立式降膜閉式冷卻塔熱力性能試驗研究

陳二雄，朱冬生，朱 冰，涂愛民，劉世杰，陳杭生

（1.中國科學(xué)院 廣州能源研究所，廣州 510640；2.廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司，廣州 510663）

0 引言

蒸發(fā)冷卻式作為一種高效的散熱方式，不僅可以應(yīng)用于空氣處理的過程中，還可以應(yīng)用于冷卻其他高溫的流體[1]。其中，閉式冷卻塔作為間接蒸發(fā)冷卻散熱方式的一種常見設(shè)備，在空調(diào)、制藥、化工、發(fā)電等各行業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用。而其中作為核心部件的蒸發(fā)式冷卻器最為重要，其熱力性能直接影響到閉式冷卻塔的使用效果。間接蒸發(fā)冷卻器的形式主要有板翅式、管式和熱管式3種，目前常用的為板翅式和管式兩種[2]。其中，盤管型蒸發(fā)冷卻器使用最廣，分為水平式和垂直式兩種，管型又可分為圓管、橢圓管、扭曲管和波紋管等。

管式間接蒸發(fā)冷卻器通常臥式布置，導(dǎo)致其占地面積較大，布置時受空間限制[3]。另外，在含塵濃度較高的場合，臥式布置的管式間接蒸發(fā)冷卻器在使用一段時間后，容易發(fā)生換熱管內(nèi)壁結(jié)垢現(xiàn)象。

當前，國內(nèi)對立管式（垂直式）蒸發(fā)式冷卻器的研究較少，常健佩等[4]基于間接蒸發(fā)冷卻器熱質(zhì)交換的能量方程，優(yōu)化了立管式間接蒸發(fā)冷卻器的計算模型，測試了立管式間接蒸發(fā)冷卻器的冷卻性能。樊麗娟等[5]設(shè)計了一臺換熱管采用多孔陶瓷材料且換熱管立式布置的間接蒸發(fā)冷卻器，并且以該間接蒸發(fā)冷卻器為基礎(chǔ)搭建了實驗臺，對該間接蒸發(fā)冷卻器進行了性能測試，研究其溫降和效率等性能。

為了進一步提高立管式間接蒸發(fā)冷卻器的換熱效率，降低閉式冷卻塔的耗電和耗水，針對立管式間接蒸發(fā)冷卻器的結(jié)構(gòu)原理設(shè)計開發(fā)扭曲管式立式降膜閉式冷卻塔，通過在變循環(huán)冷卻水流量以及變風(fēng)機頻率、噴淋水流量工況下研究其溫降和效率等性能。

1 立式降膜閉式冷卻塔結(jié)構(gòu)

閉式冷卻塔是利用空氣和噴淋水對間接蒸發(fā)冷卻器內(nèi)部循環(huán)冷卻水進行冷卻降溫的設(shè)備。主要功能是對循環(huán)冷卻水降溫，滿足設(shè)備的熱負荷要求，因此循環(huán)冷卻水的出水溫度和流量要滿足使用要求。

閉式冷卻塔主要由間接蒸發(fā)冷卻器、風(fēng)機、噴淋水泵、填料、集水箱和噴淋系統(tǒng)等組成。間接蒸發(fā)冷卻器作為閉式冷卻塔的核心部件，其性能直接影響閉式冷卻塔的使用效果。本研究課題所采用的間接蒸發(fā)冷卻器為立管式結(jié)構(gòu)，管型采用扭曲管，噴淋水膜沿著管壁向下螺旋流動，同時小部分空氣從噴淋口側(cè)進入，達到風(fēng)水同向的效果，進一步強化噴淋水膜側(cè)對流傳熱系數(shù)。

圖1示出立管式間接蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)。

圖1 立管式間接蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)Fig.1 The structural diagram of vertical tube indirect evaporative cooler

由圖1可知，該換熱器由若干管排組成，每個管排又是由若干根豎直布置的扭曲換熱管通過彎頭相互連通，最后通過集水管輸送給用水設(shè)備。

2 立式降膜閉式冷卻塔試驗研究

2.1 試驗系統(tǒng)組成

閉式冷卻塔熱力性能試驗測試平臺如圖2所示，包括被測閉式冷卻塔、熱水箱、電加熱控制系統(tǒng)、循環(huán)水泵、流量計、氣液壓差計、溫度傳感器和超聲波流量計等。

圖2 閉式冷卻塔熱力性能試驗測試平臺原理Fig.2 Schematic diagram of thermal performance test platform for closed cooling tower

閉式冷卻塔循環(huán)冷卻水進出口溫度由溫度傳感器測量，循環(huán)冷卻水經(jīng)水泵驅(qū)動，流經(jīng)閉式冷卻塔蒸發(fā)式冷卻器降溫散熱后，回流至熱水箱中，被電加熱器重新加熱，其流量通過渦街流量計測量。蒸發(fā)式冷卻器進出口壓降通過氣液壓差計測量，通過閥門調(diào)節(jié)循環(huán)冷卻水的流量，得到在不同流量下的壓降數(shù)值。另外，噴淋水流量則通過裝在噴淋水管上的超聲波流量計進行測量。

2.2 試驗工況

所有試驗均在閉式冷卻塔熱力性能試驗測試平臺上進行，環(huán)境干濕球溫度通過溫濕度計測量，試驗工況見表1。

表1 閉式冷卻塔熱力性能試驗工況Tab.1 Thermal performance test conditions of closed cooling tower

2.3 誤差分析

在試驗的過程中需要對溫度、流量、壓力等各項參數(shù)進行測量，采用的測量方式及其量程、精確度見表2。

表2 試驗參數(shù)測量儀器及其量程、精度Tab.2 The range and accuracy of test parameter measuring instrument

2.4 試驗結(jié)果分析

閉式冷卻塔進風(fēng)參數(shù)主要包空氣的溫濕度（濕球溫度）和風(fēng)量，變風(fēng)量通過變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機的頻率實現(xiàn)，包括30，40，50 Hz，對應(yīng)的風(fēng)量分別為 15 292，23 581，32 889 m3/h。通過調(diào)節(jié)不同循環(huán)冷卻水流量（流量范圍為14～34.3 m3/h），得到在對應(yīng)流量下閉式冷卻塔的各項性能參數(shù)，主要包括換熱量、壓降、冷卻水進出口溫度以及空氣出口溫度等參數(shù)。

圖3示出不同風(fēng)機頻率下，閉式冷卻塔換熱量隨循環(huán)冷卻水流量的變化規(guī)律。從圖可看出，當風(fēng)機頻率為30 Hz時，在流量范圍14.5～34.3 m3/h內(nèi)，換熱量145.6～153.8 kW；當風(fēng)機頻率為40 Hz時，在同樣流量范圍內(nèi)，換熱量為148.3～163.7 kW；而當風(fēng)機頻率升到最高50 Hz時，在該流量范圍內(nèi)，換熱量則為151.9～165.7 kW。由上可知，隨著風(fēng)機頻率的增大，換熱量能在更高的范圍內(nèi)變化。但是，在循環(huán)冷卻水流量較低時，所需的空氣流量相對較少，因此閉式冷卻塔的換熱量受風(fēng)機頻率變化影響不大。但隨著循環(huán)冷卻水流量的增大，超過32 m3/h后，三者都呈現(xiàn)突然增大的趨勢，說明在高冷卻水流量下，風(fēng)量的影響比較大。

圖3 冷卻塔換熱量隨冷卻水流量的變化規(guī)律Fig.3 Variation law of cooling tower heat exchange capacity with cooling water flow rate

圖4示出閉式冷卻塔立管式間接蒸發(fā)冷卻器壓降隨循環(huán)冷卻水流量的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著循環(huán)冷卻水流量的增大，立管式間接蒸發(fā)冷卻器管內(nèi)壓降也隨之增大，這是因為在相同流通面積下，循環(huán)冷卻水流量越大，管內(nèi)流速也越大，造成壓降增大。立管式間接蒸發(fā)冷卻器壓降越大，會造成冷卻水泵功耗增大，因此在設(shè)計階段就要根據(jù)冷卻水流量選擇合理的換熱器結(jié)構(gòu)，包括管徑、管排數(shù)以及扭曲管的結(jié)構(gòu)參數(shù)等。

圖4 立管式間接蒸發(fā)冷卻器壓降隨冷卻水流量的變化規(guī)律Fig.4 The variation law of vertical tube indirect evaporative cooler pressure drop with cooling water flow rate

圖5示出了風(fēng)機頻率30 Hz，風(fēng)量15 292 m3/h時，冷卻塔進、出水溫隨冷卻水流量的變化。從圖可見，隨著循環(huán)冷卻水的增加，閉式冷卻塔冷卻水進口溫度在42.5～47.1 ℃范圍內(nèi)變化，冷卻水出水溫度則在37.5～39.6 ℃之間。隨著冷卻水流量由14.5 m3/h增加到34.3 m3/h，流量增加了136.6%，冷卻水進出口溫差隨著冷卻水流量的增大而減少，由9.2 ℃下降到3.9 ℃，下降了57.6%。

圖5 進、出水溫度隨冷卻水流量的變化規(guī)律（30 Hz）Fig.6 Variation law of inlet and outlet water temperature with cooling water flow rate（30 Hz）

圖6示出了風(fēng)機頻率40 Hz，風(fēng)量23 581 m3/h時，冷卻塔進、出水溫度隨冷卻水流量的變化。從圖可見，隨著循環(huán)冷卻水的增加，閉式冷卻塔冷卻水進口溫度在40.4～45.5 ℃范圍內(nèi)變化，冷卻水出水溫度則在35.6～38 ℃之間。隨著冷卻水流量由14.6 m3/h增加到33.9 m3/h，流量增加了132.2%，冷卻水進出口溫差隨著冷卻水流量的增大而減少，由9.1 ℃下降到4.2 ℃，下降了53.8%。

圖6 進、出水溫度隨冷卻水流量的變化規(guī)律（40 Hz）Fig.6 Variation law of inlet and outlet water temperature with cooling water flow rate（40 Hz）

圖7示出了風(fēng)機頻率50 Hz，風(fēng)量32 889 m3/h時，冷卻塔進、出水溫度隨冷卻水流量的變化。從圖可見，隨著循環(huán)冷卻水的增加，閉式冷卻塔冷卻水進口溫度在39.2～43.3 ℃范圍內(nèi)變化，冷卻水出水溫度則在34.2～36.2 ℃之間。隨著冷卻水流量由14.5 m3/h增加到34.3 m3/h，流量增加了136.6%，冷卻水進出口溫差隨著冷卻水流量的增大而減少，由9.1 ℃下降到4.2 ℃，下降了53.8%。

圖7 進、出水溫度隨冷卻水流量的變化規(guī)律（50 Hz）Fig.7 Variation law of inlet and outlet water temperature with cooling water flow rate（50 Hz）

從圖5～7可知，隨著風(fēng)機頻率由30 Hz升到50 Hz，閉式冷卻塔冷卻水進口溫度變化范圍和冷卻水出水溫度變化范圍都呈下降趨勢，而溫差則基本保持不變。這是因為空氣流量增大，可及時將噴淋水蒸發(fā)變成的水蒸氣帶走，使冷卻盤管周圍的水蒸氣分壓力降低，以利于后來噴淋水的蒸發(fā)。但風(fēng)量也不宜過大，若風(fēng)量過大，水的飄逸量將隨之增加，不利于節(jié)約用水；同時，風(fēng)機的耗電量也將增加[6]。

圖8示出閉式冷卻塔出風(fēng)干球溫度和濕球溫度隨冷卻水流量的變化規(guī)律。從圖中可以看出，當風(fēng)機頻率一定時，隨著循環(huán)冷卻水流量的增大，出風(fēng)干球溫度和濕球溫度都呈上升趨勢，這是因為循環(huán)冷卻水流量越大，傳遞給管外水膜的顯熱量就越大，水膜溫度隨之增高，造成空氣吸收的顯熱量也會更多，溫度升高。

圖8 出風(fēng)干濕球溫度隨冷卻水流量的變化規(guī)律Fig.8 Variation law of outlet air dry and wet bulb temperature with cooling water flow rate

另外，在相同冷卻水流量下，風(fēng)機頻率越高，出風(fēng)干球溫度和濕球溫度就會越低，由能量守恒原理可知，在空氣進風(fēng)狀態(tài)相同的條件下，熱負荷一定時，空氣流量越大，溫差就會越小，即出風(fēng)溫度越低。

圖9示出在風(fēng)機頻率為50 Hz時，閉式冷卻塔冷卻水進出水溫度和換熱量隨噴淋水流量的變化規(guī)律。

圖9 進、出水溫度和換熱量隨噴淋水流量變化規(guī)律Fig.9 Variation law of inlet and outlet water temperature and heat exchange capacity with spray water flow rate

從圖中可以看出，隨著噴淋水流量由9.8 m3/h增加到40 m3/h，冷卻水進出口溫度都呈下降趨勢，進水溫度由48.1 ℃下降到39.9 ℃，下降17%，出水溫度由43.3 ℃下降到34.7 ℃，下降19.7%，但兩者的溫差基本保持不變，僅由4.8 ℃增加到5.2 ℃，增長了7.7%。此時，換熱量由144.3 kW增加到155.3 kW，增長了7.6%，與溫差增長基本一致。

隨著噴淋水流量的增大，冷卻效果越好，但到達一定量后，再增大噴淋水量，對冷卻效果的影響卻變得很小。噴淋水量過多，水泵耗電量也將隨之增大。更重要的是，噴淋水量增大，空氣側(cè)的流動阻力將顯著增加，隨之帶來的是風(fēng)機的耗電量也隨之增大。

3 結(jié)論

（1）立式降膜閉式冷卻塔空氣流量對其散熱性能的影響與循環(huán)冷卻水流量相關(guān)，在循環(huán)冷卻水流量較低時，所需的空氣流量相對較少，因此閉式冷卻塔的換熱量受風(fēng)機頻率變化影響不大。但隨著循環(huán)冷卻水流量的增大，在本試驗中，超過32 m3/h后，三者都呈現(xiàn)突然增大的趨勢，說明在高冷卻水流量下，風(fēng)量的影響比較大。

（2）閉式冷卻塔隨著風(fēng)機頻率由30 Hz升到50 Hz，冷卻水進口溫度和出口溫度變化范圍都呈下降趨勢，而溫差則基本保持不變。這是因為空氣流量增大，可及時將噴淋水蒸發(fā)變成的水蒸氣帶走，使冷卻盤管周圍的水蒸氣分壓力降低，以利于后來噴淋水的蒸發(fā)。

（3）當風(fēng)機頻率一定時，隨著循環(huán)冷卻水流量的增大，出風(fēng)干球溫度和濕球溫度都呈上升趨勢；而在相同冷卻水流量下，風(fēng)機頻率越高，風(fēng)量越大，出風(fēng)干球溫度和濕球溫度就會越低。

（4）隨著噴淋水流量由9.8 m3/h增加到40 m3/h，冷卻水進出口溫度都呈下降趨勢，進水溫度由48.1 ℃下降到39.9 ℃，下降17%，出水溫度由43.3 ℃下降到34.7 ℃，下降19.7%，溫差由4.8 ℃增加到5.2℃，增長了7.7%，換熱量增長了7.6%。隨著噴淋水流量的增大，冷卻效果越好，但到達一定量后，再增大噴淋水量，對冷卻效果的影響卻變得很小。