李慧珍，孔慶杰2，謝德強(qiáng)

(1.河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022；2.江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001)

隨著國(guó)家工業(yè)化水平的不斷發(fā)展，水作為冷卻介質(zhì)被大量用于工業(yè)生產(chǎn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在城市及工業(yè)用水當(dāng)中，冷卻水量就占了其總用水量的70%～80%左右[1]，由于我國(guó)水資源的短缺，所以循環(huán)利用水資源不失為一個(gè)很好的解決方法，而冷卻塔是能夠達(dá)到這種效果的普遍被采用的冷卻設(shè)備之一[2]。被冷卻介質(zhì)由冷卻水泵加壓輸送至冷卻塔的分配管中，然后經(jīng)噴嘴噴淋到填料上，與此同時(shí)，環(huán)境空氣由于塔的抽吸作用從塔底四周吸入，橫穿填料層與被冷卻介質(zhì)進(jìn)行充分的熱質(zhì)交換。冷卻塔效率的高低與填料的傳熱傳質(zhì)性能密切相關(guān)。因此深入了解逆流濕式冷卻塔內(nèi)填料的傳熱傳質(zhì)性能，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。Gharagheizi等[3]對(duì)機(jī)械通風(fēng)冷卻塔中垂直波紋填料(VCP)和水平波紋填料(HCP)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，認(rèn)為氣水比、填料類型和布置方式影響塔的換熱性能。Milosavljevic等[4]詳細(xì)分析了不同填料結(jié)構(gòu)對(duì)冷卻塔性能的影響，并通過模型塔的實(shí)驗(yàn)，給出了不同結(jié)構(gòu)形狀PVC填料熱力特性的經(jīng)驗(yàn)公式。Goshayshi等[5-6]通過對(duì)填料不同波紋形狀、材質(zhì)及排列方式下冷卻塔性能的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)增大填料的斜度和肋的斜度都能引起傳質(zhì)系數(shù)的降低，填料垂直排列冷卻效果更好。胡三季等人[7]通過對(duì)常用PVC填料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出不同類型和不同高度的填料的熱力特性和阻力特性的關(guān)系式。呂珍余[8]對(duì)表面沖有網(wǎng)孔的孔板波紋填料和人字波紋填料熱源塔進(jìn)行了熱質(zhì)傳遞性能的研究，得到了表面沖孔的孔板波紋填料的換熱量大于人字波紋填料。劉珊[9]對(duì)填料孔徑進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)孔徑減小，冷卻效率明顯提高。由世俊等人[10]對(duì)金屬填料在空氣冷卻器及其在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：金屬填料是一種性能良好的空氣熱濕處理材料。文獻(xiàn)[11-12]均研究了金屬填料對(duì)冷卻塔傳熱傳質(zhì)的影響。當(dāng)前對(duì)冷卻塔填料的研究主要集中與PVC填料，對(duì)金屬填料的研究較少，本文從不銹鋼填料在冷卻塔內(nèi)的熱質(zhì)交換進(jìn)行研究，為不銹鋼填料的工程化設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了參考。

不銹鋼填料具有比表面積大、耐腐蝕、使用壽命長(zhǎng)、導(dǎo)熱性能好以及綜合性能高等優(yōu)點(diǎn)。波紋板上的孔洞不僅可以降低通風(fēng)阻力，而且還可以使填料表面的冷卻水分布更均勻[13]，提高填料的潤(rùn)濕性。本文對(duì)逆流濕式冷卻塔內(nèi)S波、人字波和V波不銹鋼填料與S波PVC填料的熱力性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了S波不銹鋼填料冷卻塔進(jìn)出水溫差、冷卻塔冷卻效率以及總換熱量隨淋水密度的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料與裝置

1.1 填料材料與結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)采用的填料波紋板均是利用沖孔及壓制波紋的方式制作而成，再結(jié)合成熟的規(guī)整填料外形，采用焊接工藝將波峰和波谷斜交錯(cuò)粘結(jié)，制作了本文研究的不銹鋼填料。不銹鋼填料波紋板由V字型斜波組成，斜波邊長(zhǎng)為250 mm，波峰與波谷間距42 mm，波紋傾角60°，貫通孔為250 mm×250 mm的規(guī)則菱形孔，為延長(zhǎng)熱質(zhì)交換時(shí)間和減小風(fēng)阻，不銹鋼填料表面均勻布置有直徑為2 mm的孔洞和斜紋滯留槽，如圖1所示。S波不銹鋼填料板面為S波型流道，人字波不銹鋼填料板面為人字波型流道，V波不銹鋼填料板面為V波型流道。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試過程

本研究建立的機(jī)械通風(fēng)式逆流濕式冷卻塔實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置(MCWCT)，如圖2所示。塔體外部結(jié)構(gòu)尺寸為620 mm×620 mm×2 000 mm，塔內(nèi)不銹鋼填料尺寸為600 mm×600 mm×700 mm。冷卻塔內(nèi)采用管式壓力配水，水分配器為5根DN50鋼管等間距排列組成，每根鋼管底部等間距開孔并裝有噴嘴，開孔直徑為7 mm。冷卻水流量采用XELZ-250LZ金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量。冷卻塔進(jìn)出口空氣的干濕球溫度和含濕量采用DT-8896溫度儀測(cè)量，測(cè)量結(jié)果取多個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值。冷卻塔進(jìn)出水溫度采用TT-K24型銅-康銅熱電偶測(cè)量，測(cè)點(diǎn)布置在冷卻塔進(jìn)口和冷卻塔出口處，采用多個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果取平均值。本實(shí)驗(yàn)采用等面布點(diǎn)法，利用AS8166熱線風(fēng)速儀測(cè)量冷卻塔出風(fēng)直管段端面的各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速，取各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速的算術(shù)平均值作為出口平均風(fēng)速vm，各實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器參數(shù)見表1。通過冷卻塔填料塊的空氣質(zhì)量流量ma由以下方程得出

ma=3 600×vm×S×ρa(bǔ)

(1)

式中S——冷卻塔斷面面積;

ρa(bǔ)——空氣密度。

表1 實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試儀器型號(hào)規(guī)格

為保證本實(shí)驗(yàn)的直觀性和可比較性，實(shí)驗(yàn)過程中盡量保證冷卻塔進(jìn)出口空氣的干濕球溫度穩(wěn)定不變，取干球溫度為31.6℃，濕球溫度為27.8℃。實(shí)驗(yàn)過程中以進(jìn)塔水溫和淋水密度為自變量，進(jìn)塔水溫取值為34～40℃，填料的淋水密度取值為6.0～9 m3/(m2·h)。

2 冷卻塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)特性

2.1 冷卻塔進(jìn)出水溫差

冷卻塔進(jìn)出水溫差是指冷卻塔進(jìn)塔水溫和冷卻塔出塔水溫的差值，一般其值越大表明冷卻效果越好

ΔT=Tw,i-Tw,o

(2)

式中Tw,i——冷卻塔進(jìn)塔水溫/℃；

Tw,o——冷卻塔出塔水溫/℃。

2.2 冷卻效率

冷卻效率作為評(píng)價(jià)冷卻塔性能的一個(gè)重要指標(biāo)，逆流濕式冷卻塔的冷卻效率按以下公式計(jì)算

(3)

式中e——冷卻效率；

Twb,i——空氣進(jìn)口濕球溫度/℃。

2.3 總換熱量

對(duì)于逆流濕式冷卻塔的總換熱量H按以下公式計(jì)算

H=Cw,iQwTw,i-Cw,o(Qw-Qv)Tw,o

=Qw(Cw,iTw,i-CwoTwo)+QvTw,oCw,o

(4)

式中Qw——噴淋水質(zhì)量流量/m3·h-1；

Qv——水蒸發(fā)率/m3·h-1；

Cw,i——進(jìn)塔水的比熱容/kJ·kg-1·℃-1；

Cw,o——出塔水的比熱容/kJ·kg-1·℃-1；

mda——經(jīng)過填料單位面積上的干空氣質(zhì)量流量/m3·(m2·h)-1；

Cpw——水的比熱容/kJ·kg-1·℃-1；

λ——?dú)馑龋?/p>

k——蒸發(fā)水量熱量系數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

隨著冷卻塔進(jìn)口平均風(fēng)速的增加，冷卻塔冷卻效率也變大，但在風(fēng)量過大的情況下會(huì)使得空氣和水之間接觸時(shí)間減小，換熱量減小，導(dǎo)致冷卻塔的冷卻效率降低，甚至?xí)霈F(xiàn)空氣帶水飛出填料的情況，因此冷卻塔進(jìn)口平均風(fēng)速不應(yīng)太大，本實(shí)驗(yàn)中取值為1.8 m/s。因?yàn)榱芩芏瘸^一定值后，水膜會(huì)形成雨滴下落，使得氣、水之間冷卻時(shí)間和冷卻面積減少，所以本實(shí)驗(yàn)淋水密度取值為6.5 m3/(m2·h)。

3.1 S波、人字波和V波不銹鋼填料與S波PVC填料冷卻塔進(jìn)出水溫差的比較

由圖3可知，在實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，不銹鋼填料和PVC填料冷卻塔進(jìn)出水溫差隨進(jìn)塔水溫的升高而增大。因?yàn)楫?dāng)僅改變進(jìn)塔水溫，而空氣參數(shù)和淋水密度沒有改變時(shí)，這就使進(jìn)入薄膜填料的總熱量增大，進(jìn)塔水溫的升高增強(qiáng)了空氣與水之間的顯熱交換，使空氣焓值增加，提高了水的蒸發(fā)率，從而冷卻塔進(jìn)出水溫差不斷增大。從圖中可以看出，S波不銹鋼冷卻塔進(jìn)出水溫差>人字波不銹鋼冷卻塔進(jìn)出水溫差>V波不銹鋼冷卻塔進(jìn)出水溫差>S波PVC冷卻塔進(jìn)出水溫差，導(dǎo)致這種變化趨勢(shì)的原因可歸結(jié)為不銹鋼填料的金屬導(dǎo)熱特性增強(qiáng)了氣、水之間的熱質(zhì)傳遞。進(jìn)塔水溫在34.5℃之前，V波不銹鋼冷卻塔進(jìn)出水溫差小于S波PVC冷卻塔進(jìn)出水溫差，在進(jìn)塔水溫到達(dá)34.5之后，V波不銹鋼冷卻塔進(jìn)出水溫差大于S波PVC冷卻塔進(jìn)出水溫差，這是由于不銹鋼填料的金屬導(dǎo)熱特性引起的溫度變化大于波形面積引起的溫度變化。

3.2 S波、人字波和V波不銹鋼填料與S波PVC填料冷卻塔冷卻效率的比較

由圖4可知，不銹鋼填料和PVC填料冷卻塔冷卻效率隨進(jìn)塔水溫的升高先增大后減小，從冷卻效率計(jì)算式(3)看到，冷卻塔進(jìn)出水溫差越大，冷卻塔進(jìn)塔水溫與進(jìn)口空氣濕球溫度的差值越小，則冷卻塔冷卻效率越高，由前面對(duì)冷卻塔進(jìn)出水溫差變化規(guī)律的分析可知，冷卻塔進(jìn)出水溫差隨進(jìn)塔水溫的升高呈現(xiàn)先陡峭后平緩增加的趨勢(shì)，而進(jìn)塔水溫與冷卻塔進(jìn)口空氣濕球溫度的差值也越來越大，故冷卻塔冷卻效率先增大后減小，在38～39℃之間，不銹鋼填料和PVC填料冷卻塔的冷卻效率達(dá)到最大。

3.3 S波、人字波和V波不銹鋼填料與S波PVC填料冷卻塔總換熱量的比較

由圖5可知，不銹鋼填料和PVC填料冷卻塔總換熱量隨進(jìn)塔水溫的升高而增大，不銹鋼填料冷卻塔總換熱量由空氣與冷卻水的直接傳熱量和蒸發(fā)散熱量以及金屬的導(dǎo)熱量組成，而PVC填料因?yàn)槭撬芰霞?，不存在金屬?dǎo)熱，故在同一溫度下，不銹鋼填料冷卻塔總換熱量大于PVC填料總換熱量。同時(shí)由冷卻塔總換熱量的公式(4)也可以看出，影響總換熱量的因素是冷卻塔進(jìn)出水溫差。從傳熱傳質(zhì)的角度來說，水蒸發(fā)的擴(kuò)散速率隨進(jìn)塔水溫升高而增大，使得水和空氣的傳熱傳質(zhì)更加劇烈，總換熱量增大。

3.4 S波不銹鋼填料冷卻塔進(jìn)出水溫差隨淋水密度的變化

由圖6可知，在進(jìn)塔水溫和冷卻塔進(jìn)口平均風(fēng)速一定的情況下，S波不銹鋼填料冷卻塔進(jìn)出水溫差隨淋水密度的增大而減小。根據(jù)直接蒸發(fā)冷卻過程分析可知，隨著淋水密度的增加，填料表面的水膜不斷變厚，而只有與空氣接觸的水膜表面才能進(jìn)行有效散熱，故水膜越厚，散熱越不充分；同時(shí)水膜變厚后容易呈水柱狀滑落，氣、水之間接觸面積和冷卻時(shí)間均減小，導(dǎo)致冷卻塔出水溫度升高，冷卻塔進(jìn)出水溫差變小。同一淋水密度下，冷卻塔進(jìn)出水溫差隨進(jìn)塔水溫的升高而增大。這是因?yàn)樗疁厣?，飽和蒸氣壓值也隨之升高，水的蒸發(fā)率提高，氣水間的熱量傳遞更加劇烈，出塔水溫降低，所以冷卻塔進(jìn)出水溫差升高。

3.5 S波不銹鋼填料冷卻塔冷卻效率隨淋水密度的變化

由圖7可知，在進(jìn)塔水溫和冷卻塔進(jìn)口平均風(fēng)速一定的情況下，S波不銹鋼填料冷卻塔的冷卻效率隨著淋水密度的增大而減小。因?yàn)槔鋮s塔進(jìn)塔水溫與進(jìn)塔空氣濕球溫度一定時(shí)，出塔水溫越低，則冷卻塔的冷卻效率越高，即對(duì)于同一進(jìn)塔條件下，冷卻塔進(jìn)出水溫差越大，效率越高，由冷卻塔進(jìn)出水溫差變化規(guī)律可知，冷卻塔進(jìn)出水溫差隨淋水密度的增大而減小，故冷卻塔冷卻效率也隨之減小。同時(shí)可以看出，冷卻塔進(jìn)口平均風(fēng)速一定時(shí)，冷卻塔冷卻效率隨進(jìn)塔水溫的升高而增大。因?yàn)檫M(jìn)塔水溫升高，飽和蒸氣壓值也隨之升高，提高了水的蒸發(fā)率，出塔水溫降低，進(jìn)出口水溫差值增大，冷卻效率升高。

3.6 S波不銹鋼填料冷卻塔總換熱量隨淋水密度的變化

由圖8可知，當(dāng)進(jìn)塔水溫和冷卻塔進(jìn)口平均風(fēng)速一定時(shí)，S波不銹鋼填料冷卻塔的總換熱量隨填料淋水密度的增大而減小。因?yàn)橛绊懣倱Q熱量的主要因素是冷卻塔進(jìn)出水溫差和氣水比，當(dāng)冷卻塔進(jìn)口平均風(fēng)速一定時(shí)，隨著淋水密度的增加，氣水比和冷卻塔進(jìn)出水溫差均減小，同時(shí)當(dāng)淋水密度超過一定值后，流經(jīng)填料貫通孔表面的水膜過厚，部分水量直接落至集水箱，冷卻時(shí)間和冷卻面積均減少，二者綜合影響導(dǎo)致了總換熱量逐步減小。此外，在同一淋水密度下，冷卻塔總換熱量隨進(jìn)塔水溫的升高而增大，因?yàn)樗疁厣?，飽和蒸氣壓值也隨之升高，水的蒸發(fā)率提高，氣、水間的熱量傳遞更加劇烈，所以總換熱量增大。

4 結(jié)論

本文在較寬的操作工況范圍內(nèi)對(duì)比研究了逆流濕式冷卻塔內(nèi)S波、人字波和V波不銹鋼填料及S波PVC填料的熱力性能隨進(jìn)塔水溫的變化規(guī)律，同時(shí)研究了S波不銹鋼填料的熱力性能隨淋水密度的變化規(guī)律，得到了以下結(jié)論：

(1)S波、人字波和V波不銹鋼填料及S波PVC填料冷卻塔進(jìn)出水溫差和總換熱量隨進(jìn)塔水溫的增大而增大，而S波、人字波和V波不銹鋼填料及S波PVC填料冷卻塔的冷卻效率隨進(jìn)塔水溫的增加先增大后減小，且進(jìn)塔溫度在37.5～38.5℃時(shí)，冷卻塔的冷卻效率達(dá)到最大。

(2)進(jìn)塔水溫在35.5℃之前，S波、人字波和V波不銹鋼填料及S波PVC填料的熱力性能相差不大，隨著進(jìn)塔水溫的增大，由于不銹鋼填料的金屬導(dǎo)熱特性，S波、人字波和V波不銹鋼填料及S波PVC填料的熱力性能相差越來越大，不銹鋼填料的熱力性能明顯優(yōu)于常用PVC填料。

(3)在冷卻塔進(jìn)塔水溫和進(jìn)口平均風(fēng)速一定時(shí)，S波不銹鋼填料冷卻塔進(jìn)出水溫差，冷卻塔的冷卻效率和總換熱量均隨淋水密度的增大而較小，在同一淋水密度下，S波不銹鋼填料冷卻塔進(jìn)出水溫差，冷卻塔的冷卻效率和總換熱量隨進(jìn)塔水溫的升高而增大。