崔敏 楊衛(wèi)波 張鈺 朱政宇 王子龍

揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院

0 引言

風(fēng)冷蒸發(fā)復(fù)合型冷卻塔滿足現(xiàn)代防污、節(jié)能節(jié)水的要求，近年來(lái)受到了越來(lái)越多學(xué)者的廣泛關(guān)注。風(fēng)冷蒸發(fā)復(fù)合型冷卻塔將風(fēng)冷與蒸發(fā)冷卻相結(jié)合，相比普通干式冷卻塔冷卻效率更高，相比普通濕式冷卻塔更節(jié)水節(jié)能[1]。

根據(jù)空氣流向的不同，冷卻塔分為橫流式與逆流式，橫流式冷卻塔的傳熱傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力更均勻，相比逆流式更有利于冷卻效能的提高[2-3]。目前已有學(xué)者對(duì)復(fù)合型逆流式干濕串聯(lián)與干濕并聯(lián)冷卻塔換熱性能進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)研究[4-7]。關(guān)于復(fù)合型橫流冷卻塔，夏莉[8]利用 Matlab 軟件數(shù)值模擬了結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)復(fù)合型橫流閉式塔冷卻性能的影響，孫念心等[9-10]探討了風(fēng)冷蒸發(fā)復(fù)合型橫流閉式冷卻塔內(nèi)的翅片參數(shù)對(duì)其換熱性能的影響，并通過(guò)改變填料位置對(duì)復(fù)合型橫流閉式冷卻塔換熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比發(fā)現(xiàn)翅片管區(qū)在上、填料區(qū)在中、光管區(qū)在下的復(fù)合型橫流閉式塔型冷卻性能更高。目前對(duì)復(fù)合型橫流閉式冷卻塔的研究類型以風(fēng)冷翅片管與蒸發(fā)冷光管串聯(lián)為主，對(duì)并聯(lián)式復(fù)合型橫流閉式塔冷卻性能的研究較少。

為探究翅片管與光管的不同連接形式對(duì)風(fēng)冷蒸發(fā)復(fù)合型橫流閉式塔冷卻性能的影響，本文根據(jù)相似原理按實(shí)物尺寸的1/3 等比縮小搭建了風(fēng)冷與蒸發(fā)冷串聯(lián)與并聯(lián)時(shí)的模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了空氣流量，冷卻水流量，噴淋水流量以及氣水比等運(yùn)行參數(shù)對(duì)兩種連接形式下復(fù)合型橫流閉式冷卻塔冷卻性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與工況設(shè)置

1.1 復(fù)合型橫流閉式冷卻塔結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)所研究的復(fù)合型橫流閉式冷卻塔根據(jù)風(fēng)冷翅片管與蒸發(fā)冷光管的兩種連接方式分為串聯(lián)式與并聯(lián)式，串聯(lián)式中冷卻水先從翅片管進(jìn)口流入，經(jīng)風(fēng)冷冷卻后再進(jìn)入光盤(pán)管，經(jīng)蒸發(fā)式冷卻后流出，并聯(lián)式中冷卻水同時(shí)進(jìn)入翅片管與光管換熱器，經(jīng)風(fēng)冷與蒸發(fā)式冷卻后兩部分冷卻水匯合流出。兩種連接方式結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 風(fēng)冷蒸發(fā)復(fù)合型橫流閉式冷卻塔結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 復(fù)合型橫流閉式冷卻塔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文根據(jù)相似原理設(shè)計(jì)搭建了風(fēng)冷蒸發(fā)復(fù)合型橫流閉式冷卻塔模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)，由PVC 材質(zhì)透明板焊接而成的外殼尺寸為 1.0 m× 1.1 m× 1.2 m，內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示，各參數(shù)測(cè)試儀表如表2 所示。

表1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 測(cè)試儀器表

該模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要分為四個(gè)系統(tǒng)：冷卻水系統(tǒng)、噴淋水系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。設(shè)置若干個(gè)溫度探頭對(duì)冷卻水、噴淋水和空氣的進(jìn)出口溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若干個(gè)濕度探頭監(jiān)測(cè)進(jìn)出口空氣濕度，從而研究冷卻塔的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，圖 2 所示為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)物圖。其中，為比較兩種連接方式下冷卻塔的換熱過(guò)程，運(yùn)用分支管變換翅片管與光管的連接方式，連接方式管路如圖3 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

圖3 兩種連接方式管路圖

1.3 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置

對(duì)于風(fēng)冷蒸發(fā)復(fù)合型橫流閉式冷卻塔，影響其冷卻性能的運(yùn)行參數(shù)主要有空氣流量，冷卻水流量，噴淋水流量和氣水比。故本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了 35 組不同參數(shù)組合的測(cè)試，以研究夏季工況下這些運(yùn)行參數(shù)變化對(duì)兩種連接方式冷卻效果的影響規(guī)律，通過(guò)恒溫水浴控制冷卻水進(jìn)口溫度保持在37 ℃，并聯(lián)式翅片管與光管的流量比為4:6，所設(shè)工況如表3 所示。

表3 實(shí)驗(yàn)工況

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 空氣流量

圖4 為兩種連接方式下翅片管與光管出水溫度隨空氣流量的變化，分析可以看出：串聯(lián)與并聯(lián)下各盤(pán)管的出水溫度與總出水溫度均隨空氣流量的增加而降低，這是因?yàn)榭諝饬髁康脑龃髸?huì)強(qiáng)化翅片管外的對(duì)流換熱和光管外的傳熱傳質(zhì)，從而出水溫度降低。進(jìn)一步分析圖4a 可以發(fā)現(xiàn)，并聯(lián)式翅片管的出水溫度低于串聯(lián)式，如空氣流量從0.24 增加到0.57 kg/s 時(shí)，串聯(lián)式與并聯(lián)式翅片管的出水溫度分別從 36.53、36.45 ℃降低到35.68、3 5.65 ℃，并聯(lián)式平均比串聯(lián)式低0.1 ℃，這主要是由于并聯(lián)式分流進(jìn)入翅片管的冷卻水流量少于串聯(lián)式，冷卻負(fù)荷更小，降溫更多。而當(dāng)空氣流量從0.24 增加到0.49 kg/s 時(shí)，串聯(lián)式與并聯(lián)式光管的出水溫度分別從 34.81、3 4.74 ℃降低到 34.60、34.56 ℃，并聯(lián)式的出口溫度略低于串聯(lián)式，其原因是串聯(lián)式光管區(qū)的冷卻水經(jīng)翅片管區(qū)冷卻后進(jìn)口溫度降低，管內(nèi)冷卻水與管外空氣的溫差減小，換熱效果相比并聯(lián)式略差。當(dāng)空氣流量增加到0.57 kg/s 時(shí)，串聯(lián)式與并聯(lián)式光管的出口溫度分別為 34.42 ℃與34.51 ℃，串聯(lián)式的出水溫度比并聯(lián)式更低，這主要是由于空氣流量增大使得串聯(lián)式翅片管內(nèi)的冷卻水急劇降溫，進(jìn)入光管區(qū)的冷卻水溫度遠(yuǎn)低于并聯(lián)式。從圖4 還可以看出，串聯(lián)式冷卻水的總出口溫度明顯低于并聯(lián)式，如空氣流量為 0.57 kg/s 時(shí)，串聯(lián)式冷卻水的總出口溫度從為34.42 ℃，對(duì)應(yīng)并聯(lián)式為 34.91 ℃，顯然，串聯(lián)式的總出口水溫平均比并聯(lián)式低0.5 ℃，這是因?yàn)椴⒙?lián)式的總出水溫度由翅片管區(qū)與光管區(qū)的出水溫度共同控制，而復(fù)合型冷卻塔干冷的性能系數(shù)遠(yuǎn)小于濕冷部分[11]，翅片管區(qū)的出水溫度高出光管區(qū)較多，混合后的總出水溫度就高于串聯(lián)式。

圖4 兩種連接方式盤(pán)管出水溫度隨空氣流量變化

從圖5 中可以看出，隨著空氣流量的增加，兩種連接方式的冷卻效率均增加，如當(dāng)空氣流量為 0.24 kg/s時(shí)，串聯(lián)式的冷卻效率為 19.8%，并聯(lián)式的效率為15.1%。而當(dāng)空氣流量為0.57 kg/s 時(shí)，對(duì)應(yīng)串聯(lián)式與并聯(lián)式的冷卻效率分別為27.5%、1 8.2%，串聯(lián)式與并聯(lián)式的冷卻效率分別提高了7.7%與3.1%。圖5 還表明：串聯(lián)式的冷卻效果始終優(yōu)于并聯(lián)式，冷卻效率約高出并聯(lián)式4.7%～9.3%，且空氣流量的變化對(duì)串聯(lián)式的影響更大。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，風(fēng)速的增加會(huì)增加風(fēng)機(jī)的能耗，因此要根據(jù)實(shí)際需求和經(jīng)濟(jì)性來(lái)控制空氣流量的大小，不可盲目增加。

圖5 冷卻效率隨空氣流量的變化

2.2 冷卻水流量

由圖 6 可得，冷卻水流量增加，串聯(lián)式與并聯(lián)式的各盤(pán)管出水溫度與總出水溫度均增加，其原因是隨著冷卻水流量的增加，兩種連接方式中翅片管和光管內(nèi)冷卻水的流量均增大，冷卻塔的散熱負(fù)荷增大，冷卻效果變差，出水溫度升高。進(jìn)一步分析圖6a 可知，串聯(lián)式的翅片管出水溫度與并聯(lián)式相差不大，而串聯(lián)式的光管出水溫度明顯高于并聯(lián)式，且并聯(lián)式的光管出口水溫增幅更大。如當(dāng)冷卻水流量從 0.100 增加到0.167 kg/s 時(shí)，串聯(lián)式與并聯(lián)式的光管出口水溫分別增加了0.31 與 0.73 ℃，兩者差值從0.44 降低到 0.01 ℃，這意味著冷卻水流量變化對(duì)并聯(lián)式光管區(qū)的出水溫度影響更大。進(jìn)一步分析圖6b 還可看出，并聯(lián)式的總出水溫度始終高于串聯(lián)式，并隨著冷卻水流量的增大，其高出串聯(lián)式的總出水溫度越多，如冷卻水流量為 0.100 kg/s 時(shí)，并聯(lián)式的總出水溫度高出串聯(lián)式0.04 ℃，而當(dāng)冷卻水流量為 0.167 kg/s 時(shí)，并聯(lián)式總出水溫度高出串聯(lián)式 0.38 ℃，這是因?yàn)椴⒙?lián)式的總出水溫度同時(shí)受翅片管和光管的總出水溫度影響，光管的出水溫度升高較多，從而總出水溫度也隨之升高。

圖6 兩種連接方式盤(pán)管出水溫度隨冷卻水量變化

進(jìn)一步分析圖 7 可以看出，兩種連接方式下冷卻水流量的增加都會(huì)降低冷卻塔的冷卻效率，如當(dāng)冷卻水流量從0.100 增加到0.167 kg/s 時(shí)，串聯(lián)式與并聯(lián)式的冷卻效率分別從 24.5 %、2 1.0%降低到 21.5 %、15.6%。這是因?yàn)槔鋮s水流量的增大導(dǎo)致冷卻塔的冷卻負(fù)荷增大，雖然流量增加會(huì)使得管內(nèi)側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)增加，但冷卻塔總體冷卻效率下降。從圖 7 中還可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷卻水流量從 0.100 增加到0.167 kg/s 時(shí)，串聯(lián)式與并聯(lián)式的冷卻效率分別降低了 3.0%與5.4%，這意味著冷卻水流量的變化對(duì)并聯(lián)式的冷卻效率影響更大，且串聯(lián)式的冷卻效率始終高于并聯(lián)式，平均高出3.5%～5.9%。

圖7 冷卻效率隨冷卻水流量的變化

2.3 噴淋水流量

由圖8 可知，兩種連接方式下各盤(pán)管出水溫度與總出水溫度均隨噴淋水流量的增加而降低，且噴淋水流量的增加對(duì)翅片管的出水溫度影響較小，串聯(lián)式光管的出水溫度明顯高于并聯(lián)式，如當(dāng)噴淋水流量從0.200 增加到 0.267 kg/s 時(shí)，串聯(lián)式光管的出水溫度從35.09 降低到34.94 ℃，并聯(lián)式的出水溫度從34.98 降低到 34.81 ℃。這主要是由于并聯(lián)式進(jìn)入光管的水溫高于串聯(lián)式，與管外空氣的溫差更大，換熱效果更強(qiáng)。從圖8b 還可以得出，兩種連接方式的總出水溫度隨噴淋水流量的變化幅度相同，由于并聯(lián)式翅片管出水溫度較高，故并聯(lián)式總出水溫度始終高于串聯(lián)式。進(jìn)一步分析圖9 中可以看出，隨著噴淋水流量的增加，兩種連接方式的冷卻效率均逐漸升高，如當(dāng)噴淋水流量為0.200 kg/s 時(shí)，串聯(lián)式與并聯(lián)式的冷卻效率分別為20.8%與14.3%。當(dāng)噴淋水流量為0.267 kg/s 時(shí)，串聯(lián)式與并聯(lián)式的冷卻效率分別為22.4%與 16.1%。進(jìn)一步分析圖 9 可知，噴淋水流量的增加對(duì)兩種連接方式冷卻效率的影響程度基本相同，但串聯(lián)式的冷卻效率始終比并聯(lián)式高出5.8%左右。

圖8 兩種連接方式的盤(pán)管出水溫度隨噴淋水流量變化

圖9 冷卻效率隨噴淋水流量的變化

2.4 氣水比

氣水比是指空氣質(zhì)量流量與噴淋水質(zhì)量流量之比，本實(shí)驗(yàn)中設(shè)置噴淋水流量分別為 6 L/min（0.100 kg/s）、8 L/min（0.133 kg/s）、1 2 L/min（0.200 kg/s）、16 L/min（0.267 kg/s），氣水比分別為 0.8、0.9、1.0、1.1、1.2。分析圖10 可以看出，噴淋水量一定時(shí)，兩種連接方式下各盤(pán)管出水溫度與總出水溫度均隨氣水比的增加而降低，且氣水比對(duì)兩種連接方式下翅片管出水溫度的影響規(guī)律基本相同，如當(dāng)氣水比從 0.8 增加到1.2 時(shí)，兩種連接方式的翅片管出水溫度平均降低了0.15 ℃。而兩種連接方式下光管的出水溫度差異較大，當(dāng)噴淋水流量從0.100 增加到 0.133 kg/s 時(shí)，串聯(lián)式光管的出水溫度下降更多，而當(dāng)噴淋水噴淋水流量從0.200 增加到 0.267 kg/s 時(shí)，并聯(lián)式光管的出水溫度下降較多。如當(dāng)氣水比從 0.8 增加到 1.2，在噴淋水流量從0.100 增加到0.267 kg/s 時(shí)，串聯(lián)式光管的出水溫度平均降低了0.83、0.73、0.39、0.44 ℃，并聯(lián)式平均降低了0.11、0.16、0.23、0.40 ℃。這主要是因?yàn)閲娏芩髁枯^小時(shí)，光管區(qū)換熱效果不明顯，由于并聯(lián)式光管區(qū)的進(jìn)水溫度較高，受到噴淋水的作用較小時(shí)，換熱效果不明顯。而空氣流量與噴淋水流量增大時(shí)，翅片管區(qū)熱量交換得到強(qiáng)化，進(jìn)入串聯(lián)式光管區(qū)的冷卻水與管外空氣溫差減小，光管外水膜加厚，換熱效果降低，但并聯(lián)式由于管內(nèi)冷卻水與管外空氣溫差較大，噴淋水作用效果明顯，故并聯(lián)式光管區(qū)的出水溫度降低。

圖10 兩種連接方式的各盤(pán)管出水溫度隨氣水比變化

分析圖11 可以看出，當(dāng)噴淋水流量從 0.100 增加到0.133 kg/s 時(shí)，氣水比對(duì)串聯(lián)式的總出水溫度影響更大，而當(dāng)噴淋水噴淋水流量從 0.200 增加到0.267 kg/s 時(shí)，氣水比對(duì)并聯(lián)式的總出水溫度相對(duì)影響更大。如當(dāng)氣水比從0.8 增加到1.2，在噴淋水流量從0.100 增加到0.267 kg/s 時(shí)，串聯(lián)式的總出水溫度平均降低了0.83、0.73、0.39、0.44 ℃，并聯(lián)式的總出水溫度平均降低了 0.12、0.19、0.20、0.36 ℃。這主要是由于空氣流量與噴淋水流量較小時(shí)，翅片管和光管的出水溫度較高，故混合后并聯(lián)式的總出水溫度變化不明顯。而空氣流量與噴淋水流量增大時(shí)，串聯(lián)式翅片管冷卻水出口溫度降低更多，進(jìn)入光管區(qū)時(shí)與管外空氣溫差減小，總出水溫度隨氣水比變化減小。此時(shí)噴淋水對(duì)并聯(lián)式光管區(qū)作用效果明顯，光管區(qū)的出水溫度降低，與較低的翅片管出水溫度混合后總出水溫度下降更多。

圖11 兩種連接方式的冷卻水總出口溫度隨氣水比變化

從圖 12 中可以看出，氣水比增加，兩種連接方式的冷卻效率均升高，如氣水比從0.8 增加到1.2 時(shí)，噴淋水流量分別為 0.100、0.133、0.200、0.267 kg/s 時(shí)，串聯(lián)式的冷卻效率分別升高了 8.6%、9.1%、4.0%、4.4%，并聯(lián)式分別升高了0.8%、1.3%、1.2%、3.5%，由于串聯(lián)式噴淋水流量為0.133 kg/s 時(shí)露點(diǎn)溫度較低，其冷卻效率偏低。進(jìn)一步分析圖12 可以發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)式冷卻效率始終高于并聯(lián)式，且其受氣水比的影響更大，當(dāng)氣水比從 0.8 增加到 1.2 時(shí)，噴淋水流量從 0.100 增加到0.267 kg/s 時(shí)，串聯(lián)式的冷卻效率變化了 4%～9%，并聯(lián)式變化了1%～3.5%，串聯(lián)式的冷卻效率比并聯(lián)式高出4%～8.5%，這是因?yàn)榭諝饬髁枯^小，翅片管區(qū)的換熱效果降低，而噴淋水流量較小時(shí)，并聯(lián)式光管區(qū)的熱濕交換不劇烈，溫降不明顯，使得并聯(lián)式總冷卻效率較低。

圖12 冷卻效率隨氣水比的變化

3 結(jié)論

1）空氣流量、噴淋水流量及氣水比的增加均能提高串聯(lián)與并聯(lián)式復(fù)合型冷卻塔的冷卻性能，而冷卻水流量的降低會(huì)導(dǎo)致兩者的冷卻性能降低。

2）空氣流量的增加對(duì)串聯(lián)式的冷卻效率影響更大，冷卻水流量的增加則對(duì)并聯(lián)式的冷卻效率影響更大，噴淋水流量在 0.100 到 0.133 kg/s 時(shí)，串聯(lián)式的冷卻效率受氣水比的影響較大，當(dāng)噴淋水流量在 0.200到0.267 kg/s 時(shí)，則并聯(lián)式的冷卻效率受氣水比的影響較大。

3）并聯(lián)式光管區(qū)的換熱效率優(yōu)于串聯(lián)式，但其冷卻水的總出口溫度是翅片管區(qū)與光管區(qū)出水溫度混合后的結(jié)果，翅片管區(qū)的換熱效率遠(yuǎn)低于光管區(qū)，混合后的總出水溫度較高，故并聯(lián)式的總體冷卻性能不如串聯(lián)式，串聯(lián)式復(fù)合型冷卻塔的冷卻效率比并聯(lián)式平均高出3.5%～9%。