风冷蒸发复合型横流闭式冷却塔冷却性能的试验研究

杨卫波，张 钰，孙念心，崔 敏

（扬州大学 电气与能源动力工程学院，江苏扬州 225127）

0 引言

冷却塔作为能源电力等行业不可缺少的冷却换热设备，其在运行时需要耗费大量的水资源；同时，冷却塔的冷却效果直接关系到整个系统的运行效率与能耗。因此，为了节约水资源，提高冷却水利用效率和冷却塔的冷却性能，研究高效节能节水型冷却塔尤为重要。

近年来，复合型冷却塔因其灵活的运行模式和节能节水特性而得到学者们的广泛研究。SARKER等［1］针对复合型闭式冷却塔进行了试验研究，结果表明：干式运行模式下冷却塔的冷却性能较低，但整体功耗也较低；湿式运行模式下，冷却性能与额定容量基本一致。ASVAPOOSITKUL等［2］研究表明：复合型冷却塔的冷却性能优于湿式冷却塔，低于干式冷却塔，具体取决于干冷与湿冷的比例。DEHAGHANI等［3］对不同工况下的湿式和混合式冷却塔进行了模拟研究，结果表明：冷却范围和天气条件对湿式冷却塔用水量的影响最为显著。NOURANI等［4］以Ramin发电厂和Tabriz炼油厂为研究对象，对复合型冷却塔的干湿段进行了模拟，结果表明：使用复合型冷却塔使得Ramin发电厂和Tabriz炼油厂冷却系统用水量分别降低了34%和38%。REZAEI等［5］研究表明，当复合型冷却塔的混合比在0.2～0.4时，夏季采用串联布置更合适。NJOKU等［6］对尼日利亚五个典型热带地区的湿式和干式冷却系统进行了经济分析，结果表明：在炎热和干燥地区，相较于干式冷却系统，湿式冷却系统的运行成本和寿命周期成本更低。DEHAGHANI等［7］模拟了不同工况下干湿式复合型冷却塔的用水量，结果表明：冷却塔用水量受天气条件和冷却目标的影响较大，塔高一定时，干式塔比湿式塔节水9.4%。

国内学者对复合型冷却塔的研究主要集中在结构和运行参数上。李楠等［8］对干湿两用闭式冷却塔的结构和性能进行了研究，结果表明：不同工况下影响该冷却塔性能的主要因素不同。王亮等［9］研究表明，风量对横流闭式冷却塔的传热性能影响最小，而进水温度对其传热性能影响最大。常健佩等［10］研究表明：增加填料可以提高冷却塔的冷却性能，且盘管复合填料型闭式冷却塔的冷却性能优于单盘管型闭式冷却塔。钱泰磊等［11］试验研究了不同因素对空冷闭式冷却塔换热性能的影响，结果表明：增加空气迎面速度及添加外翅片结构等有利于提高冷却塔的空冷效果。李进等［12］对干湿复合型冷却塔进行了模拟计算，结果表明：截面风速和喷淋水流量对冷却水温差有较大的影响，对出口空气温度和焓值影响较小。杨俊杰等［13］对干湿复合型冷却塔中翅片管与光管的面积比进行了分析，结果表明：光管换热面积越大，冷却性能越好，且当翅片管和光管的换热面积比值为0.71时冷却性能达到最佳。夏莉等［14］模拟了结构和运行参数对冷却水出口温度和冷却效率的影响，结果表明，冷却水出口温度和冷却效率随空气湿球温度的升高而增大，冷却水出口温度随着冷却水流量的增加而增大，冷却效率随之减少。

综上所述，目前对于复合型冷却塔的研究主要集中在数值模拟和实例分析，试验研究较少，尤其是不同运行参数对其冷却性能影响的研究很少开展。为此，本文搭建了风冷蒸发复合型冷却塔模型试验平台，开展了不同运行参数对两种塔型结构冷却特性的试验研究。

1 试验系统

为了探讨风冷蒸发复合型横流闭式冷却塔的冷却性能，搭建了其模型试验台［15］。试验系统由数据采集系统、喷淋水系统、冷却水系统、风系统等4部分组成，具体构成包括透明PVC塔体、翅片管、光管、填料、挡水板、恒温水浴、可控硅电子调压器、风机、风管及数据采集系统等，试验系统原理如图1所示。其中，光管与填料的位置可更换，以方便研究翅片管区在上、光管区在中、填料区在下（塔型1）和翅片管区在上、填料区在中、光管区在下（塔型2）2种冷却塔型的传热传质特性，2种塔型的实物如图2所示。

图1 复合型冷却塔试验系统Fig.1 Experimental system of the composite cooling tower

图2 2种塔型实物Fig.2 Physical pictures of two types of tower

试验共布置16个温度测点，其中风口处布置5个测点；风机处布置3个测点；冷却水进水处、翅片管出水处、光管出水处分别布置2个测点；喷淋水供回水处分别布置1个测点。

2 试验工况及误差分析

2.1 试验工况

试验采用稳态法，即系统运行稳定后开始读数，读数时间间隔为5 min，每个测量参数读4～6次，取其平均值作为该测点的参数值。试验共进行35组测试，分别研究空气流量、冷却水流量、喷淋水量和气水比对2种塔型冷却特性的影响。试验工况见表1。

表1 试验工况Tab.1 Experimental conditions

2.2 试验流程

试验流程包括以下几个步骤：

（1）打开加热加湿器和电脑采集数据软件，并对空气的温湿度进行读数；

（2）待温湿度达到试验要求时，设置冷却水进口温度同时开启恒温水浴进行加热；

（3）打开冷却水泵和喷淋水泵，将转子流量计和电子调压器调到试验所需要的值；

（4）按照设计试验工况依次进行试验并用电脑采集数据软件对数据进行采集；

（5）试验完成后，关闭设备电源与循环水泵。

2.3 试验误差分析

试验误差主要来源于测量设备，包括温度测量误差、流量测量误差和间接测量误差三部分。经计算可得试验系统温度测量误差最大值为0.33 ℃，最大流量测量误差为0.003 kg/s，根据方差传递公式［16］计算得最大间接误差为4.7%，因此本试验所测得数据满足要求。

3 试验结果及分析

3.1 空气流量

分析图3可以看出，2种塔型的翅片管和光管的出水温度均随空气流量的增加而减小。这是因为空气流量越大，空气流速越大，导致翅片管和光管的换热系数增加，换热效果也就越好。分析图3（b）可以看出，光管出水温度塔型2明显低于塔型1，其原因是塔型2中喷淋水在喷洒到光管前先经过填料区的降温，导致管内冷却水与管壁上的喷淋水温差加大，因此蒸发冷却效果更好。

图3 2种塔型的盘管出水温度随空气流量变化Fig.3 Variations of outlet temperature of coil pipe with the air flow for two types of tower

为了研究空气流量对2种塔型的盘管换热效果的影响，图4示出了2种塔型总换热量随空气流量的变化，可以看出，2种塔型的盘管总换热量均随空气流量的增加而增大，且塔型2的换热量明显高于塔型1，如塔型1和塔型2的换热量分别从2 903，3 295 W增加到4 273，4 789 W。由此可得出，空气流量增大使得两种塔型的换热效果均得到有效改善，且塔型2的换热效果更好。

图4 2种塔型的总换热量随空气流量的变化Fig.4 Variations of total heat exchange with the air flow for two types of tower

由图5可以看出，空气流量越大，翅片管区的负荷比越大，而光管区的负荷比越小，如当空气流量从0.08 kg/s增加到0.48 kg/s时，塔型1的翅片管区负荷比由0.228增加到0.740，塔型2的翅片管区负荷比由0.203增加到0.672；对应塔型1与塔型2的光管区负荷比分别由0.772，0.797减小到0.260，0.328。这表明空气流量越大，翅片管区发挥的作用就越大，光管区发挥的作用就越小，这是因为空气流量的增加使得翅片管区的散热量增加，而光管区因冷却水进口水温降低导致散热量减少。分析图5还可以发现，空气流量变化对塔型1负荷比的影响更大，其翅片管区及光管区负荷比变化更大。

图5 2种塔型翅片管及光管负荷比随空气流量变化Fig.5 Variations of load ratio of finned tube and bare tube area with the air flow for two types of tower

3.2 冷却水流量

分析图6可以看出，2种塔型下盘管出水温度均随冷却水流量的增加而增大，这是因为在空气流量和喷淋水量一定时，冷却水流量越大，冷却塔的散热负荷就越大，从而导致冷却水的出口温度越高。并且2种塔型的翅片管出水温度随冷却水流量变化曲线基本重合，而塔型2的出水温度比塔型1的出水温度低0.5～0.8 ℃，如当冷却水流量从0.08 kg/s增加至0.167 kg/s时，塔型1的光管出水温度由29.39 ℃增加到32.02 ℃，而塔型2的由28.62 ℃增加到31.25 ℃。这意味着填料区对喷淋水有预冷作用。

图6 2种塔型的盘管出水温度随冷却水流量的变化Fig.6 Variations of outlet temperature of coil with the cooling water flow for two types of tower

为了获得冷却水流量对2种塔型下盘管换热量的影响，图7示出了2种塔型的盘管换热量随冷却水流量变化曲线。可以看出，2种塔型下各盘管区域的换热量和总换热量均随冷却水流量的增加而增大，其原因是冷却水流量的增加使得翅片管和光管的总传热系数增大，换热量增加。分析图7可以看出，2种塔型的翅片管区换热量基本相同，但塔型2的光管区换热量及总换热量明显高于塔型1，如当冷却水流量从0.083 kg/s增加至0.167 kg/s时，塔型1的光管区换热量及总换热量分别增加了265，818 W，塔型2的光管区换热量及总换热量分别增加了631，1 108 W，这意味着冷却水流量变化对塔型2的影响更大且塔型2的换热效果更好。

图7 2种塔型的盘管换热量随冷却水流量变化Fig.7 Variations of heat exchange of coil with the cooling water flow for two types of tower

3.3 喷淋水流量

分析图8可知，2种塔型下翅片管与光管出水温度均随喷淋水流量的增加而降低，但喷淋水流量对翅片管出水温度的影响较小，如当喷淋水流量从0.167 kg/s增加到0.250 kg/s时，塔型1与塔型2的翅片管出水温度分别降低了0.42，0.21 ℃，而对应光管分别降低了1.06，1.27 ℃。这是因为理论上喷淋水量的增加不影响翅片管的风冷换热，但实际换热时掠过翅片管部分的空气温度随着喷淋水量的增加而略有降低，从而导翅片管出口水温略有降低，而喷淋水流量的增大使得光管外对流换热效果增强，会强化空气与喷淋水之间的热质交换效果。

图8 2种塔型盘管出水温度随喷淋水流量变化Fig.8 Variations of outlet temperature of coil with the spray water flow rate for two types of tower

分析图9可以看出，2种塔型下翅片管区和光管区的换热量和总换热量均随喷淋水流量的增加而增大，且喷淋水流量的变化对翅片管区的换热量影响较小，但对光管区的换热量影响较大。如当喷淋水流量从0.167 kg/s增加到0.250 kg/s时，塔型1与塔型2翅片管区的换热量分别增加了295，144 W，对应光管区换热量分别增加了458，764 W。这是因为喷淋水流量的增加仅导致翅片管区的空气温度小幅度降低，换热效果略有增强；而喷淋水流量的增加会显著增大光管的传热传质系数和换热效果，因此，强化传热效果更明显。从图9（b）还可以看出，就总换热量而言，塔型2的换热效果优于塔型1。

图9 2种塔型盘管换热量随喷淋水流量的变化Fig.9 Variations of heat exchange of coil with the spray water flow rate for two types of tower

3.4 气水比

图10，11分别示出了2种塔型盘管出水温度随气水比的变化曲线，可以看出，盘管的出水温度随着气水比的增大而降低，其原因是气水比越大，从而空气流量越大。同时还可以发现，喷淋水流量越大，盘管冷却散热效果越好。

图10 翅片管出水温度随气水比的变化Fig.10 Variations of outlet temperature of finned tube with the ratio of air to water for two types of tower

分析图11可知，当喷淋水流量为0.067 kg/s时，气水比的变化对2种塔型光管出水温度的影响基本相同，而当喷淋水流量为0.133，0.200，0.267 kg/s时，塔型2的光管出水温度明显低于塔型1。由此可以得出，喷淋水流量越大，气水比对光管出水温度的影响就越大，且对塔型2的影响要大于塔型1。这是因为塔型2的喷淋水经过填料预冷后再进入换热盘管，其温度更低，且经过填料区后喷淋水下落的速度缓慢，使得其与换热盘管的接触更充分，因此当气水比增大时，塔型2的性能更加优越。

图11 光管出水温度随气水比的变化Fig.11 Variations of outlet temperature of bare tube with the ratio of air to water for two types of tower

分析图12～14可看出，喷淋水流量一定时，两种塔型的翅片管区换热量和总换热量均随气水比的增加而增大，光管区换热量随气水比的增加而减小，且喷淋水流量越大，各区域的换热量越大。其原因是空气流量越大，翅片管的传热系数及光管的传质系数就越大，强化了传热传质效果；而光管换热量还受到翅片管出水温度的影响，虽然光管的传热传质系数增大，但光管区进口温度降低，光管内冷却水与空气的温差减小，导致光管区的换热量减小；总换热量是翅片管区与光管区共同作用的结果，翅片管区换热量的增加幅度大于光管换热量的减小幅度，所以冷却塔的总换热量也增加。

图12 翅片管区换热量随气水比变化Fig.12 Variations of heat exchange of finned tube area with the ratio of air to water

图13 光管区换热量随气水比变化Fig.13 Variations of heat exchange of bare tube area with the ratio of air to water

图14 总换热量随气水比的变化Fig.14 Variations of total heat exchange with the ratio of air to water

从图12～14还可发现，2种塔型的翅片管换热量差别不大，但不同喷淋水流量下的塔型2光管区换热量平均比塔型1要高200 W左右，这是因为塔型2的填料对喷淋水的温度进行了预冷，使得喷淋水与管内冷却水的温差增大，导致塔型2的光管区散热量更大；分析图14可知，塔型2的总换热量高于塔型1，且喷淋水流量越大，塔型2的总换热量比塔型1增加的越明显，这意味着喷淋水流量越大，塔型2的换热优势就越明显。

4 结论

（1）2种塔型的冷却性能均随空气流量的增加而得到改善，且空气流量越大，翅片管区发挥的作用就越大，光管区发挥的作用就越小。如当空气流量从0.08 kg/s增加到0.48 kg/s时，塔型1的翅片管区负荷比由0.228增加到0.740，塔型2的翅片管区负荷比由0.203增加到0.672；对应塔型1与塔型2的光管区负荷比分别由0.772，0.797减小到 0.260，0.328。

（2）2种塔型下各盘管区域的换热量和总换热量均随冷却水流量的增大而增加，且冷却水流量变化对塔型2的影响更大。如当冷却水流量从0.083 kg/s增加至0.167 kg/s时，塔型1的光管区换热量及总换热量分别增加了265，818 W，而塔型2的光管区换热量及总换热量分别增加了631，1 108 W。

（3）随喷淋水量增加，2种塔型下翅片管区和光管区的换热量和总换热量均增大，且喷淋水流量的变化对翅片管区的换热量影响较小，但对光管区的换热量影响较大。如当喷淋水流量从0.167 kg/s增加到0.250 kg/s时，塔型1与塔型2翅片管区的换热量分别增加了295，144 W，对应光管区换热量分别增加了458，764 W。

（4）喷淋水流量一定时，2种塔型的翅片管区换热量和总换热量均随气水比的增加而增大，光管区换热量随气水比的增加而减小；且喷淋水量越大，各区域的换热量越大，塔型2的换热优势就越明显。

（5）相同条件下，填料区在下的塔型2的冷却性能要优于光管区在下的塔型1。