塔的结构设计及性能分析[D].济南:山东建筑大学,2012.

[5]庄亚男.复合式冷却塔工作性能实验研究[D].上海:东华大学,2016.

[6]丁枭.填料加盘管型闭式冷却塔冷却性能的理论分析与实验验证[D].上海:东华大学,2015.