湿式冷却塔收水器的研究进展

李治洁，张连强，李 雪，王印忠，尹建华

(自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

冷却塔是一种将发电循环、冷冻循环、空调制冷循环等过程中产生的废热排放到空气中的常用散热设备[1-5]，主要分为湿式冷却塔和空冷塔两大类。湿式冷却塔利用热水与空气直接接触蒸发散热，散热性能主要与进塔空气湿球温度和冷却塔特性相关。空冷塔主要通过间壁式换热器，将热水中的热量通过换热板片或换热管散到空气中，散热性能主要与空气干球温度和传热原件性能相关。湿式冷却塔具有换热效率高，占地小，投资成本低，易于维修等优点，按照空气流动动力来源可分为机力塔和自然塔两大类。机力塔使用风机驱动空气在冷却塔内流动，多用于空调、石油、化工等冷却系统。近年来，随着热泵技术在我国北方采暖季的推广，为了克服室外蒸发器结霜问题，机力冷却塔逆用做热源塔技术也逐步推广[6]。自然塔利用冷却塔进出口空气密度差作为空气流动动力来源，塔型多为双曲线型，主要用于火电、核电等冷却系统。湿式冷却塔内部核心的塔芯构件有收水器、淋水填料及喷头(见图1)等。

图1 湿式冷却塔示意图Fig.1 Schematic diagram of wet cooling tower

在湿式冷却塔中，待冷却的热水被喷头喷洒到填料表面，与逆流而上的空气接触进行直接接触换热，冷却后的凉水通过塔底收集池重新泵入循环系统中。空气自下方(逆流塔)或侧面(横流塔)进入冷却塔，在填料区域完成换热后变为湿热空气，经塔顶排放到周围环境中。在塔顶排出的湿热空气中夹带着部分循环水小液滴称为飘滴。飘滴不仅浪费了宝贵的水资源，其中含有的杂质、盐分、细菌等物质还会对设备、管路、建构筑物及动植物带来伤害。其中最严重的威胁是冷却塔中温暖、潮湿环境易滋生的军团菌类病原体[7]，这些病原体飘散到周围环境中，对人类健康产生潜在威胁。在使用海水为散热介质的冷却塔中，飘滴中含有的盐分会造成冷却塔周围盐沉积，腐蚀设备管路，影响周围动植物生存[8-12]。介于此，为了监测飘滴状况，各国都建立了冷却塔飘滴的测试标准(见表1)，作为冷却塔性能评价的重要指标。

为了解决飘滴问题，自20世纪50年代以来，冷却塔喷头(布水器)上方开始设置收水器(又称除水器)来回收飘滴，减少对动植物、建构筑物、设备和环境的影响并节约水资源。作为解决飘滴问题的关键部件，收水器技术已经取得了巨大进步。早期收水器多采用木板条和石棉水泥制作，笨重、占用空间大且加工不便，现在商用收水器普遍采用轻便、廉价、耐腐蚀的PVC或玻璃钢材质制作。收水器的构型也由早期的人字形等低效高压降结构发展成目前常用的波形、弧形和蜂窝形结构。通过设置收水器，工业冷却塔的行业飘水率已经由0.01%降至0.000 5%[13]，节水和环保效果显著。

表1 各国冷却塔飘滴测试标准Tab.1 National standard for drifting test of cooling tower

目前,商用收水器技术主要由国外大型冷却塔公司开发和推广。国外研究机构主要包括美国麻省理工大学能源实验室、西班牙米格尔·埃尔南德斯大学和美国冷却塔协会等。国内主要研究机构包括自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所、西安热工研究院、上海理工大学等。以前，国内对于飘滴的影响重视程度较低，收水器的研究较少。近年来，随着国内对于环保和节水问题的重视，收水器的研究正逐渐兴起。但是至今还没有一篇论文总结冷却塔收水器的研究进展，文章填补了这方面的空白。

1 收水器内部气液两相流动研究

折板型收水器由于加工简单，成本低，效果好，是目前应用最广泛的收水器，文章主要介绍折板型收水器的研究情况。循环水小液滴随着湿热空气上升运动的过程中，在收水器内部的狭窄通道中突然转向，由于惯性作用，液滴不能迅速随着湿热空气转向，而是继续按原路径上行，撞击到收水器通道壁上，形成液膜，回流到冷却塔中。因此，收水器内部气液两相流动的研究涉及液滴粒径分布、气流/液滴流动、液滴与液膜作用、液滴再夹带等诸多方向。

1.1 液滴粒径分布

进入收水器的液滴由湿热空气夹带上升，因此液滴的直径受淋水填料液膜特性(液膜厚度及温度)和空气特性(气速及空气温湿度)影响，粒径变化范围较大。在早期的研究中，粒径测量多采用直接接触测量的方法：例如层叠撞击器、明胶覆盖的载玻片及水敏纸显色等。由于接触式测量将会对空气/液滴流动造成影响，影响测量精度。非接触式的激光测量技术，能提供更为准确的粒径数据，通过分析进出收水器前后的粒径变化，可以计算出液滴的分离效率。由于非接触式激光测粒径设备尺寸及应用环境的限制，该方法通常测试实验室中模拟状态下收水器的液滴粒径，忽略实验传热过程，测得粒径范围与工业使用收水器中液滴粒径存在一定偏差。冷却塔飘滴粒径范围在几微米到几百微米之间，100 μm以上大液滴虽然数量较小，但是质量比例较高，通过设置收水器可以将回收大部分液滴，飘滴粒径控制在数十微米以下。Chan等[14]使用激光散射技术测得的液滴直径范围为10 μm～150 μm，Araneo[15]使用激光多普勒测速和激光相位多普勒(LDV+PDA)结合技术测得无收水器情况下液滴直径范围为50 μm～850 μm，算数平均直径为123.7 μm，通过设置收水器，飘滴直径范围变为50 μm～40 μm，算数平均直径变为26.9 μm。

Ghetti[17]使用马尔文粒度仪测试了6种商用收水器的进出口出粒径情况，液滴粒径范围在2 μm～30 μm之间，实验结果显示收水器的液滴收集效率与气速和液滴粒径密切相关。

不同的测试方法测得的飘滴粒径略有差异，一般认为设置收水器，飘滴得到控制的冷却塔飘滴在100 μm以下。在收水器CFD模型建立中，液滴粒径是模型建立的基本边界条件，现有模型多采用Phillips[18]和Galletti[17]的实验数据作为模型液滴边界条件和验证数据。

1.2 气流/液滴流动

收水器内部气液流动及液膜是影响液滴收集效率关键因素，也是收水器研究的重点。由于收水器内部气/液流动的复杂性，液滴体积小，探测设备可能对气液流动产生影响等因素，早期的实验研究主要集中在宏观性能参数，如压降、容量、抗堵塞或污垢能力，以及整体收水效率等。对于收水器内部气/液两相流动的研究主要采用烟雾示踪和摄像结合的方法。Foster[19]等采用烟雾示踪的方法研究了木板条收水器和波纹石棉—水泥收水器内部的流动情况。Becker和Burdick[20]通过烟雾可视化方法研究了两种横流塔收水器(T型和Z型)对冷却塔集气室内空气流动形态的影响。由于烟雾对环境污染和人体健康不利影响且分辨率较低，已经逐渐被非接触式激光测量方法取代。

随着计算流体力学理论的发展和计算机性能的提高，越来越多的科研人员采用数值模拟或数值模拟与实验相结合的方法研究收水器内部两相流动，揭示收水器气液两相流场，使研究人员对收水器内部气/液两相流动的认识提高了一个层次。该类模型[21-30]多采用欧拉—拉格朗日模型，忽略液滴重力和液滴间相互作用，以曳力作为液滴运动主要作用力。研究人员根据模拟结果对收水器结构进行优化，显著提升了收水器性能。

在收水器的模型建立中，由于液滴粒径较小，通常忽略液滴重力影响，仅考虑液滴惯性与气流曳力对液滴运动及其捕获的影响。因此，收水器的CFD模型研究多基于牛顿第一定律与曳力结合，通过适当简化，分析液滴的运动和收集效率。同时，所有模型都忽略了液滴在收水器中的传热和蒸发冷凝过程，将液滴假设为粒径不变的粒子，这显然与实际情况不符。另外，现有模型多是针对某种特性收水器构型的模拟研究，由于粒径数据缺乏，对收水器收水效率性能有关键影响的粒径数据普遍来源于有限个忽略传热特性的小型实验装置，也导致了模型结果偏差。因此，基于正常工作状态下实际使用冷却塔中飘滴粒子粒径的准确测量，将是提高模型准确性的重要方向。文献中典型收水器数值模型见表2。

表2 文献中典型收水器数值模型Tab.2 Numerical model of typical eliminator in literature

续表2 (Continue)

1.3 液滴与液膜作用

(1)

(2)

2 收水器压降和收水效率实验研究

2.1 收水器压降与收水效率实验研究

收水效率和压降是评价收水器性能最重要的两个指标，也是收水器产业化应用的基础数据。压降是进入和离开收水器的压力差。收水效率是收水器收集的液滴的质量与进入收水器的液滴总质量比值，收水效率还可采用飘滴损失与循环水流量的比值(整塔飘水率)表征。收水器试验通常使用微压计测量压降，收水效率测量有多种方法，当飘水率较小时，通常采用水敏表面技术；当飘水率较大时，常采用等速质量取样和化学平衡法。考虑到环保和节水的要求，收水效率越高越好，但是一般压降也越大。因此，收水器内部气液两相流动研究的重点是如何在尽量低的压降下，实现最高收水效率。通过实验研究，可以得到弯曲数量、弯曲角度、板间距、连续弯曲长度等几何参数对压降和收水效率性能的影响。早期的收水器测试实验[36-38]主要关注收水器压降和收水效率能否满足设计要求，为推广提供依据，现在[39]多侧重于压降和收水器的特征与收水器构型、参数之间的内在联系，来实现收水器优化。

2.2 收水器压降与收水效率关联式

收水器的压降与几何结构、流体密度、粘度和平均气速等因素相关，通常由一个阻力系数来表征除速度和密度之外影响因素。

(3)

收水器的液滴收集效率与离心力和惯性显著相关。因此，液滴直径、液滴密度、空气粘度、速度及几何结构对收水效率起决定性影响。通常采用无量纲的斯托克斯数St(液滴特征时间与障碍物特征时间之比)关联收水效率：

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通过实验或CFD模拟归纳出经验公式，为收水器的设计选型和应用提供了关键数据，扩大了收水器不同应用环境中针对性设计的可能性，常用的效率关联公式如表3所示。

表3 文献中典型公式Tab.3 Typical formula in literature

2.3 收水器设置对机力冷却塔性能影响

一般认为，收水器的设置将导致冷却塔的压降额外增加，能耗增加，同时还会使冷却塔换热区域增加，对冷却塔的总体换热性能产生影响。B.R.Becker[44]通过实验研究了T型和Z型收水器对冷却塔性能的影响。结果显示T型收水器有助于增强风机系统性能和冷却塔热力性能，而Z型收水器恰恰相反。T型收水器的最佳角度是45 °。笔者认为收水器的性能评价应考虑整个冷却塔的性能表现，才能得到正确的结果。Manuel Lucas[46]等使用截面0.7 m×0.48 m的机力模拟塔研究了不同配水系统和收水器对热力性能的影响。笔者认为收水器设置增加了压降，但是不一定降低冷却塔的热力性能，因为收水器的存在增加了额外的填料换热区域。

3 改进型收水器

冷却塔出口处湿热空气夹带循环水小液滴飘散到外界环境中形成飘滴，飘滴仅占冷却塔耗水的一小部分，湿热蒸气中携带水份是冷却塔耗水的主要部分，因此兼具回收湿热空气中的水蒸气和飘滴液滴的收水器[46]更具有节水意义。与普通收水器相比，该类多功能收水器增加了空气换热器进行水蒸气冷凝，进而实现回收。

对于某些特殊场合应用的收水器(除沫器)，对细小液滴的脱除有特殊要求，依靠普通折板型收水器惯性去除原理难以解决部分细小液滴夹带和逃逸的问题，Xu等[48]使用CFD模拟和实验方法研究了一种带有多孔介质加强的收水器叠加通道壁过滤作用，提高小液滴的去除效率。

自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所自主开发的SW-145海水冷却塔专用收水器，采用耐海水材质，孔窝三维结构，在大型机力通风海水冷却塔中，海水冷却塔的飘水率控制在系统循环量的0.002%以下，对海水冷却塔飘滴盐沉积有较好的控制效果。

4 收水器发展面临的挑战

收水器压降导致的能耗增加是收水器研究中亟待解决的问题，自然塔对收水器压降的增加更加敏感。随着自然通风海水冷却塔的应用推广，专用的海水冷却塔收水器将是解决飘滴盐沉积的重要手段。多功能收水器可以实现回收水蒸气中的水分，但是也将占用冷却塔内部空间，造成压降增加。

总体而言，国内冷却塔收水器的研究与国外有较大差距，特别是海水冷却塔专用收水器研究。由于国内对于冷却塔飘滴特别是海水冷却塔飘滴引起的盐沉积问题普遍重视程度不够，对海水冷却塔特殊性认识不足，多数企业采用普通淡水冷却塔收水器控制海水冷却塔飘滴，导致海水冷却塔盐沉积问题；对于海水冷却塔环境影响缺少评价依据，海水冷却塔飘滴数值无强制性规定，企业只能通过增加周边设备防腐而非从收水器控制飘滴角度解决盐沉积问题；冷却塔收水器研发力量不足，至今未建立起完整的收水器研发、测试、产业化全产业链研发体系，研发人才和资金匮乏，研发力量较弱；冷却塔设计加工企业倾向于使用多年前的老旧收水器设计，不能适应新情况下冷却塔的应用需求。

5 结语与展望

收水器的设置显著降低了冷却塔飘滴现象，减少了冷却塔对周围环境动植物、设备、建构筑物的影响，节约了大量水资源。如今，耐腐蚀，轻便，成本低廉的PVC材质成为冷却塔收水器的主流材质。随着计算流体力学及测试技术的发展，通过CFD模拟和各种实验方法，对于收水器内部气液两相的流动理解更加深刻，基于内部流场的针对性优化使压降和收水效率得到了更好的均衡，未来将会有更多更好的收水器产生。收水器发展面临的主要困境是随着海水冷却塔收水器广泛应用，基础研究和飘滴盐沉积问题重视不够阻碍海水冷却塔专用收水器的发展。为了解决这些问题，需从环境影响基础研究入手，逐步推进相关标准编制，使企业认识到海水冷却塔收水器的特殊性，采用海水冷却塔专用收水器。对于收水器的研究将更侧重与整个冷却系统配合的综合表现出发，实现系统最优化。针对自然塔、横流塔、逆流塔、海水冷却塔的等专用领域的收水器将会有针对性研究，实现特殊场合的最佳应用。收水器向节水消雾等多功能领域发展将是一个重要研究方向，在湿式冷却塔在高效、低成本传热的同时，实现节水或淡化海水的目的，同时实现低品位废热的高效利用。收水器的设置是冷却塔发展史上的一个重要事件，它代表了人类对于节水和环保的重视，人与自然和谐相处的一种理念，极大的推动了冷却塔技术的推广，未来将继续为冷却技术发展提供助力。