露点间接蒸发冷却塔实验研究

朱汉成，王泉海，卢啸风，范旭宸

(重庆大学 低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044)

目前，电厂节能降耗改造主要集中在3大主要设备及其控制系统，已取得了显著成效，但对电厂其他辅助设备的节能降耗改造，并没有投入过多关注。火电机组能量转换过程中汽轮机冷源热损失是火电机组损失中最大的一项，如超超临界机组冷源损失超过45%。冷却塔的冷却水出口温度越低，汽轮机背压越低，冷源损失越低。然而，长期以来电厂对冷却塔缺乏重视，对冷却塔维护和节能优化改造投入不多，导致冷却塔随着运行时间增加冷却能力降低，出口水温增高，从而使凝汽器真空度降低，冷源损失增加，发电煤耗增加，经济性降低[1-2]。以600 MW机组满负荷运行为例，冷却塔出口水温上升一度，机组热耗率增加21.09 kJ/(kW·h)，发电煤耗增加0.8 g/(kW·h)，机组年可利用时间按4 300 h计算，每年标准煤增加2 604 t，仅此经济损失约达104 万元(煤价按400 元/t)[3]。因此提高冷却塔性能十分必要。

冷却塔传热传质主要在喷淋区、填料层和雨区进行。由于冷却过程中换热量的60%～70%在填料层进行[4-5]，所以冷却塔的性能优化改造主要集中在如何增强填料层冷却能力，提高传质系数。传统冷却塔循环水冷却的物理极限是环境空气的湿球温度。国外学者提出一种基于M循环原理的新型冷却塔优化技术，对进入冷却塔的空气进行等湿冷却，湿球温度随之降低，从而降低冷却塔的出口水温，提高冷却塔的冷却能力，理论上能使循环水冷却到空气露点温度，2016年electric power research institute(EPRI)首先将露点间接冷却技术用于冷却塔实验，以金属换热板作为填料，以实现将循环水冷却至更低温度。EPRI通过实验研究发现淋水密度小于4.16 t/(m2·h)时可实现亚湿球温度的冷却，其湿球效率大于100%，但填料在淋水密度较大时干湿通道之间会出现水气泄漏，水分进入干通道使空气湿度变化导致空气冷却能力变差从而无法实现亚湿球温度冷却[6]。

1 M循环原理介绍及发展现状

1.1 M循环原理

2003年，Valeriy M提出Maisotsenko循环(简称M循环)[7]，该循环无需额外机械制冷，能将被冷却介质温度降低至空气湿球温度以下，理论上的冷却极限为空气露点温度。M循环原理及温-湿图如图1所示，M循环由干、湿2种相互隔开的主要通道组成，湿通道的水膜是由布置在湿通道壁面上饱和的吸水材料形成。

图1 M循环原理(a)及温-湿示意图(b)

首先环境中进口空气1流入干通道，由于干湿通道之间存在温差，干通道中空气将其显热传递到湿通道，被等湿冷却到出口空气2。干通道出口空气部分作为产出空气排出，部分进入湿通道中作为工作空气。工作空气与湿通道壁面上水膜直接接触进行蒸发换热，沿着流动方向不断升温饱和，工作空气成为饱和空气3后排向外界。由于空气在干通道中被等湿冷却，工作空气干球温度下降，同时湿球温度下降，湿通道中进行蒸发冷却，其冷却极限温度为工作空气的湿球温度，从而使其突破传统蒸发冷却极限，将空气冷却到低于环境空气的湿球温度，理论上极限为环境空气的露点温度[8-13]。

1.2 露点间接蒸发冷却技术发展现状

基于M循环原理利用水蒸发冷却能将待冷却介质冷却到接近露点温度的冷却技术称之为露点间接蒸发冷却。国内关于露点间接蒸发冷却技术的研究相对较少，还处在研究阶段，尚未大规模应用，而国外关于露点间接蒸发冷却的研究相对较早，己经有较为成熟的理论计算模型和实验研究。目前，国内外获取低温空气的研究主要集中空调制冷领域。基于此，将露点间接蒸发冷却技术应用于冷却塔，进一步降低冷却循环水温。然而，由于用途及结构差异，空调领域的研究成果不能直接应用于冷却塔，需要对M循环进行优化，应用于冷却塔的露点间接蒸发冷却技术原理图和温-湿图如图2所示。湿通道的水膜由与空气逆向流动的循环水构成。进口空气流入干通道，在干通道等湿冷却到2点，此时，空气温度T2低于空气湿球温度Twb，冷却后空气全部进入湿通道。循环水与预冷后的空气在湿通道内进行蒸发换热。

图2 露点间接蒸发冷却塔原理图(a)和温-湿示意图(b)

传统湿式冷却塔水冷却的物理极限是环境空气的湿球温度，而要将水温继续降低，按照传统理论是无法实现的。露点间接蒸发冷却塔因为进入湿通道参与蒸发换热的空气已经被预冷，湿球温度下降所以冷却极限下降，可以将循环水冷却到环境空气湿球温度以下。

本文采用固定管板作为填料，空气和冷却水分别在管束内、管束外流动，形成干湿通道，从而形成在填料内实现露点间接蒸发冷却。实验验证该填料在较高淋水密度时能否实现亚湿球温度冷却将循环水冷却至空气湿球温度以下，同时研究气水比、进口空气干球温度、进口空气相对湿度和进口水温对冷却塔湿球效率和出口水温的影响，为露点间接蒸发冷却技术工业化应用提供重要基础数据和技术支撑。

2 实验系统及测量系统

2.1 实验系统

基于M循环的露点间接蒸发冷却塔实验系统简图如图3，实验系统由实验台本体、供风系统和供水系统组成。实验台实物如图4所示，实验台本体采用固定管板作为填料冷却单元，如图5所示。固定管板填料由固定板上错列方式布置的410根管束与固定板构成，填料层高为1.5 m，长为0.5 m，宽为0.5 m，为了冷却塔安装和拆卸方便，将填料层平分为3个高0.5 m的冷却单元，固定管板的开孔率为18.5%。固定管板填料具有结构简单，材质适用范围广、密封性好、阻力较小的优点。

1.燃气锅；2.板式换热器；3.抽水泵；4.蓄水池；5.离心风机；6.布水装置；7.填料；8-12.测点

图4 实验台实物示意图

图5 固定管板填料冷却单元示意图

填料管间为湿通道，管内为干通道，首先，循环水经过实验台顶部的布水装置6均匀喷淋进入湿通道进行流动蒸发换热，空气流程如图3中虚线所示，其次，空气依次折返流经填料上部和下部干通道并被预冷，然后从填料底部进入湿通道参与蒸发换热，最后从实验台顶部排出。

供风系统由额定风量2 500 m3/h的变频离心式风机送风。供水系统由热水供应系统、变频水泵、布水系统、蓄水池组成。额定功率为320 kW 的燃气热水锅炉通过板式换热器预热循环水，后经布水系统均匀进入实验台本体进行冷却，冷却后的水下降并积蓄在蓄水池内，由水泵经板式换热器输送至实验台顶部布水系统构成闭式循环。布水系统由“工”字型分水管组成，喷头安装在其4个端点处，通过调整喷头的方向及角度帮助喷淋布水均匀，布水系统喷头采用TF型喷头如图6所示。

图6 喷头实物图

2.2 测量系统

实验测量参数包括循环水量、进出口水温、进口空气参数和风量。测点位置如图3所示，在冷却塔旁送水垂直管道上测点8处安装 LZB-50转子流量计测量循环水量，在测点9、12插入T 分度防水铠装热电偶测量进出口水温，在测点10插入电容式湿度探头和NTC温度探头测量进口空气参数，在送风水平钢管上测点11采用热线风速仪通过多测点等截面法测量风速。测量仪器参数如表1所示。

表1 测量仪器参数

3 实验结果与分析

3.1 参数定义

淋水密度Г为：

(1)

式中：Q为冷却塔淋水体积流量(m3·h-1)；St为填料横截面管内面积(m2)。

气水比λ为：

(2)

式中：G为总通风量(t/(m2·h))；ρ为空气密度(kg/m3)。

冷却塔蒸发冷却过程中循环水被冷却的程度以空气湿球温度为基准，用湿球效率ηw表示计算公式为：

(3)

式中：Twi为冷却塔进口水温(℃)；Two为冷却塔出口水温(℃)；Twb为进口空气湿球温度(℃)。

3.2 气水比对冷却塔冷却效果影响

为研究气水比对冷却塔冷却效果的影响，分别在淋水密度为6.5、8.8、9.8 t/(m2·h)时，保持进口空气干球温度、进口空气湿球温度、进口水温实验参数不变，通过改变冷却塔进风量调节气水比，实验结果如图7所示。

图7 气水比对实验影响的对比曲线

在保持冷却塔进口水温和进口空气参数不变的情况下，随着气水比的增加，湿球效率逐渐提高，出口水温逐渐降低，如在淋水密度为6.5 t/(m2·h)，空气干、湿球温度分别为37.0、24.0 ℃，进口水温为26.5 ℃时，随着气水比从0.84升至2.05，出口水温从25.6 ℃降低至22.9 ℃，冷却塔的湿球效率从13.61%增加到177.13%。其主要原因有2方面：一是在干通道中空气进行预冷换热，气水比增加，在淋水密度不变的情况下，通风量增加，增强其扰动使换热量增加，等湿预冷阶段焓降增加，干通道出口处空气状态点2点向左平移，空气干球温度和湿球温度下降，出口水温降低；二是通风量增加，湿通道中风速增加，增强了气液两相交接面的扰动，减小了两相的传质阻力，吸收更多潜热，蒸发更多水分，从而使出口水温下降，湿球效率增加。

3.3 进口空气干球温度对冷却塔效率

为研究进口空气干球温度对冷却塔冷却效果的影响，保持淋水密度为9.2 t/(m2·h)，气水比为0.95，进口水温为26.0 ℃，空气湿球温度为23.0 ℃，改变进口空气的干球温度，实验结果如图8所示。

图8 进口空气干球温度对实验影响曲线

从图8中可以看出：在其他条件不变的情况下，进口空气湿球温度为23.0 ℃时，随着进口空气干球温度上升，湿球效率逐渐降低，出口水温逐渐上升，如空气干球温度从33.1 ℃增加到37.6 ℃时，湿球效率从108.12%降低到37.64%。这是由于空气干球温度上升，空气进口初始点1点向右平移，在湿通道换热量没有增加的情况下，2点向右平移，出口处湿球温度上升，同时由于干通道进口空气温度高于湿通道进口水温，当干通道进口空气温度上升时，干通道空气对湿通道的传热量增加，湿通道对入口空气的预冷效果变差，干通道空气出口温度上升，从而使出口水温上升，湿球效率下降。

3.4 进口空气相对湿度对冷却塔效率影响

为研究进口空气相对温度对冷却塔冷却效果的影响，保持淋水密度为7.7 t/(m2·h)，气水比为0.7，进口水温为26.5 ℃，空气干球温度为37.0 ℃，改变进口空气相对湿度，实验结果如图9所示。

图9 进口空气相对湿度对实验影响曲线

从图9中可以看出：在其他条件不变的情况下，进口空气干球温度为37.0 ℃时，随着进口空气相对湿度的增加，湿球效率逐渐提高，出口水温略有提高，如空气相对湿度从31.0%增加到41.1%时，湿球效率从96.40%增加到240.00%，此时达到了实验的最大湿球效率，出口水温从23.2 ℃到23.7 ℃。其主要原因有2方面：一方面，空气相对湿度增加初始空气状态点1点向上平移，空气出口处状态点2点右上平移，空气出口湿球温度上升，空气中初始水分浓度升高，管内蒸发传热传质阻力增加，导致换热量减小，出口水温上升；另一方面，由于该工况下，相对湿度增加时，空气湿球温度上升幅度比出口水温的上幅度大，因此湿球效率上升。

3.5 进口水温对冷却塔效率的影响

为研究进口水温对冷却塔冷却效果的影响，保持淋水密度为8 t/(m2·h)，气水比为1.25，进口空气干球温度为29.5 ℃，进口空气湿球温度为21.5 ℃，改变冷却器湿通道进口水温，实验结果如图10所示。

图10 进口水温对实验影响曲线

从图10中可以看出：随着进口水温的增加，冷却塔出口水温逐渐增加，湿球效率逐渐降低。当进口水温从23.0 ℃增加到27.0 ℃时，冷却塔出口水温从21.0 ℃增加到24.7 ℃，湿球效率从153.82%降低到53.49%。这主要是因为进口水温增加，将其降低至相同温度所需换热量增加，出口水温上升，同时湿通道中水膜的平均温度上升，使干通道中空气的预冷效果变差，干通道空气出口温度上升，从而使出口水温上升，湿球效率下降。

4 结论

1) 保持进口水温、淋水密度和空气参数不变，随着气水比的增加，湿球效率逐渐提高，出口水温逐渐降低。

2) 保持进口水温、淋水密度和气水比不变，随着空气进口干球温度增加，湿球效率逐渐降低，出口水温逐渐增加。

3) 保持进口水温、淋水密度和气水比不变，随着空气相对湿度增加，湿球效率逐渐提高，而出口水温略有增加。

4) 保持淋水密度、气水比和进口空气参数不变，随着进口水温增加，湿球效率逐渐降低，出口水温逐渐增加。

本技术主要适用于环境空气湿度较低的地区，若在湿度较大的地区使用，需要用除湿设备对入口空气进行预处理，才能实现亚湿球温度冷却，会增加投资和运行成本。