复合型横流闭式冷却塔冷却特性的实验研究

崔敏 杨卫波 张钰 朱政宇 王子龙

扬州大学电气与能源动力工程学院

0 引言

风冷蒸发复合型冷却塔满足现代防污、节能节水的要求，近年来受到了越来越多学者的广泛关注。风冷蒸发复合型冷却塔将风冷与蒸发冷却相结合，相比普通干式冷却塔冷却效率更高，相比普通湿式冷却塔更节水节能[1]。

根据空气流向的不同，冷却塔分为横流式与逆流式，横流式冷却塔的传热传质驱动力更均匀，相比逆流式更有利于冷却效能的提高[2-3]。目前已有学者对复合型逆流式干湿串联与干湿并联冷却塔换热性能进行理论与实验研究[4-7]。关于复合型横流冷却塔，夏莉[8]利用 Matlab 软件数值模拟了结构和运行参数对复合型横流闭式塔冷却性能的影响，孙念心等[9-10]探讨了风冷蒸发复合型横流闭式冷却塔内的翅片参数对其换热性能的影响，并通过改变填料位置对复合型横流闭式冷却塔换热性能进行实验研究，对比发现翅片管区在上、填料区在中、光管区在下的复合型横流闭式塔型冷却性能更高。目前对复合型横流闭式冷却塔的研究类型以风冷翅片管与蒸发冷光管串联为主，对并联式复合型横流闭式塔冷却性能的研究较少。

为探究翅片管与光管的不同连接形式对风冷蒸发复合型横流闭式塔冷却性能的影响，本文根据相似原理按实物尺寸的1/3 等比缩小搭建了风冷与蒸发冷串联与并联时的模型实验台，通过实验研究了空气流量，冷却水流量，喷淋水流量以及气水比等运行参数对两种连接形式下复合型横流闭式冷却塔冷却性能的影响。

1 实验平台与工况设置

1.1 复合型横流闭式冷却塔结构

实验所研究的复合型横流闭式冷却塔根据风冷翅片管与蒸发冷光管的两种连接方式分为串联式与并联式，串联式中冷却水先从翅片管进口流入，经风冷冷却后再进入光盘管，经蒸发式冷却后流出，并联式中冷却水同时进入翅片管与光管换热器，经风冷与蒸发式冷却后两部分冷却水汇合流出。两种连接方式结构示意见图1。

图1 风冷蒸发复合型横流闭式冷却塔结构示意图

1.2 复合型横流闭式冷却塔实验平台

本文根据相似原理设计搭建了风冷蒸发复合型横流闭式冷却塔模型实验台，由PVC 材质透明板焊接而成的外壳尺寸为 1.0 m× 1.1 m× 1.2 m，内部结构参数如表1 所示，各参数测试仪表如表2 所示。

表1 内部结构参数

表2 测试仪器表

该模型实验台主要分为四个系统：冷却水系统、喷淋水系统、风系统、数据采集系统。设置若干个温度探头对冷却水、喷淋水和空气的进出口温度进行监测，若干个湿度探头监测进出口空气湿度，从而研究冷却塔的传热传质过程，图 2 所示为实验平台的实物图。其中，为比较两种连接方式下冷却塔的换热过程，运用分支管变换翅片管与光管的连接方式，连接方式管路如图3 所示。

图2 实验平台实物图

图3 两种连接方式管路图

1.3 实验工况设置

对于风冷蒸发复合型横流闭式冷却塔，影响其冷却性能的运行参数主要有空气流量，冷却水流量，喷淋水流量和气水比。故本实验进行了 35 组不同参数组合的测试，以研究夏季工况下这些运行参数变化对两种连接方式冷却效果的影响规律，通过恒温水浴控制冷却水进口温度保持在37 ℃，并联式翅片管与光管的流量比为4:6，所设工况如表3 所示。

表3 实验工况

2 实验结果分析与讨论

2.1 空气流量

图4 为两种连接方式下翅片管与光管出水温度随空气流量的变化，分析可以看出：串联与并联下各盘管的出水温度与总出水温度均随空气流量的增加而降低，这是因为空气流量的增大会强化翅片管外的对流换热和光管外的传热传质，从而出水温度降低。进一步分析图4a 可以发现，并联式翅片管的出水温度低于串联式，如空气流量从0.24 增加到0.57 kg/s 时，串联式与并联式翅片管的出水温度分别从 36.53、36.45 ℃降低到35.68、3 5.65 ℃，并联式平均比串联式低0.1 ℃，这主要是由于并联式分流进入翅片管的冷却水流量少于串联式，冷却负荷更小，降温更多。而当空气流量从0.24 增加到0.49 kg/s 时，串联式与并联式光管的出水温度分别从 34.81、3 4.74 ℃降低到 34.60、34.56 ℃，并联式的出口温度略低于串联式，其原因是串联式光管区的冷却水经翅片管区冷却后进口温度降低，管内冷却水与管外空气的温差减小，换热效果相比并联式略差。当空气流量增加到0.57 kg/s 时，串联式与并联式光管的出口温度分别为 34.42 ℃与34.51 ℃，串联式的出水温度比并联式更低，这主要是由于空气流量增大使得串联式翅片管内的冷却水急剧降温，进入光管区的冷却水温度远低于并联式。从图4 还可以看出，串联式冷却水的总出口温度明显低于并联式，如空气流量为 0.57 kg/s 时，串联式冷却水的总出口温度从为34.42 ℃，对应并联式为 34.91 ℃，显然，串联式的总出口水温平均比并联式低0.5 ℃，这是因为并联式的总出水温度由翅片管区与光管区的出水温度共同控制，而复合型冷却塔干冷的性能系数远小于湿冷部分[11]，翅片管区的出水温度高出光管区较多，混合后的总出水温度就高于串联式。

图4 两种连接方式盘管出水温度随空气流量变化

从图5 中可以看出，随着空气流量的增加，两种连接方式的冷却效率均增加，如当空气流量为 0.24 kg/s时，串联式的冷却效率为 19.8%，并联式的效率为15.1%。而当空气流量为0.57 kg/s 时，对应串联式与并联式的冷却效率分别为27.5%、1 8.2%，串联式与并联式的冷却效率分别提高了7.7%与3.1%。图5 还表明：串联式的冷却效果始终优于并联式，冷却效率约高出并联式4.7%～9.3%，且空气流量的变化对串联式的影响更大。实际运行过程中，风速的增加会增加风机的能耗，因此要根据实际需求和经济性来控制空气流量的大小，不可盲目增加。

图5 冷却效率随空气流量的变化

2.2 冷却水流量

由图 6 可得，冷却水流量增加，串联式与并联式的各盘管出水温度与总出水温度均增加，其原因是随着冷却水流量的增加，两种连接方式中翅片管和光管内冷却水的流量均增大，冷却塔的散热负荷增大，冷却效果变差，出水温度升高。进一步分析图6a 可知，串联式的翅片管出水温度与并联式相差不大，而串联式的光管出水温度明显高于并联式，且并联式的光管出口水温增幅更大。如当冷却水流量从 0.100 增加到0.167 kg/s 时，串联式与并联式的光管出口水温分别增加了0.31 与 0.73 ℃，两者差值从0.44 降低到 0.01 ℃，这意味着冷却水流量变化对并联式光管区的出水温度影响更大。进一步分析图6b 还可看出，并联式的总出水温度始终高于串联式，并随着冷却水流量的增大，其高出串联式的总出水温度越多，如冷却水流量为 0.100 kg/s 时，并联式的总出水温度高出串联式0.04 ℃，而当冷却水流量为 0.167 kg/s 时，并联式总出水温度高出串联式 0.38 ℃，这是因为并联式的总出水温度同时受翅片管和光管的总出水温度影响，光管的出水温度升高较多，从而总出水温度也随之升高。

图6 两种连接方式盘管出水温度随冷却水量变化

进一步分析图 7 可以看出，两种连接方式下冷却水流量的增加都会降低冷却塔的冷却效率，如当冷却水流量从0.100 增加到0.167 kg/s 时，串联式与并联式的冷却效率分别从 24.5 %、2 1.0%降低到 21.5 %、15.6%。这是因为冷却水流量的增大导致冷却塔的冷却负荷增大，虽然流量增加会使得管内侧的对流换热系数增加，但冷却塔总体冷却效率下降。从图 7 中还可发现，当冷却水流量从 0.100 增加到0.167 kg/s 时，串联式与并联式的冷却效率分别降低了 3.0%与5.4%，这意味着冷却水流量的变化对并联式的冷却效率影响更大，且串联式的冷却效率始终高于并联式，平均高出3.5%～5.9%。

图7 冷却效率随冷却水流量的变化

2.3 喷淋水流量

由图8 可知，两种连接方式下各盘管出水温度与总出水温度均随喷淋水流量的增加而降低，且喷淋水流量的增加对翅片管的出水温度影响较小，串联式光管的出水温度明显高于并联式，如当喷淋水流量从0.200 增加到 0.267 kg/s 时，串联式光管的出水温度从35.09 降低到34.94 ℃，并联式的出水温度从34.98 降低到 34.81 ℃。这主要是由于并联式进入光管的水温高于串联式，与管外空气的温差更大，换热效果更强。从图8b 还可以得出，两种连接方式的总出水温度随喷淋水流量的变化幅度相同，由于并联式翅片管出水温度较高，故并联式总出水温度始终高于串联式。进一步分析图9 中可以看出，随着喷淋水流量的增加，两种连接方式的冷却效率均逐渐升高，如当喷淋水流量为0.200 kg/s 时，串联式与并联式的冷却效率分别为20.8%与14.3%。当喷淋水流量为0.267 kg/s 时，串联式与并联式的冷却效率分别为22.4%与 16.1%。进一步分析图 9 可知，喷淋水流量的增加对两种连接方式冷却效率的影响程度基本相同，但串联式的冷却效率始终比并联式高出5.8%左右。

图8 两种连接方式的盘管出水温度随喷淋水流量变化

图9 冷却效率随喷淋水流量的变化

2.4 气水比

气水比是指空气质量流量与喷淋水质量流量之比，本实验中设置喷淋水流量分别为 6 L/min（0.100 kg/s）、8 L/min（0.133 kg/s）、1 2 L/min（0.200 kg/s）、16 L/min（0.267 kg/s），气水比分别为 0.8、0.9、1.0、1.1、1.2。分析图10 可以看出，喷淋水量一定时，两种连接方式下各盘管出水温度与总出水温度均随气水比的增加而降低，且气水比对两种连接方式下翅片管出水温度的影响规律基本相同，如当气水比从 0.8 增加到1.2 时，两种连接方式的翅片管出水温度平均降低了0.15 ℃。而两种连接方式下光管的出水温度差异较大，当喷淋水流量从0.100 增加到 0.133 kg/s 时，串联式光管的出水温度下降更多，而当喷淋水喷淋水流量从0.200 增加到 0.267 kg/s 时，并联式光管的出水温度下降较多。如当气水比从 0.8 增加到 1.2，在喷淋水流量从0.100 增加到0.267 kg/s 时，串联式光管的出水温度平均降低了0.83、0.73、0.39、0.44 ℃，并联式平均降低了0.11、0.16、0.23、0.40 ℃。这主要是因为喷淋水流量较小时，光管区换热效果不明显，由于并联式光管区的进水温度较高，受到喷淋水的作用较小时，换热效果不明显。而空气流量与喷淋水流量增大时，翅片管区热量交换得到强化，进入串联式光管区的冷却水与管外空气温差减小，光管外水膜加厚，换热效果降低，但并联式由于管内冷却水与管外空气温差较大，喷淋水作用效果明显，故并联式光管区的出水温度降低。

图10 两种连接方式的各盘管出水温度随气水比变化

分析图11 可以看出，当喷淋水流量从 0.100 增加到0.133 kg/s 时，气水比对串联式的总出水温度影响更大，而当喷淋水喷淋水流量从 0.200 增加到0.267 kg/s 时，气水比对并联式的总出水温度相对影响更大。如当气水比从0.8 增加到1.2，在喷淋水流量从0.100 增加到0.267 kg/s 时，串联式的总出水温度平均降低了0.83、0.73、0.39、0.44 ℃，并联式的总出水温度平均降低了 0.12、0.19、0.20、0.36 ℃。这主要是由于空气流量与喷淋水流量较小时，翅片管和光管的出水温度较高，故混合后并联式的总出水温度变化不明显。而空气流量与喷淋水流量增大时，串联式翅片管冷却水出口温度降低更多，进入光管区时与管外空气温差减小，总出水温度随气水比变化减小。此时喷淋水对并联式光管区作用效果明显，光管区的出水温度降低，与较低的翅片管出水温度混合后总出水温度下降更多。

图11 两种连接方式的冷却水总出口温度随气水比变化

从图 12 中可以看出，气水比增加，两种连接方式的冷却效率均升高，如气水比从0.8 增加到1.2 时，喷淋水流量分别为 0.100、0.133、0.200、0.267 kg/s 时，串联式的冷却效率分别升高了 8.6%、9.1%、4.0%、4.4%，并联式分别升高了0.8%、1.3%、1.2%、3.5%，由于串联式喷淋水流量为0.133 kg/s 时露点温度较低，其冷却效率偏低。进一步分析图12 可以发现，串联式冷却效率始终高于并联式，且其受气水比的影响更大，当气水比从 0.8 增加到 1.2 时，喷淋水流量从 0.100 增加到0.267 kg/s 时，串联式的冷却效率变化了 4%～9%，并联式变化了1%～3.5%，串联式的冷却效率比并联式高出4%～8.5%，这是因为空气流量较小，翅片管区的换热效果降低，而喷淋水流量较小时，并联式光管区的热湿交换不剧烈，温降不明显，使得并联式总冷却效率较低。

图12 冷却效率随气水比的变化

3 结论

1）空气流量、喷淋水流量及气水比的增加均能提高串联与并联式复合型冷却塔的冷却性能，而冷却水流量的降低会导致两者的冷却性能降低。

2）空气流量的增加对串联式的冷却效率影响更大，冷却水流量的增加则对并联式的冷却效率影响更大，喷淋水流量在 0.100 到 0.133 kg/s 时，串联式的冷却效率受气水比的影响较大，当喷淋水流量在 0.200到0.267 kg/s 时，则并联式的冷却效率受气水比的影响较大。

3）并联式光管区的换热效率优于串联式，但其冷却水的总出口温度是翅片管区与光管区出水温度混合后的结果，翅片管区的换热效率远低于光管区，混合后的总出水温度较高，故并联式的总体冷却性能不如串联式，串联式复合型冷却塔的冷却效率比并联式平均高出3.5%～9%。