劉聰聰 周亞素 張恒欽

1 東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2 上海良機(jī)冷卻設(shè)備有限公司

0 引言

針對(duì)現(xiàn)有冷卻塔水質(zhì)、水耗以及白煙[1]三大問題，將干式換熱與濕式換熱結(jié)合的復(fù)合式冷卻塔最早運(yùn)用于工業(yè)[2]，處理的冷卻水水溫較高，廣泛應(yīng)用于煉油、化工、動(dòng)力、冶金行業(yè)，是一種具有節(jié)能節(jié)水效益的換熱設(shè)備[3]。對(duì)處理40 ℃以下冷卻水的民用復(fù)合式冷卻塔，目前的研究主要集中在結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能研究。李雪[4]搭建了復(fù)合冷卻塔干濕盤管并聯(lián)型的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并研究其性能，實(shí)驗(yàn)表明，在干濕區(qū)流量配比為3:7 時(shí)冷卻性能達(dá)到最佳，冷卻效率可達(dá)57.44%。山東建筑大學(xué)王曉霞[5]通過MATLAB 軟件編程，探究了影響橫流復(fù)合閉式冷卻運(yùn)行性能的主要因素。然而對(duì)于復(fù)合式冷卻塔在過渡季節(jié)的性能研究比較少。

復(fù)合式冷卻塔可以采用干濕盤管復(fù)合串聯(lián)運(yùn)行、閉式冷卻塔運(yùn)行和翅片管與光管換熱器串聯(lián)空冷運(yùn)行。為研究復(fù)合式冷卻塔三種運(yùn)行模式在過渡季節(jié)的性能，本文通過處理能力為30T/h 的復(fù)合式冷卻塔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)條件下三種運(yùn)行模式的運(yùn)行性能，并總結(jié)出三種運(yùn)行模式下最佳截面風(fēng)速和噴淋水流量，為復(fù)合式冷卻塔過渡季節(jié)運(yùn)行提供指導(dǎo)。

1 復(fù)合式冷卻塔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

復(fù)合式冷卻塔是干式換熱與濕式換熱相結(jié)合的冷卻塔，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。該裝置主要分為三個(gè)部分，從上到下依次是干式翅片段、填料區(qū)和光管區(qū)。

圖1 復(fù)合式冷卻塔模型

通過閥門的開啟和閉合，該復(fù)合式冷卻塔可以有三種不同的運(yùn)行模式，模式一：干濕盤管復(fù)合串聯(lián)運(yùn)行，開啟閥門8、10 和15，關(guān)閉閥門11 和13，此時(shí)冷卻水先從上部進(jìn)入翅片管段，與管外空氣進(jìn)行換熱，然后進(jìn)入下部有噴淋水作用的光管，與管外水膜和空氣進(jìn)行換熱，使溫度降低。模式二：閉式冷卻塔運(yùn)行，開啟閥門11、13 和15，關(guān)閉閥門8 和10，此時(shí)冷卻水不進(jìn)入翅片管段，直接進(jìn)入下部有噴淋水作用的光管，與管外噴淋水和空氣進(jìn)行換熱。模式三：翅片管與光管換熱器串聯(lián)空冷運(yùn)行，開啟閥門8、10，關(guān)閉閥門11、13、15，此時(shí)相當(dāng)于在模式一的基礎(chǔ)上關(guān)閉噴淋水。

本實(shí)驗(yàn)研究的復(fù)合式冷卻塔設(shè)計(jì)的橫截面積1580 mm×1580 mm，高度為3210 mm。內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 復(fù)合式冷卻塔結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 冷卻水進(jìn)出口溫差

高溫冷卻水進(jìn)入冷卻塔后，通過換熱盤管散熱變成低溫冷卻水出塔。當(dāng)進(jìn)口水溫一定時(shí)，不同模式下的出口水溫越低，那么進(jìn)出口水溫溫差越大，則該模式下冷卻效果越好。冷卻水進(jìn)出口溫差成為衡量冷卻塔性能最直觀的參數(shù)指標(biāo)，計(jì)算方法如下：

式中：Δt 為實(shí)驗(yàn)中冷卻水進(jìn)出口溫差，℃；tfi為冷卻水進(jìn)口溫度，℃；tfO為冷卻水出口溫度，℃。

2.2 冷卻效率

通常，冷卻塔的冷卻效率定義為冷卻塔的實(shí)際冷卻量與理論最大冷卻量的比值，用η 表示，顯然，η 值越大，冷卻塔出口水溫度tfO越接近理論出水溫度即空氣的濕球溫度ts，冷卻塔的熱濕交換效果越好，η 的計(jì)算方法如下：

式中：tfi為冷卻水進(jìn)口溫度，℃；tfO為冷卻水出口溫度，℃；ts為空氣濕球溫度，℃。

2.3 能效系數(shù)

能效系數(shù)定義為冷卻塔單位阻力下的換熱量，用表示。三種運(yùn)行模式下，總阻力不一樣。在相同的氣象參數(shù)條件下和運(yùn)行參數(shù)下，三種模式下的冷卻塔的換熱量從理論分析來講也不一樣。能效系數(shù)的數(shù)值越大，說明冷卻塔單位能耗下的換熱量越高，性能越好。因此用能效系數(shù)來評(píng)估三種運(yùn)行模式的運(yùn)行性能。

式中：Q 為冷卻塔的換熱量，W；Pair為冷卻塔風(fēng)側(cè)能耗，Pa；Pflu為冷卻塔水側(cè)能耗，Pa。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)在上海過渡季節(jié)11 月份期間進(jìn)行，選用上海良機(jī)冷卻公司一處理能力為30T/h 的復(fù)合式冷卻塔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，空氣干球溫度與濕球溫度等實(shí)驗(yàn)氣象參數(shù)如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)氣象參數(shù)

實(shí)驗(yàn)過程中需要測(cè)試的參數(shù)以及測(cè)試儀表如表3所示。

表3 測(cè)試參數(shù)和測(cè)試儀表

實(shí)驗(yàn)過程中，通過改變風(fēng)機(jī)的頻率改變冷卻塔的截面風(fēng)速，不同風(fēng)機(jī)頻率對(duì)應(yīng)的截面風(fēng)速如表4。通過調(diào)節(jié)閥門15 的大小來調(diào)節(jié)噴淋水流量的大小，噴淋水流量選取10 m3/h、15 m3/h、20 m3/h、25 m3/h、30 m3/h。

表4 不同風(fēng)機(jī)頻率對(duì)應(yīng)的截面風(fēng)速

3.1 模式一運(yùn)行的工作性能

為研究模式一運(yùn)行的工作性能，通過調(diào)整閥門，使冷卻塔處于模式一運(yùn)行狀況下，保持冷卻水流量在30 m3/h，冷卻水進(jìn)口溫度29 ℃。首先改變風(fēng)機(jī)頻率，使得截面風(fēng)速穩(wěn)定在2.32 m/s，調(diào)節(jié)閥門，依次使噴淋水流量穩(wěn)定在10 m3/h、15 m3/h、20 m3/h、25 m3/h、30 m3/h，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。再增大風(fēng)機(jī)頻率使得截面風(fēng)速穩(wěn)定在2.87m/s，依次使噴淋水流量穩(wěn)定在10 m3/h、15 m3/h、20 m3/h、25 m3/h、30 m3/h。以此類推，直到截面風(fēng)速穩(wěn)定為4.6 m/s。

如圖2 至圖4 所示，模式一在截面風(fēng)速為3.82 m/s，噴淋水流量為25 m3/h 時(shí)，冷卻水進(jìn)出口溫差達(dá)到最大值為4.68 ℃，冷卻效率達(dá)到最高為39%，能效系數(shù)達(dá)到最大值為1.77 W/Pa。

圖2 模式一冷卻水進(jìn)出口溫差

圖3 模式一冷卻效率

圖4 模式一能效系數(shù)

當(dāng)保持冷卻塔的截面風(fēng)速恒定時(shí)，冷卻水進(jìn)出口溫差，冷卻效率和能效系數(shù)先隨著噴淋水流量的增大先增大，而后隨著噴淋水流量的增大而后略有減小。當(dāng)截面風(fēng)速為3.82 m/s 時(shí)，噴淋水流量從10 m3/h 增加到25 m3/h，冷卻水進(jìn)出口溫差由4.04 ℃增加到4.68℃，冷卻效率從33.67%增加到39%，能效系數(shù)從1.53 W/Pa 增加到1.77 W/Pa，然而噴淋水流量從25 m3/h 增加到30 m3/h，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均有略微減小，其中冷卻水進(jìn)出口溫差下降了0.02 ℃，冷卻效率下降了0.17%，能效系數(shù)下降了0.01 W/Pa。其主要原因是當(dāng)截面風(fēng)速恒定時(shí)，隨著噴淋水流量逐漸增加，噴淋密度增加，換熱量增大，從而冷卻水進(jìn)出口溫差增加，冷卻效率和能效系數(shù)也隨之增加，然而當(dāng)噴淋水流量過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致光管表面的水膜厚度增加，傳熱熱阻增加，使得換熱量略有下降，使得各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)略有下降。

當(dāng)保持噴淋水流量恒定時(shí)，冷卻水進(jìn)出口溫差、冷卻效率和能效系數(shù)先隨著截面風(fēng)速的增大先增大，而后隨著截面風(fēng)速的增大而后略有減小。如當(dāng)保持噴淋水流流量為25 m3/h 時(shí)，截面風(fēng)速由2.32 m/s 上升至3.82 m/s 時(shí)，模式1 的冷卻水處進(jìn)出口差由3.59 ℃上升到4.68 ℃，冷卻效率由29.92%上升至39%，但隨著截面風(fēng)速繼續(xù)增加至4.6 m/s，冷卻水進(jìn)出口溫差和冷卻效率反而下降了0.43 ℃和3.58%。其主要原因是當(dāng)截面風(fēng)速處于低風(fēng)速時(shí)，隨著截面風(fēng)速的增加，管外空氣的對(duì)流換熱系數(shù)增加，從而增加對(duì)流換熱量，但當(dāng)管外風(fēng)速過大時(shí)，在翅片區(qū)由于翅片的作用下反而形成渦流，引起對(duì)流換熱減弱，翅片區(qū)的冷卻水進(jìn)出口溫差有所降低，從而導(dǎo)致冷卻水總處理溫差有所下降，冷卻效果有所下降。

3.2 模式二運(yùn)行的工作性能

為研究模式二運(yùn)行的工作性能，通過調(diào)整閥門，使冷卻塔處于模式二運(yùn)行狀況下，然后保持冷卻水流量在30 m3/h，冷卻水進(jìn)口溫度29 ℃。改變風(fēng)機(jī)頻率，使得截面風(fēng)速穩(wěn)定在2.32 m/s，調(diào)節(jié)閥門，依次使噴淋水流量穩(wěn)定在10 m3/h、15 m3/h、20 m3/h、25 m3/h、30 m3/h，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。再增大風(fēng)機(jī)頻率使得截面風(fēng)速穩(wěn)定在2.87 m/s，依次使噴淋水流量穩(wěn)定在10 m3/h、15 m3/h、20 m3/h、25 m3/h、30 m3/h。以此類推，直到截面風(fēng)速穩(wěn)定為4.6 m/s。

從圖5 至圖7 可以看出，模式二在截面風(fēng)速為3.82 m/s 時(shí)，噴淋水流量為25 m3/h，冷卻水進(jìn)出口溫差達(dá)到最大值為4.03 ℃，冷卻效率達(dá)到最高值為33.58%，能效系數(shù)達(dá)到最大值為2.06 W/Pa。

圖5 模式二冷卻水進(jìn)出口溫差

圖6 模式二冷卻效率

圖7 模式二能效系數(shù)

從圖5 至圖7 還可知，模式二下的冷卻水進(jìn)出口溫差最大值比模式一的冷卻水進(jìn)出口溫差最大值少小0.65 ℃，冷卻效率最大值比模式一的冷卻效率最大值小5.42%。這是由于模式一與該模式相比較比較，該模式下的冷卻水直接進(jìn)入光管區(qū)與管外空氣和噴淋水進(jìn)行換熱，然而，模式一下的冷卻水首先經(jīng)過翅片段與管外空氣進(jìn)行顯熱交換，預(yù)冷之后再流入光管區(qū)與空氣和噴淋水進(jìn)行熱濕交換，上部翅片管區(qū)的干式換熱對(duì)冷卻水的降溫作用有一定的作用，所以該模式的冷卻水進(jìn)出口溫差較模式一要略低，冷卻效果較模式一差。

模式二的能效系數(shù)最大值比模式一能效系數(shù)的最大值大0.29 W/Pa，主要是因?yàn)槟Ｊ揭幌鹿軆?nèi)冷卻水首先流過翅片段進(jìn)行預(yù)冷，而模式二下冷卻水直接流入光管進(jìn)行冷卻，模式二的阻力與模式一的阻力相比，少了翅片段的冷卻水水阻這一部分，而翅片區(qū)的冷卻水水阻在總阻力中不可忽略，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，翅片段冷卻水水阻約為0.024 MPa，約占冷卻水總水阻的26.1%，雖然模式二下冷卻塔的最大換熱量比模式一下冷卻塔的最大換熱量要少，但是模式二下總阻力比模式一的總阻力要小，因此單位阻力下的換熱量比模式一要大，所以模式二的能效系數(shù)大于模式一，因此在滿足冷卻水出口溫度的情況下，采用模式二閉式冷卻塔運(yùn)行更為節(jié)能。

3.3 模式三運(yùn)行的工作性能

為研究模式三運(yùn)行的工作性能，通過調(diào)整閥門，使冷卻塔處于模式三運(yùn)行狀況下，然后保持冷卻水流量在30 m3/h，冷卻水進(jìn)口溫度29 ℃。

由圖8 可知，當(dāng)冷卻塔處于模式三運(yùn)行下，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)都是隨著截面風(fēng)速的增加而增加。當(dāng)截面風(fēng)速從2.32 m/s 上升至4.6 m/s 時(shí)，其中冷卻水進(jìn)出口溫差從0.50 ℃增加到1.02 ℃，冷卻效率從3.9%增加到8.83%，能效比從0.19 W/Pa 增加到0.39 W/Pa。

圖8 模式三運(yùn)行性能

隨著截面風(fēng)速的增加，管外的對(duì)流換熱系數(shù)增加，換熱量逐漸增加，因此冷卻水進(jìn)出口溫差和冷卻效率逐漸增加。但是截面風(fēng)速過高時(shí)，能效系數(shù)的增加趨勢(shì)越來越緩慢，這是因?yàn)殡S著截面風(fēng)速的增加，冷卻塔內(nèi)空氣側(cè)阻力逐漸增大，從而冷卻塔的總阻力增大，導(dǎo)致冷卻塔單位阻力下的換熱量的增加趨勢(shì)逐漸減小。

從圖8 還可知，模式三的各項(xiàng)指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于模式一和模式二的各項(xiàng)指標(biāo)。模式三的冷卻水進(jìn)出口溫差最大值為1.02 ℃，分別是模式一和模式二冷卻水進(jìn)出口溫差最大值的21.8%和25.3%，冷卻效率最大值分別是模式一和模式二冷卻效率的最大值的22.6%和26.3%，能效系數(shù)最大值分別是模式一和模式二冷卻效率的最大值的22%和18.9%。這是因?yàn)槟Ｊ饺軆?nèi)冷卻水與管外空氣換熱的主要影響因素為空氣的干球溫度，管外空氣的干球溫度越低，即管外空氣干球溫度與管內(nèi)冷卻水溫度的差值越大，冷卻效果越好，然而在該試驗(yàn)條件下，冷卻水溫度為29 ℃，空氣干球溫度為24.3 ℃，空氣干球溫度較高，二者差值較小，因此冷卻塔的換熱量較小，冷卻效果不佳；模式一和模式二下的冷卻塔換熱的主要影響因素為空氣的濕球溫度，管外空氣濕球溫度越低，即管外空氣的濕球溫度與管內(nèi)冷卻水溫度的差值越大，冷卻效果越好，在該試驗(yàn)條件下，冷卻水溫度為29 ℃，空氣濕球溫度為17 ℃，二者差值較大，因此冷卻塔整體的換熱量較大，冷卻效果較好。

4 結(jié)論

1）在該實(shí)驗(yàn)條件下，從冷卻水進(jìn)出口溫差和冷卻效率這兩個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)運(yùn)行性能，復(fù)合式冷卻塔以模式一干濕盤管復(fù)合串聯(lián)模式和模式二閉式冷卻塔運(yùn)行時(shí)，冷卻效果較好，模式一和模式二冷卻水進(jìn)出口溫差最大值分別為4.68 ℃和4.03 ℃，冷卻效率最大分別可以達(dá)到39%和33.58%，而模式三翅片管與光管換熱器串聯(lián)空冷運(yùn)行的冷卻效果不佳。從能效系數(shù)來評(píng)價(jià)運(yùn)行性能，模式二運(yùn)行性能較好，當(dāng)截面風(fēng)速為3.82 m/s，噴淋水流量為25 m3/h 時(shí)，能效系數(shù)達(dá)到最大值2.06 W/Pa，因此若在滿足冷卻水進(jìn)出口溫度和冷卻效率的前提下，復(fù)合式冷卻塔可以優(yōu)先采用模式二閉式冷卻塔運(yùn)行。

2）由于影響模式一干濕盤管復(fù)合串聯(lián)模式和模式二閉式冷卻塔模式冷卻效果的主要因素為空氣的濕球溫度，影響模式三翅片管與光管換熱器串聯(lián)空冷運(yùn)行冷卻效果的主要因素為空氣的干球溫度，本實(shí)驗(yàn)條件下的空氣濕球溫度與冷卻水進(jìn)口溫度的差值較大，空氣干球溫度與冷卻水進(jìn)口溫度差值較小，因此模式一和模式二比模式三的冷卻效果要好，預(yù)測(cè)在空氣干球溫度較低的情況下，模式三的冷卻效果能得到改善，具體換熱效果需要在冬季干球溫度較低的氣象條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。