带填料的闭式冷却塔在过渡季运行性能研究

贾改艳 周亚素 张恒钦

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

闭式冷却塔（也称蒸发式空冷器或密闭式冷却塔）是将管式换热器置于塔内，通过流通的空气，喷淋水与循环冷却水的热交换达到降温的效果[1]的一种装置。近几年密闭式冷却塔在电力电子、机械加工、空调系统等行业得到了更为广泛的应用。许多冷却塔设备的设计和提供给用户的设计参数以及热工性能曲线均是以夏季气象条件为依据，湿球温度范围一般在20 ℃到35 ℃，但过渡季及冬季的室外湿球温度可达到15 ℃以下。使用冷却塔夏季运行时的相关样本技术参数，会导致冷却塔在运行时并不能达到预期的制冷效果或者耗能过大，不利于节能[2]。通过查阅相关文献可知，除了冷却塔本身运行参数外，当室外空气湿球温度、干球温度、相对湿度等参数发生变化时，冷却塔自身的热工性能也会发生变化，偏离其设计工况[3]。

本文通过实验来研究冷却塔在过渡季的运行性能，随着过渡季室外干湿球温度的变化，改变冷却水流量、空气流量，分析得出冷却塔在非额定工况下的评价指标[4]变化趋势和性能曲线，调节运行参数使其达到更好的运行效果。

1 冷却塔实验平台及仪器介绍

为确保对闭式冷却塔性能实验研究更为精准，本实验采用东华大学环境学院带填料的闭式冷却塔实验平台，结合恒温、恒湿气候控制室，利用变频技术、智能数据采集技术等展开实验研究，实验模型实物图如图1 所示。

图1 带填料的闭式冷却塔模型实物图

盘管段换热管型采用黄铜光管。盘管簇中单管尺寸结构参数由良机冷却设备有限公司提供的既有塔型进行设计，根据实验室内可用空间及高度设计盘管数量、盘管间距等整体尺寸。表1 为盘管部分结构参数表。

表1 盘管段结构参数

填料是闭式塔中为加强蒸发换热而设置的部分。填料的迎风面尺寸为500 mm×500 mm，组装高度为600 mm。

2 冷却塔传热性能评价指标

2.1 冷却水出口水温及进出口水温差

高温冷却水进塔后，通过换热盘管散热变成低温冷却水出塔。进口水温一定，出口水温越低，进出口温差越大。冷却水进出口温差成为衡量塔性能最直观的参数指标。

式中：Δt 为实际运行时冷却水进出口水温差，℃；tw1为冷却水进口水温，℃；tw2为冷却水出口水温，℃。

2.2 冷却塔的相对冷却量β

随着季节变化引起的室外气象参数变化，冷却塔的实际运行与其夏季情况有不同程度的差异[5]，致使其实际冷量Q 也将不同于额定冷量Q0。本论文使用相对冷量β（实际冷量与额定冷量的比值Q/Q0）这一指标来评价冷却塔实际冷却能力接近额定工况的程度。

式中：β 为冷却塔的相对冷量，%；cpw为水的定压比热，kJ/(kg·℃)；Q0、W0、tw1,0、tw2,0分别为额定工况条件下冷却塔的冷量（kW）、水流量（m3/h）、进口水温（℃）、出口水温（℃）；Q、W、tw1、tw2则为实际工况条件下各对应参数。

2.3 相对能耗系数ω

冷却塔的相对能耗系数ω（实际能耗系数与额定能耗系数的比值）用来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，%；Pa0、Pf0分别为额定工况条件下，冷却塔的风侧能耗（W）、水侧能耗（W）；Pa、Pf则为非额定工况条件下的各对应参数。

3 过渡季与夏季冷却塔性能比较

3.1 过渡季运行参数确定

以上海地区过渡季气象参数作为冷却塔的计算参数。与夏季标准工况下的运行性能比较，分析得出过渡季冷却塔的性能。本实验首先确定了夏季标况的运行的条件，如表2 所示。

通过查阅上海地区全年气象逐时参数，过渡季节3、11 月的室外湿球温度变化范围通常约为6～12 ℃。4、5、10 月的室外湿球温度变化范围通常约为12～18 ℃。关于冷却塔进口水温tw，考虑到冷却塔出口水温一般比空气湿球温度高3～5 ℃，且冷却塔全年运行的进出口水温差一般为Δt=2～5 ℃。因此，依据室外气象条件的不同，将过渡季节分为两个工况：3、11 月按tw=18 ℃。4、5、10 月按tw=23 ℃设定。

表2 夏季标况运行参数

3.2 过渡季与夏季运行结果对比

1）在3、11 月、进口水温为18 ℃时，冷却塔在夏季设计参数时的运行性能如表3 所示。可以看出，随着湿球温度从6 ℃变化到10 ℃，冷却水的进出口温差分别为3.6 ℃、3.1 ℃、2.8 ℃，制冷量及能耗系数分别为夏季额定工况下制冷量及能耗系数的69.9%、60.9%、55.7%。以制冷量为标准，冷却塔在过渡季的性能偏离设计工况5.5 到7 成左右。

表3 夏季额定运行参数在3、11 月实验测试结果

2）在4、5、10 月、进口水温为23 ℃时，冷却塔在夏季设计参数时的运行性能如表4 所示。可以看出，随着湿球温度从12 ℃变化到16 ℃，冷却水的进出口温差分别为3.7 ℃、3.3 ℃、2.9 ℃，制冷量及能耗系数分别为夏季额定工况下制冷量及能耗系数的72.2%、64.3%、62.1%。以制冷量为标准，冷却塔在过渡季的性能偏离设计工况6 到7 成左右。

表4 夏季额定运行参数在4、5、10 月实验测试结果

根据实验发现过渡季使用冷却塔供冷时冷却水供、回水温差最低可以取到2 ℃。可以通过查阅相关的文献[6]拟定冷却塔相对制冷量为50%以上、冷却塔相对能耗系数为50%以上时为冷却塔适宜运行的条件。

4 过渡季变工况冷却塔性能分析

4.1 过渡季（3 月、11 月）工况下冷却塔性能

本小节将在空气干球温度为12 ℃，湿球温度分别为6 ℃、8 ℃、10 ℃时，保持冷却塔入口水温为18 ℃的工况下分别从变风速、变冷却水量2 个方面对冷却塔过渡季（3 月、11 月）性能进行分析。

4.1.1 变风速

图2 为过渡季（3 月、11 月）变风速对冷却塔性能影响。

图2 过渡季（3 月、11 月）变风速对冷却塔性能影响

从图2 可以看出：

1）过渡季变风速引起的进出口温差随着风速的增加而增大且增大幅度随风速的增加而减小。随着风速从1.38 m/s 增加到3.47 m/s，湿球温度分别为6 ℃、8 ℃、10 ℃时，冷却水进出口温差分别从2.2 ℃升高到4.1 ℃、1.8 ℃升高到3.7 ℃、1.6 ℃升高到3.3 ℃。

2）随着进口风速的增加，相对冷量也呈现出上升趋势。这是因为随着风速的增加，单位质量空气处理的水量减小而冷却塔进水量保持不变，所以单位质量冷却水放出的热量就会变大，从而冷却塔的总制冷量上升。当湿球温度分别为6 ℃、8 ℃、10 ℃时，随着风速从1.38 m/s 增加到3.47 m/s，冷却塔的相对冷量分别从0.42 升高到0.79、0.35 升高到0.69、0.32 升高到0.64，湿球温度越低，单位风速的变化引起的相对冷量变化越大。

3）随着风速的增加，冷却塔的相对能耗系数呈减小趋势。随着风速的提高冷却塔的制冷量虽然增加，但是增大风速会造成能耗变大，且能耗增大速率大于制冷量提高速率。当湿球温度分别为6 ℃、8 ℃、10 ℃时，随着风速从1.38 m/s 增加到3.47 m/s，冷却塔的相对能耗系数分别从1.2 降低到0.47、1.1 降低到0.41、1.0 降低到0.38。

在必须满足出口水温、尽量满足其他控制条件的前提下，最佳运行风速为2.18～2.67 m/s。

4.1.2 变冷却水量

图3 为过渡季（3 月、11 月）变冷却水量对冷却塔性能影响。

图3 过渡季（3 月、11 月）变冷却水量对冷却塔性能影响

从图3 可以看出：

1）冷却塔的进出口温差随着冷却水量的增加而降低。在冷却水量由1.22 m3/h 增加到3.60 m3/h 的条件下，湿球温度分别为6 ℃、10 ℃时，进出口水温差分别降低了51.18%、54.09%。说明在冷却水量增加幅度相同时，湿球温度越高，出口水温降低幅度越大。在湿球温度由6 ℃增加到10 ℃的条件下，冷却水量分别为1.22 m3/h、3.60 m3/h 时，系统的出口水温分别降低了20.56%、25.32%。说明在湿球温度变化量相同的条件下，冷却水量越大，系统进出口温差降低幅度越大。

2）冷却塔的相对冷量随着冷却水量的增大而增加，这是因为随着水量的增加，冷却水进出口温差减小，冷却塔盘管内冷却水的平均温度提高，增大了冷却水与空气间的温差，使显热交换量增加，使空气温度升高。温度升高的同时又降低了空气侧水蒸气分压力，对潜热换热量也有一定的增强。在冷却水量由1.22 m3/h 增加大3.60 m3/h 的条件下，湿球温度分别为6 ℃、10 ℃时，相对冷量分别增加了30.10%、38.09%。相对冷量增幅随着湿球温度的增加而增大。在湿球温度由6 ℃增加到10 ℃的条件下，冷却水量分别为1.22 m3/h、3.60 m3/h 时，系统的相对冷量分别降低了21.8%、23.55%，冷却水量越大，系统的相对冷量降低幅度增大。

3）系统的相对能效系数随着冷却水量的升高而增大，水量增加所引起的能耗的增加小于提高风量所引起的能耗。在冷却水量由1.22 m3/h 增加大3.60 m3/h的条件下，湿球温度分别为6 ℃、10 ℃时，相对能耗系数分别增加了22.31%、20.71%。在湿球温度由6 ℃增加到10 ℃的条件下，冷却水量分别为1.22 m3/h、3.60 m3/h 时，系统的相对能耗系数分别降低了20.56%、21.64%。冷却水量越大，能耗系数降低幅度越大。曲线的斜率逐渐降低，说明同一湿球温度下随着冷却水量的增加相对能耗系数增加幅度逐渐降低。

通过上述分析在必须满足出口水温、尽量满足其他控制条件的前提下，最佳运行条件在冷却水流量为2.27～2.81 m3/h 范围内。在变风速调节不能满足指标值的情况下，通过变冷却水量调节可以满足。

4.2 过渡季（4 月、5 月、10 月）工况下冷却塔性能

本节将在空气干球温度为18 ℃，湿球温度分别为12 ℃、14 ℃、16 ℃时，保持冷却塔入口水温为23 ℃的工况下分别从变进风速、变冷却水量2 个方面对冷却塔过渡季（4 月、5 月、10 月）性能进行分析。

4.2.1 变风速

图4 为过渡季（4 月、5 月、10 月）变风速对冷却塔性能影响。

图4 过渡季（4 月、5 月、10 月）变风速对冷却塔性能影响

从图4 可以看出：

1）随着风速的增加冷却水进出口水温差逐渐增加。湿球温度分别为12 ℃、14 ℃、16 ℃时，随着风速从1.38 m/s 增加到3.47 m/s，冷却水进出口温差分别从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，变风速引起的进出口水温差变化速率并不会因为湿球温度的变化而产生较大波动。

2）随着进风速的增加，相对冷量呈现出上升趋势。当湿球温度为12 ℃、14 ℃、16 ℃时，随着风速从1.38m/s 增加到3.47 m/s，冷却塔的相对冷量分别从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，变风速时冷却塔相对冷量的变化受室外湿球温度影响，湿球温度越低，单位质量风速的变化引起的相对冷量变化越大。

3）随着风速的增加，冷却塔的相对能耗系数呈减小趋势。当湿球温度分别为12 ℃、14 ℃、16 ℃时，随着冷却塔进风速从1.38 m/s 增加到3.47 m/s，冷却塔的相对能耗系数分别从1.32 降低到0.50、1.27 降低到0.42、0.96 降低到0.35。以夏季额定风速为标准，风速每增加10%，相对能耗系数分别降低约7.5%、7.5%、5.5%，当风速在2.67～2.18 m/s 这一区间时，风速每降低10%相对能耗系数分别增加约17.2%、16.0%、18.3%，在2.18～1.38m/s 这一区间时风速每降低10%，相对能耗系数分别增加约9.6%、10.3%、5.6%。

必须满足出口水温、尽量满足其他控制条件的前提下，最佳运行风速在2.18～2.67 m/s 的范围内。

4.2.2 变冷却水量

图5 为过渡季（4 月、5 月、10 月）变冷却水量对冷却塔性能影响。

图5 过渡季（4 月、5 月、10 月）变冷却水量对冷却塔性能影响

从图5 可以看出：

1）当冷却水量增大时，冷却塔进出口水温温差随之减小，但减小幅度随着冷却水量的增大而减缓。当湿球温度分别为12 ℃、14 ℃、16 ℃时，以夏季额定冷却水量2.27 m3/h 为参照基准，冷却水量每减少10%，冷却塔进出口温差分别上升9.5%、8.8%、7.5%，冷却水量每增加10%，冷却塔进出口温差分别下降5.6%、5.2%、5.6%。

2）当冷却水量增大时，冷却塔相对冷量均随之增大，但增加幅度随着冷却水量的增大却不断下降。湿球温度分别为12 ℃、14 ℃时，冷却水量由1.22 m3/h 增至2.27 m3/h，相对冷量分别增加了17.7%、17.0%，而当冷却水量由2.27 m3/h 增至3.60 m3/h 时，相对冷量分别增加了7.6%、9.0%。

3）当冷却水量增大时，相对能耗系数均随之增大，但增加幅度随着冷却水量的增大却不断减小。湿球温度分别为12 ℃、14 ℃时，冷却水量1.22 m3/h 增至2.27 m3/h，相对能耗系数分别增加了0.13、0.14，而当冷却水量由2.27 m3/h 增至3.60 m3/h 时，相对能耗系数分别增加了0.06、0.08。

通过上述分析在必须满足出口水温、尽量满足其他控制条件的前提下，最佳冷却水流量在2.27～2.81 m3/h 范围内。在变风速调节不能满足指标值情况下，通过变冷却水量调节可以满足。而且此时的室外气象参数已经比较接近夏季，在有些工况下，即使不进行调节，也可以达到要求的指标范围。

5 结论

1）过渡季节3 月、11 月冷却塔性能偏离设计工况5.5 到7 成左右。在4、5、10 月冷却塔性能偏离设计工况6 到7 成左右。冷却塔的制冷量可以通过提高冷却塔进风速或者增加冷却水进水量来增加，但相应的会分别带来能耗系数降低、出口温度升高的的不利影响。

2）在过渡季节（3、11 月）时，冷却塔可根据主要评价条件的不同调整冷却塔进水量及进口风速，此时冷却塔可以满足制冷要求。在过渡季（4、5、10 月）时，由于室外温度相对较高，此时通过变风速调节冷却塔性能代价很高，在该类气象条件下运行冷却塔经济性相对较差。

3）当过渡季所需制冷量不大时，建议优先采用变水量调节，变水量所对应的能耗系数分别为比变风速下的能耗系数提高了约5%。

4）当室外湿球温度处于过渡季节内相对较低的水平，如湿球温度为6 ℃、8 ℃时，建议进行变风量调节，在提高冷却塔相对冷量的同时满足其相对能耗系数不低于预期水平。