白羽豐 周亞素 查小歡

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

閉式冷卻塔源自于工業(yè)用蒸發(fā)式冷卻器， 是利用自然環(huán)境中空氣的干濕球溫度差以間接蒸發(fā)的方式來(lái)降低水的溫度， 冷卻水流經(jīng)閉式冷卻塔的盤管段與空氣進(jìn)行間接換熱， 從而保證了冷卻水不像開式塔那樣易受環(huán)境及空氣中雜質(zhì)的污染。另外， 閉式冷卻塔還具有結(jié)構(gòu)緊湊、 占地面積少、 噪音低、 運(yùn)行費(fèi)用低、 適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)， 可廣泛應(yīng)用于工業(yè)用、 民用等制冷等領(lǐng)域 [1] 。

隨著社會(huì)的發(fā)展， 閉式冷卻塔近些年被越來(lái)越多的應(yīng)用于建筑物非夏季工況 （非額定工況） 條件下的系統(tǒng)中 [2-4] 。由于冷卻塔的熱濕交換效果受很多因素的影響， 而冷卻塔出產(chǎn)商所提供給買家的產(chǎn)品樣本及使用說(shuō)明書中， 冷卻塔熱工性能曲線只是以夏季情況為依據(jù)， 一般只針對(duì)干、 濕球溫度比較高的情況， 很少有廠家能夠提供冷卻塔在非夏季工況的熱工性能曲線。然而， 室外氣象參數(shù)對(duì)冷卻塔的熱濕交換效果產(chǎn)生的影響是無(wú)法忽略的 [5] ， 隨著室外空氣濕球溫度、 空氣相對(duì)濕度等因素的變化， 冷卻塔的運(yùn)行工況將偏離其額定工況條件， 也即冷卻塔熱濕交換能力將隨其運(yùn)行條件而改變。如何調(diào)整冷卻塔自身運(yùn)行參數(shù)來(lái)使冷卻塔在非額定工況下仍具有較好的冷卻能力是一個(gè)困擾著生產(chǎn)廠家的大問題。雖然國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有學(xué)者對(duì)不同類型冷卻塔在不同室外空氣下的運(yùn)行特性進(jìn)行了一些研究， 然而并不全面， 因此研究本課題的目的在于補(bǔ)充并完善前人所做的研究工作， 充實(shí)該方向的研究成果， 可為冷卻塔全年能夠更加有效率運(yùn)行提供技術(shù)參考。

1 數(shù)學(xué)模型介紹

在逆流閉式冷卻塔中， 如圖 1 所示， 管內(nèi)冷卻水在冷卻盤管中流動(dòng), 其熱量通過(guò)盤管管壁以間接傳熱的方式傳遞給管外噴淋水。循環(huán)水泵將集水槽的水送到冷卻塔上部， 通過(guò)噴嘴噴淋流經(jīng)填料后在盤管外表面形成水膜,水膜吸熱蒸發(fā)成水蒸氣進(jìn)入空氣中， 剩余的水再流回集水槽， 循環(huán)使用。風(fēng)機(jī)通過(guò)機(jī)械送風(fēng)的方式使空氣自下部進(jìn)入塔體， 流過(guò)盤管與管外噴淋水發(fā)生熱量和質(zhì)量交換， 帶走其熱量后從塔頂排出。

圖1 逆流閉式冷卻塔模型示意圖

由圖 1 可知帶填料的閉式冷卻塔熱濕交換主要在冷卻塔上部的填料區(qū)及下部的盤管區(qū)發(fā)生， 因此下文將針對(duì)這兩部分進(jìn)行簡(jiǎn)要的模型分析。

對(duì)于盤管區(qū)，取微元控制體進(jìn)行分析，則如圖 2所示。

圖2 閉式冷卻塔內(nèi)盤管微元控制體

綜合盤管內(nèi)冷卻水失熱、 噴淋水作為中間媒介的得熱失熱、 流經(jīng)冷卻塔內(nèi)的空氣得熱這三者之間的能量平衡關(guān)系及噴淋水量減少、 空氣中水蒸氣含量增加這兩者之間的質(zhì)量平衡關(guān)系可以得到冷卻塔盤管段的控制方程組[6]。

對(duì)于填料段， 由于填料的表面結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜， 水的表面面積很難確定， 所以常用填料塊的體積來(lái)代替表面積進(jìn)行計(jì)算 [7] 。 如圖3， 取微元高度為dz， 橫截面面積為S， 即體積為dV=dz× S的微元體填料段， 進(jìn)行分析?？諝庾韵露狭鲃?dòng)， 噴淋水則與空氣逆向流動(dòng)進(jìn)行熱質(zhì)交換， 噴淋水損失的熱量等于空氣獲得的熱量。

圖3 填料區(qū)傳熱傳質(zhì)過(guò)程示意圖

對(duì)填料段的能量平衡及質(zhì)量平衡進(jìn)行分析化簡(jiǎn)，可以得到填料段的控制方程組[8]。

結(jié)合方程組 （1）、（2） 可知， 影響冷卻塔冷卻性能的室外參數(shù)主要有空氣濕球溫度及空氣干球溫度。影響冷卻塔冷卻性能的運(yùn)行參數(shù)主要有冷卻塔噴淋水量，進(jìn)口空氣流量及冷卻塔冷卻水量。因此本文將對(duì)上述參數(shù)中的氣象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析， 重點(diǎn)確定冬季氣象參數(shù)改變對(duì)冷卻塔運(yùn)行性能產(chǎn)生的具體影響。

2 冷卻塔傳熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

冷卻塔生產(chǎn)方通常給出的是夏季額定工況條件下的性能參數(shù)， 而實(shí)際工程中， 由于季節(jié)和室外氣象參數(shù)的變化， 冷卻塔的實(shí)際運(yùn)行效果大多是偏離其額定設(shè)計(jì)效果的， 致使其實(shí)際冷量Q， 能耗數(shù)等也不同于額定冷量Q0 ， 額定能耗系數(shù)。因此， 如何保證非額定工況下冷卻塔高效運(yùn)行以及如何判定冷卻塔的運(yùn)行效果好壞成為研究的關(guān)鍵。因此， 本文提出了冷卻塔非額定工況運(yùn)行條件下的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.1 冷卻塔的冷卻效率ε

通常， 冷卻塔的冷卻效率ε定義為冷卻塔實(shí)際冷卻量 （應(yīng)該是冷卻量， 不是制冷量） 與理論最大冷卻量之比。顯然，ε越大， 冷卻塔出口水溫tf2越接近理論極限溫度ts1， 冷卻塔的熱濕交換效果越好。

式中：Q為冷卻塔實(shí)際冷卻量，kW；Qmax為冷卻塔理論最大冷卻量，k W；tf1為冷卻塔進(jìn)口水溫，℃ ；tf2為冷卻塔出口水溫，℃ ；ts1為冷卻塔進(jìn)口空氣濕球溫度，℃ 。

2.2 冷卻塔的相對(duì)冷量β

冷卻塔生產(chǎn)廠家通常給出的是夏季額定工況條件下的額定冷卻量Q0 ， 實(shí)際工程中， 由于季節(jié)和室外氣象參數(shù)的變化， 冷卻塔的實(shí)際運(yùn)行工況大多是偏離其額定工況的， 致使其實(shí)際冷卻量Q也將不同于額定冷卻量（經(jīng)常有人忽略了這點(diǎn)）。

為便于比較評(píng)價(jià)， 本研究認(rèn)為在實(shí)際工程中可用冷卻塔的相對(duì)冷量β（實(shí)際冷卻量與額定冷卻量比值Q/Q0 ） 評(píng)價(jià)冷卻塔實(shí)際冷卻能力接近額定工況程度。

式中：β為冷卻塔的相對(duì)冷量，% ；cpf為水的定壓比熱，kJ/kg·℃ ；Q0、W0、tf1,0、tf2,0分別為額定工況條件下冷卻塔的冷卻量（ kW）、水 流量（ kg/h）、進(jìn) 口水溫（ ℃）、出 口水溫（ ℃）；Q、W、tf1、tf2則分別為實(shí)際工況條件下的各對(duì)應(yīng)參數(shù)。

2.3 相對(duì)能耗系數(shù)

同理， 也可用冷卻塔的相對(duì)能耗系數(shù)（實(shí)際能耗系數(shù)與額定能耗系數(shù)的比值） 比較并評(píng)估非額定工況條件下冷卻塔能耗系數(shù)接近額定工況的程度。

式中：ω為冷卻塔的相對(duì)能耗系數(shù)， %；P a0 、Pf0分別為額定工況條件下冷卻塔的風(fēng)側(cè)能耗和水側(cè)能耗， Pa；P a、Pf0則為非額定工況條件下的各對(duì)應(yīng)參數(shù)。

3 冬季工況下冷卻塔性能分析

通過(guò)查閱文獻(xiàn)及咨詢相關(guān)廠家得知， 冷卻塔冬季工況運(yùn)行時(shí)冷卻水的進(jìn)口水溫一般為12 ℃ [9] 。因此，本文將在保持冷卻塔其他運(yùn)行參數(shù)為夏季額定參數(shù)不變的前提下， 將冷卻塔進(jìn)水溫度設(shè)定為 12 ℃， 通過(guò)對(duì)干球溫度、 濕球溫度的控制， 研究冷卻塔在冬季氣象參數(shù)條件下的運(yùn)行性能。

為了便于比較分析， 實(shí)驗(yàn)冷卻塔夏季額定工況 （空氣干球溫度 32 ℃， 濕球溫度 28 ℃冷卻水進(jìn)口溫度37 ℃， 冷卻水處理流量2.27m3/h） 下的工作性能如表1所示。

表1 夏季額定運(yùn)行參數(shù)下冷卻塔性能

如表1所列數(shù)據(jù)，本課題中所應(yīng)用的閉式逆流冷卻塔模型的設(shè)計(jì)氣象參數(shù)為： 干球溫度 32 ℃， 濕球溫度28 ℃； 設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)為： 冷卻水流量 2.27m3/h， 噴淋水噴淋密度1.80 kg/m2/s， 空氣截面風(fēng)速3.88m/s。 此時(shí)冷卻塔進(jìn)出口水溫分別為37 ℃及32 ℃，冷卻塔冷卻量為1.35 kW。

3.1 冬季空氣濕球溫度對(duì)冷卻塔性能的影響

為研究冷卻塔在冬季氣象條件下的運(yùn)行性能， 先保持冷卻塔的運(yùn)行參數(shù)不變，即冷卻水流量保持在2.27m3/h， 噴淋水噴淋密度1.80 kg/m2/s， 空氣截面風(fēng)速3.88m/s。 調(diào)整干球溫度， 使其穩(wěn)定在6 ℃； 調(diào)整冷卻水進(jìn)口溫度使其穩(wěn)定在12 ℃。

表2 夏季額定運(yùn)行參數(shù)在冬季工況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)表2可以看出，冷卻塔的夏季設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)在冬季氣象工況下，隨 著濕球溫度從 0 ℃變化到4 ℃，冷卻水的進(jìn)出口溫差分別為 3.1 ℃、2.8 ℃、2.5 ℃。冷卻效率分別為25.64%、27.74%、31.73%。比 較表1和表2的冷卻量，可 以得到在冬季氣象參數(shù)下，在 干球溫度為6度、其 他冷卻塔運(yùn)行參數(shù)保持額定不變、濕 球溫度分別為 0 ℃、2 ℃、4 ℃時(shí)，相 對(duì)冷卻量β分別為60.5%、54.9%、49.7%。由于冷卻塔進(jìn)風(fēng)量、處 理水量保持一定，冷 卻塔的風(fēng)側(cè)、水 側(cè)的能耗基本不變，因 此相對(duì)能耗系數(shù)變化規(guī)律與相對(duì)制冷量基本一致，分 別為60.5%、54.9%、49.7%。由上述數(shù)據(jù)可見，當(dāng) 其參數(shù)恒定時(shí)，隨 著濕球溫度的降低，冷 卻塔進(jìn)出口水溫差升高，出口水溫可以達(dá)到更低的溫度，但 是冷卻塔的冷卻效率卻隨著濕球溫度的降低而減小，冷 卻塔的熱濕交換效果反而降低。此時(shí)以冷卻量為標(biāo)準(zhǔn)，冷 卻塔在冬季的性能已經(jīng)偏離到了額定工況的5到6成。

3.2 冬季干球溫度對(duì)冷卻塔性能的影響

研究干球溫度變化對(duì)冷卻塔性能帶來(lái)的影響， 保持冷卻塔的運(yùn)行參數(shù)不變， 即冷卻水流量保持在2.27m3/h， 噴淋水噴淋密度 1.80 kg/m2/s， 空氣截面風(fēng)速3.88m/s， 冷卻水進(jìn)口溫為12℃。 分別調(diào)整濕球溫度至0 ℃及2 ℃并保持濕球溫度恒定， 改變干球溫度。

圖4 變干球溫度對(duì)進(jìn)出口水溫差的影響

如圖 4 至圖 7所示，當(dāng) 保持冷卻塔運(yùn)行參數(shù)為夏季額定參數(shù)不變、濕 球溫度恒定時(shí)，隨 著干球溫度的升高，各 項(xiàng)冷卻塔性能評(píng)價(jià)指標(biāo)均隨之減小。當(dāng)濕球溫度為 0 ℃、2 ℃、干 球溫度低于 4 ℃時(shí)，進(jìn) 出口水溫差，冷 卻效率，相 對(duì)冷卻量及相對(duì)能耗系數(shù)降低幅度很非常小。這是由于在濕球溫度、干 球溫度處于較低水平時(shí)，當(dāng) 干球溫度發(fā)生小幅變化時(shí)空氣焓值基本不變，室 外空氣參數(shù)可以近似當(dāng)成恒定不變，因 此冷卻塔冷卻能力基本不發(fā)生變化。當(dāng)濕球溫度為 0 ℃、2 ℃時(shí)，隨 著干球溫度從4 ℃升高至6 ℃，與 4℃時(shí)相比進(jìn)出口水溫差分別提高了11.4%和9.4%。冷卻效率分別降低了 3.1%和 3.6%。相對(duì)冷量分別降低了 13.7%和9.7%。相 對(duì)能耗系數(shù)分別降低了了9.8%和9.4%。這 是因?yàn)榭諝鉁囟壬?，減 小了冷卻塔中冷卻水與空氣之間的換熱溫差，導(dǎo) 致熱交換能力下降，降 低了冷卻塔的換熱性能。由上述分析可知，當(dāng) 室外干、濕 球溫度均較低時(shí)，干 球溫度的變化并不會(huì)對(duì)冷卻塔熱濕交換能力產(chǎn)生很大影響， 但當(dāng)干球溫度高于4 ℃時(shí)， 冷卻塔顯熱換熱能力 （即熱交換能力） 降低， 冷卻塔整體性能會(huì)有所降低。 此時(shí)干球溫度每升高1 ℃， 冷卻塔的相對(duì)冷量及相對(duì)能耗系數(shù)都會(huì)降低4%至5%。冷卻塔相對(duì)冷卻量及相對(duì)能耗系數(shù)依然能夠保持在50%以上， 具有較好的冷卻能力。

圖5 變干球溫度對(duì)冷卻效率的影響

圖6 變干球溫度對(duì)相對(duì)冷量的影響

圖7 變干球溫度對(duì)相對(duì)能耗系數(shù)的影響

4 結(jié)論

為了研究閉式冷卻塔在冬季熱質(zhì)交換情況及其運(yùn)行性能， 把握影響冷卻塔運(yùn)行性能的因素及其適宜的運(yùn)行條件， 本文以帶填料的閉式冷卻塔為研究對(duì)象，結(jié)合冷卻塔試驗(yàn)臺(tái)及其熱質(zhì)交換模型， 以夏季額定工況下冷卻塔各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)為比較基準(zhǔn)， 比較詳細(xì)的分析了當(dāng)室外氣象參數(shù)改變時(shí)閉式冷卻塔的性能變化，得到以下結(jié)論：

1）以 冷卻塔額定工況性能參數(shù)為比較基準(zhǔn)，提 出了關(guān)于冷卻塔全年運(yùn)行熱濕交換性能評(píng)價(jià)的指標(biāo)：冷卻塔的冷卻效率ε， 相 對(duì)冷量β，相 對(duì)能耗系數(shù)。

2）在運(yùn)行參數(shù)為額定工況下冷卻塔的運(yùn)行參數(shù)ω，冷 卻水進(jìn)口水溫為 12℃的情況下，冷 卻塔冬季冷卻量要明顯低于夏季，冬 季氣象條件下冷卻量一般為夏季的40%到60%左右。能耗系數(shù)也降低到夏季工況的50%～70%。進(jìn)出口水溫差無(wú)法達(dá)到夏季的 5℃，一般只有2.5℃到3℃。

3）當(dāng) 干球溫度低于 4 ℃時(shí)，干 球溫度的變化對(duì)冷卻塔帶來(lái)的影響可以忽略不計(jì)，當(dāng)濕球溫度恒定，干球溫度高于4℃時(shí)，冷卻塔熱質(zhì)交換性能的會(huì)隨著干球溫度的升高而降低。此 時(shí)干球溫度每升高1℃，冷 卻塔的相對(duì)冷量及相對(duì)能耗系數(shù)都會(huì)降低4%至5%。

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