复合式冷却塔过渡季节运行模式性能研究

刘聪聪 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

0 引言

针对现有冷却塔水质、水耗以及白烟[1]三大问题，将干式换热与湿式换热结合的复合式冷却塔最早运用于工业[2]，处理的冷却水水温较高，广泛应用于炼油、化工、动力、冶金行业，是一种具有节能节水效益的换热设备[3]。对处理40 ℃以下冷却水的民用复合式冷却塔，目前的研究主要集中在结构优化和性能研究。李雪[4]搭建了复合冷却塔干湿盘管并联型的实验平台并研究其性能，实验表明，在干湿区流量配比为3:7 时冷却性能达到最佳，冷却效率可达57.44%。山东建筑大学王晓霞[5]通过MATLAB 软件编程，探究了影响横流复合闭式冷却运行性能的主要因素。然而对于复合式冷却塔在过渡季节的性能研究比较少。

复合式冷却塔可以采用干湿盘管复合串联运行、闭式冷却塔运行和翅片管与光管换热器串联空冷运行。为研究复合式冷却塔三种运行模式在过渡季节的性能，本文通过处理能力为30T/h 的复合式冷却塔实验平台进行实验，得到实验条件下三种运行模式的运行性能，并总结出三种运行模式下最佳截面风速和喷淋水流量，为复合式冷却塔过渡季节运行提供指导。

1 复合式冷却塔实验平台

复合式冷却塔是干式换热与湿式换热相结合的冷却塔，其结构示意图如图1 所示。该装置主要分为三个部分，从上到下依次是干式翅片段、填料区和光管区。

图1 复合式冷却塔模型

通过阀门的开启和闭合，该复合式冷却塔可以有三种不同的运行模式，模式一：干湿盘管复合串联运行，开启阀门8、10 和15，关闭阀门11 和13，此时冷却水先从上部进入翅片管段，与管外空气进行换热，然后进入下部有喷淋水作用的光管，与管外水膜和空气进行换热，使温度降低。模式二：闭式冷却塔运行，开启阀门11、13 和15，关闭阀门8 和10，此时冷却水不进入翅片管段，直接进入下部有喷淋水作用的光管，与管外喷淋水和空气进行换热。模式三：翅片管与光管换热器串联空冷运行，开启阀门8、10，关闭阀门11、13、15，此时相当于在模式一的基础上关闭喷淋水。

本实验研究的复合式冷却塔设计的横截面积1580 mm×1580 mm，高度为3210 mm。内部结构参数如表1 所示。

表1 复合式冷却塔结构参数

2 评价指标

2.1 冷却水进出口温差

高温冷却水进入冷却塔后，通过换热盘管散热变成低温冷却水出塔。当进口水温一定时，不同模式下的出口水温越低，那么进出口水温温差越大，则该模式下冷却效果越好。冷却水进出口温差成为衡量冷却塔性能最直观的参数指标，计算方法如下：

式中：Δt 为实验中冷却水进出口温差，℃；tfi为冷却水进口温度，℃；tfO为冷却水出口温度，℃。

2.2 冷却效率

通常，冷却塔的冷却效率定义为冷却塔的实际冷却量与理论最大冷却量的比值，用η 表示，显然，η 值越大，冷却塔出口水温度tfO越接近理论出水温度即空气的湿球温度ts，冷却塔的热湿交换效果越好，η 的计算方法如下：

式中：tfi为冷却水进口温度，℃；tfO为冷却水出口温度，℃；ts为空气湿球温度，℃。

2.3 能效系数

能效系数定义为冷却塔单位阻力下的换热量，用表示。三种运行模式下，总阻力不一样。在相同的气象参数条件下和运行参数下，三种模式下的冷却塔的换热量从理论分析来讲也不一样。能效系数的数值越大，说明冷却塔单位能耗下的换热量越高，性能越好。因此用能效系数来评估三种运行模式的运行性能。

式中：Q 为冷却塔的换热量，W；Pair为冷却塔风侧能耗，Pa；Pflu为冷却塔水侧能耗，Pa。

3 实验结果与分析

实验在上海过渡季节11 月份期间进行，选用上海良机冷却公司一处理能力为30T/h 的复合式冷却塔实验平台进行实验研究，空气干球温度与湿球温度等实验气象参数如表2 所示。

表2 实验气象参数

实验过程中需要测试的参数以及测试仪表如表3所示。

表3 测试参数和测试仪表

实验过程中，通过改变风机的频率改变冷却塔的截面风速，不同风机频率对应的截面风速如表4。通过调节阀门15 的大小来调节喷淋水流量的大小，喷淋水流量选取10 m3/h、15 m3/h、20 m3/h、25 m3/h、30 m3/h。

表4 不同风机频率对应的截面风速

3.1 模式一运行的工作性能

为研究模式一运行的工作性能，通过调整阀门，使冷却塔处于模式一运行状况下，保持冷却水流量在30 m3/h，冷却水进口温度29 ℃。首先改变风机频率，使得截面风速稳定在2.32 m/s，调节阀门，依次使喷淋水流量稳定在10 m3/h、15 m3/h、20 m3/h、25 m3/h、30 m3/h，进行实验。再增大风机频率使得截面风速稳定在2.87m/s，依次使喷淋水流量稳定在10 m3/h、15 m3/h、20 m3/h、25 m3/h、30 m3/h。以此类推，直到截面风速稳定为4.6 m/s。

如图2 至图4 所示，模式一在截面风速为3.82 m/s，喷淋水流量为25 m3/h 时，冷却水进出口温差达到最大值为4.68 ℃，冷却效率达到最高为39%，能效系数达到最大值为1.77 W/Pa。

图2 模式一冷却水进出口温差

图3 模式一冷却效率

图4 模式一能效系数

当保持冷却塔的截面风速恒定时，冷却水进出口温差，冷却效率和能效系数先随着喷淋水流量的增大先增大，而后随着喷淋水流量的增大而后略有减小。当截面风速为3.82 m/s 时，喷淋水流量从10 m3/h 增加到25 m3/h，冷却水进出口温差由4.04 ℃增加到4.68℃，冷却效率从33.67%增加到39%，能效系数从1.53 W/Pa 增加到1.77 W/Pa，然而喷淋水流量从25 m3/h 增加到30 m3/h，各项评价指标均有略微减小，其中冷却水进出口温差下降了0.02 ℃，冷却效率下降了0.17%，能效系数下降了0.01 W/Pa。其主要原因是当截面风速恒定时，随着喷淋水流量逐渐增加，喷淋密度增加，换热量增大，从而冷却水进出口温差增加，冷却效率和能效系数也随之增加，然而当喷淋水流量过大时，会导致光管表面的水膜厚度增加，传热热阻增加，使得换热量略有下降，使得各项评价指标略有下降。

当保持喷淋水流量恒定时，冷却水进出口温差、冷却效率和能效系数先随着截面风速的增大先增大，而后随着截面风速的增大而后略有减小。如当保持喷淋水流流量为25 m3/h 时，截面风速由2.32 m/s 上升至3.82 m/s 时，模式1 的冷却水处进出口差由3.59 ℃上升到4.68 ℃，冷却效率由29.92%上升至39%，但随着截面风速继续增加至4.6 m/s，冷却水进出口温差和冷却效率反而下降了0.43 ℃和3.58%。其主要原因是当截面风速处于低风速时，随着截面风速的增加，管外空气的对流换热系数增加，从而增加对流换热量，但当管外风速过大时，在翅片区由于翅片的作用下反而形成涡流，引起对流换热减弱，翅片区的冷却水进出口温差有所降低，从而导致冷却水总处理温差有所下降，冷却效果有所下降。

3.2 模式二运行的工作性能

为研究模式二运行的工作性能，通过调整阀门，使冷却塔处于模式二运行状况下，然后保持冷却水流量在30 m3/h，冷却水进口温度29 ℃。改变风机频率，使得截面风速稳定在2.32 m/s，调节阀门，依次使喷淋水流量稳定在10 m3/h、15 m3/h、20 m3/h、25 m3/h、30 m3/h，进行实验。再增大风机频率使得截面风速稳定在2.87 m/s，依次使喷淋水流量稳定在10 m3/h、15 m3/h、20 m3/h、25 m3/h、30 m3/h。以此类推，直到截面风速稳定为4.6 m/s。

从图5 至图7 可以看出，模式二在截面风速为3.82 m/s 时，喷淋水流量为25 m3/h，冷却水进出口温差达到最大值为4.03 ℃，冷却效率达到最高值为33.58%，能效系数达到最大值为2.06 W/Pa。

图5 模式二冷却水进出口温差

图6 模式二冷却效率

图7 模式二能效系数

从图5 至图7 还可知，模式二下的冷却水进出口温差最大值比模式一的冷却水进出口温差最大值少小0.65 ℃，冷却效率最大值比模式一的冷却效率最大值小5.42%。这是由于模式一与该模式相比较比较，该模式下的冷却水直接进入光管区与管外空气和喷淋水进行换热，然而，模式一下的冷却水首先经过翅片段与管外空气进行显热交换，预冷之后再流入光管区与空气和喷淋水进行热湿交换，上部翅片管区的干式换热对冷却水的降温作用有一定的作用，所以该模式的冷却水进出口温差较模式一要略低，冷却效果较模式一差。

模式二的能效系数最大值比模式一能效系数的最大值大0.29 W/Pa，主要是因为模式一下管内冷却水首先流过翅片段进行预冷，而模式二下冷却水直接流入光管进行冷却，模式二的阻力与模式一的阻力相比，少了翅片段的冷却水水阻这一部分，而翅片区的冷却水水阻在总阻力中不可忽略，经实验测量，翅片段冷却水水阻约为0.024 MPa，约占冷却水总水阻的26.1%，虽然模式二下冷却塔的最大换热量比模式一下冷却塔的最大换热量要少，但是模式二下总阻力比模式一的总阻力要小，因此单位阻力下的换热量比模式一要大，所以模式二的能效系数大于模式一，因此在满足冷却水出口温度的情况下，采用模式二闭式冷却塔运行更为节能。

3.3 模式三运行的工作性能

为研究模式三运行的工作性能，通过调整阀门，使冷却塔处于模式三运行状况下，然后保持冷却水流量在30 m3/h，冷却水进口温度29 ℃。

由图8 可知，当冷却塔处于模式三运行下，各项评价指标都是随着截面风速的增加而增加。当截面风速从2.32 m/s 上升至4.6 m/s 时，其中冷却水进出口温差从0.50 ℃增加到1.02 ℃，冷却效率从3.9%增加到8.83%，能效比从0.19 W/Pa 增加到0.39 W/Pa。

图8 模式三运行性能

随着截面风速的增加，管外的对流换热系数增加，换热量逐渐增加，因此冷却水进出口温差和冷却效率逐渐增加。但是截面风速过高时，能效系数的增加趋势越来越缓慢，这是因为随着截面风速的增加，冷却塔内空气侧阻力逐渐增大，从而冷却塔的总阻力增大，导致冷却塔单位阻力下的换热量的增加趋势逐渐减小。

从图8 还可知，模式三的各项指标均远远小于模式一和模式二的各项指标。模式三的冷却水进出口温差最大值为1.02 ℃，分别是模式一和模式二冷却水进出口温差最大值的21.8%和25.3%，冷却效率最大值分别是模式一和模式二冷却效率的最大值的22.6%和26.3%，能效系数最大值分别是模式一和模式二冷却效率的最大值的22%和18.9%。这是因为模式三管内冷却水与管外空气换热的主要影响因素为空气的干球温度，管外空气的干球温度越低，即管外空气干球温度与管内冷却水温度的差值越大，冷却效果越好，然而在该试验条件下，冷却水温度为29 ℃，空气干球温度为24.3 ℃，空气干球温度较高，二者差值较小，因此冷却塔的换热量较小，冷却效果不佳；模式一和模式二下的冷却塔换热的主要影响因素为空气的湿球温度，管外空气湿球温度越低，即管外空气的湿球温度与管内冷却水温度的差值越大，冷却效果越好，在该试验条件下，冷却水温度为29 ℃，空气湿球温度为17 ℃，二者差值较大，因此冷却塔整体的换热量较大，冷却效果较好。

4 结论

1）在该实验条件下，从冷却水进出口温差和冷却效率这两个指标来评价运行性能，复合式冷却塔以模式一干湿盘管复合串联模式和模式二闭式冷却塔运行时，冷却效果较好，模式一和模式二冷却水进出口温差最大值分别为4.68 ℃和4.03 ℃，冷却效率最大分别可以达到39%和33.58%，而模式三翅片管与光管换热器串联空冷运行的冷却效果不佳。从能效系数来评价运行性能，模式二运行性能较好，当截面风速为3.82 m/s，喷淋水流量为25 m3/h 时，能效系数达到最大值2.06 W/Pa，因此若在满足冷却水进出口温度和冷却效率的前提下，复合式冷却塔可以优先采用模式二闭式冷却塔运行。

2）由于影响模式一干湿盘管复合串联模式和模式二闭式冷却塔模式冷却效果的主要因素为空气的湿球温度，影响模式三翅片管与光管换热器串联空冷运行冷却效果的主要因素为空气的干球温度，本实验条件下的空气湿球温度与冷却水进口温度的差值较大，空气干球温度与冷却水进口温度差值较小，因此模式一和模式二比模式三的冷却效果要好，预测在空气干球温度较低的情况下，模式三的冷却效果能得到改善，具体换热效果需要在冬季干球温度较低的气象条件下进行实验研究。