張 楠，李念平，崔海蛟，李勝兵，賈宇豪

（湖南大學(xué)，湖南長沙 410082）

1 前言

無填料冷卻塔去除了傳統(tǒng)開式冷卻塔的填料部分，對配水部分做出重大改進(jìn)，使循環(huán)水在淋水區(qū)域形成足夠小的水滴。由于塔內(nèi)阻力減小，進(jìn)風(fēng)量提升15%～20%，在無填料的情況下能夠進(jìn)行充分的水氣熱質(zhì)交換，從而達(dá)到冷卻循環(huán)水的目的。無填料冷卻塔避免了由于水質(zhì)和水溫的原因而導(dǎo)致的填料性能的下降和損壞，對處理高溫、高濁度、易結(jié)垢循環(huán)水有重要的意義［1～3］。

近年來，許多企業(yè)和學(xué)者對無填料冷卻塔進(jìn)行了深入研究。陳劍波等通過對無填料噴射式冷卻塔和傳統(tǒng)填料冷卻塔的冷卻性能進(jìn)行實(shí)測對比分析，結(jié)果表明無填料冷卻塔具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢［4］。路建嶺等分析了噴霧位置、氣水比以及截面風(fēng)速對上噴式無填料冷卻塔冷卻效率的影響［5,6］。魏崢等通過建立無填料冷卻塔的一維傳熱與傳質(zhì)模型，并獲得其基本熱力性能計(jì)算方程式，給出了計(jì)算液滴當(dāng)量直徑的基本方法，為無填料冷卻塔的實(shí)際應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)［7］。陳建平等通過實(shí)驗(yàn)和理論分析發(fā)現(xiàn)適當(dāng)改變風(fēng)機(jī)頻率和葉片角度可以提高冷卻塔的冷卻效率［8］。齊曉霓等將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)建模方法相結(jié)合，建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并且精度和泛化性都能兼顧的無填料冷卻塔模型，可預(yù)測無填料冷卻塔在不同條件下的冷卻量，具有重要的實(shí)踐意義［9］。然而，對于進(jìn)風(fēng)位置對冷卻塔冷卻效率的影響卻沒有相關(guān)研究，對于循環(huán)水進(jìn)水溫度、室外空氣干球溫度、氣水比對不同類型冷卻塔冷卻效率的影響也很少有綜合對比及評判。本文將基于搭建的無填料冷卻塔試驗(yàn)平臺對上述影響因子進(jìn)行分析和綜合對比評判。

2 試驗(yàn)臺的搭建

試驗(yàn)臺構(gòu)造如圖1所示，試驗(yàn)臺為圓柱形無填料冷卻塔，流量，橫截面積 0.61 m2，塔高 1.6 m。主要有電動機(jī)、風(fēng)機(jī)、收水器、霧化噴頭、集水池、進(jìn)出水管等組成。冷卻塔共上下2組噴頭，每組4個，上噴式冷卻塔（噴嘴位于冷卻塔底部）和下噴式冷卻塔（噴嘴位于冷卻塔頂部）的研究在同一結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行，便于對比分析。對風(fēng)機(jī)加載變頻器，對風(fēng)量進(jìn)行控制，采用三相電改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向進(jìn)而改變進(jìn)風(fēng)位置。循環(huán)水通過噴頭噴出與空氣接觸，通過對流和導(dǎo)熱的方式進(jìn)行換熱，降低水溫。冷卻后的循環(huán)水在集水池內(nèi)通過出水管送往機(jī)組，循環(huán)使用。

圖1 無填料冷卻塔結(jié)構(gòu)示意

3 試驗(yàn)儀器和內(nèi)容

3.1 試驗(yàn)儀器和測量參數(shù)

試驗(yàn)所需的儀器和測量的參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)儀器和測量參數(shù)

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

保持其他參數(shù)不變，分別改變進(jìn)風(fēng)位置、風(fēng)量、室外空氣干球溫度、循環(huán)水進(jìn)水溫度進(jìn)行試驗(yàn)。測量并記錄所需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析，得出不同參數(shù)對冷卻塔冷卻效率的影響并對比分析。

3.3 冷卻效率的定義

冷卻塔的冷卻能力以冷卻塔出水溫度與冷卻塔進(jìn)口空氣濕球溫度的差來衡量。工程上，將冷卻塔回水溫度與冷卻塔進(jìn)口空氣的濕球溫度之差稱為逼近度，逼近度越小，冷卻塔的冷卻效率越高。在最優(yōu)情況下，逼近度為0 ℃。冷卻塔的冷卻效率φ定義為冷卻水進(jìn)出水溫差與逼近度和冷卻水進(jìn)出水溫差之和的比值［10，11］，冷卻效率最大為100%。

式中 φ——冷卻效率

β——逼近度，℃

Δt——冷卻溫差，℃

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析

4.1 進(jìn)風(fēng)位置對冷卻塔冷卻效率的影響

工況一：改變進(jìn)風(fēng)位置，保持干球溫度36 ℃、相對濕度60%，氣水比2.1，循環(huán)水進(jìn)水流量1.8 m3/h、入口處壓力 0.11 MPa、進(jìn)水溫度 48 ℃不變。

冷卻塔冷卻效率與進(jìn)風(fēng)位置之間的關(guān)系如圖2所示，從圖中可以看出：上噴式無填料冷卻塔下進(jìn)風(fēng)時冷卻塔效率維持在43.8%～45.0%之間，上進(jìn)風(fēng)時冷卻塔冷卻效率在49.3%～50.7%之間，上噴式冷卻塔進(jìn)風(fēng)位置在頂部時冷卻效率要高于進(jìn)風(fēng)位置在底部的冷卻效率6%。下噴式無填料冷卻塔，下進(jìn)風(fēng)冷卻塔效率維持在64.8%～66.7%之間，上進(jìn)風(fēng)冷卻塔效率則在 56.0%～57.5% 之間，下進(jìn)風(fēng)冷卻塔效率高于上進(jìn)風(fēng)無填料冷卻塔9%。這是因?yàn)樯蠂娛嚼鋮s塔水滴在最高處速度最小，停留時間最長，下進(jìn)風(fēng)時空氣由冷卻塔底部進(jìn)入熱交換區(qū)域，到達(dá)水滴最高處時，空氣的干濕球溫度升高，與冷卻水之間的溫差降低，而上進(jìn)風(fēng)時空氣由冷卻塔頂部進(jìn)入熱交換區(qū)域，到達(dá)水滴最高處時，水與空氣溫差較大，換熱效率提高。下噴式無填料冷卻塔，下進(jìn)風(fēng)時空氣與水滴相對速度高于上進(jìn)風(fēng)，且下噴式下進(jìn)風(fēng)冷卻塔由于水滴受到向上力的作用，冷卻水停留時間延長，冷卻效率高于上進(jìn)風(fēng)狀態(tài)。此外，下噴式冷卻塔效率明顯高于上噴式冷卻塔，這是因?yàn)樯蠂娛嚼鋮s塔噴頭噴出的循環(huán)水由于碰撞等原因沒有達(dá)到預(yù)定高度而下落造成的。

圖2 冷卻塔冷卻效率與進(jìn)風(fēng)位置的變化

4.2 氣水比對冷卻塔冷卻效率的影響

工況二：改變氣水比，保持干球溫度36 ℃、相對濕度60%，循環(huán)水進(jìn)水流量1.8、入口處壓力0.11 MPa、進(jìn)水溫度 48 ℃不變。

冷卻塔的冷卻效率隨氣水比的變化如圖3所示，從圖中可以看出：氣水比增大，冷卻塔的效率提高。當(dāng)氣水比增加至1.8后，繼續(xù)提高氣水比，冷卻塔冷卻效率雖繼續(xù)升高但增長速度明顯減慢。這是因?yàn)闅馑壬?，可以保證高溫循環(huán)水與溫度較低的空氣充分接觸，提高冷卻效率。但氣水比達(dá)到1.8后，繼續(xù)提高氣水比，冷卻塔截面風(fēng)速提高，空氣來不及與冷卻水充分換熱直接排出，冷卻效率雖然增加，但增速較慢。在滿足換熱的前提下，可降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以減少能耗。

圖3 冷卻塔冷卻效率隨氣水比的變化

4.3 室外空氣干球溫度對冷卻塔冷卻效率的影響

工況三：改變室外空氣干球溫度，保持相對濕度 60%，氣水比 2.1，循環(huán)水進(jìn)水流量 1.8 m3/h、入口處壓力 0.11 MPa、進(jìn)水溫度 48 ℃不變。

無填料冷卻塔冷卻效率隨干球溫度的變化如圖4所示。

圖4 冷卻塔冷卻效率隨干球溫度的關(guān)系

從圖中可以看出：干球溫度升高，冷卻塔冷卻效率下降。干球溫度由32 ℃升高到38 ℃，上噴式下進(jìn)風(fēng)無填料冷卻塔冷卻效率由54.3%下降至42.3%，下噴式下進(jìn)風(fēng)冷卻塔冷卻效率由67.9%下降至58.8%，冷卻效率隨干球溫度的升高下降明顯。上進(jìn)風(fēng)冷卻塔冷卻效率雖然下降，但下降效果不明顯。這是因?yàn)楦汕驕囟壬?，冷卻水與空氣溫差降低，傳熱效果降低，導(dǎo)致冷卻塔冷卻效率降低。

4.4 循環(huán)水進(jìn)水溫度對冷卻塔冷卻效率的影響

工況四：改變循環(huán)水進(jìn)水溫度，保持空氣干球溫度36 ℃，相對濕度60%，循環(huán)水進(jìn)水流量為1.8 m3/h、入口處壓力 0.11 MPa、氣水比 2.1 不變。

冷卻塔的冷卻效率隨進(jìn)水溫度的變化如圖5所示，從圖中可以看出：隨著進(jìn)水溫度的升高，4種冷卻塔的冷卻效率均得到不同程度的提高。進(jìn)水溫度由45 ℃升至54 ℃時，上噴式冷卻塔的冷卻效率平均提高了39.8%，下噴式冷卻塔的冷卻效率平均提高了24.2%，進(jìn)水溫度的升高對上噴式冷卻塔冷卻效率的影響明顯大于下噴式冷卻塔。這是因?yàn)檫M(jìn)水溫度升高，循環(huán)水與空氣之間溫差增大，傳熱傳質(zhì)效果明顯。對于上噴式冷卻塔，循環(huán)水與空氣進(jìn)行熱質(zhì)交換分為上升和下降兩個階段，循環(huán)水與空氣換熱時間長，換熱效果更加明顯。

圖5 冷卻塔冷卻效率系數(shù)隨進(jìn)水溫度的變化

5 結(jié)論

（1）進(jìn)風(fēng)位置對冷卻塔的冷卻效率會產(chǎn)生明顯影響。上噴式無填料冷卻塔上進(jìn)風(fēng)時冷卻塔的冷卻效率高于下進(jìn)風(fēng)6%；而下噴式無填料冷卻塔上進(jìn)風(fēng)時冷卻塔的冷卻效率低于下進(jìn)風(fēng)9%。

（2）氣水比在1.8以下時，冷卻塔的冷卻效率隨著氣水比的提高而升高，但氣水比大于1.8后，提高氣水比不能顯著提高冷卻塔的冷卻效率。可以根據(jù)冷卻塔類型改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量，以減少能耗。

（3）干球溫度升高冷卻塔冷卻效率降低，且干球溫度對于上噴式下進(jìn)風(fēng)無填料冷卻塔和下噴式下進(jìn)風(fēng)無填料冷卻塔效率的影響更為顯著。

（4）進(jìn)水溫度升高無填料冷卻塔的冷卻效率均得到提高，但上噴式冷卻塔冷卻效率的提高明顯高于下噴式冷卻塔。

（5）由于本次試驗(yàn)所用的無填料冷卻塔橫截面積相對較小，高度較低，因此本次試驗(yàn)得到的結(jié)論只適用于小型無填料冷卻塔，是否適用于大型無填料冷卻塔還有待進(jìn)一步研究。

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