陳二雄，朱冬生，朱 冰，涂愛民，劉世杰，陳杭生

（1.中國(guó)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(shí)受空間限制[3]。另外，在含塵濃度較高的場(chǎng)合，臥式布置的管式間接蒸發(fā)冷卻器在使用一段時(shí)間后，容易發(fā)生換熱管內(nèi)壁結(jié)垢現(xiàn)象。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)對(duì)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(jì)算模型，測(cè)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(jì)了一臺(tái)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(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)該間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了性能測(cè)試，研究其溫降和效率等性能。

為了進(jìn)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(duì)立管式間接蒸發(fā)冷卻器的結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)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(jī)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(duì)間接蒸發(fā)冷卻器內(nèi)部循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷卻降溫的設(shè)備。主要功能是對(duì)循環(huán)冷卻水降溫，滿足設(shè)備的熱負(fù)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(jī)、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(dòng)，同時(shí)小部分空氣從噴淋口側(cè)進(jìn)入，達(dá)到風(fēng)水同向的效果，進(jìn)一步強(qiáng)化噴淋水膜側(cè)對(duì)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(gè)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(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

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

圖2 閉式冷卻塔熱力性能試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)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(jìn)出口溫度由溫度傳感器測(cè)量，循環(huán)冷卻水經(jīng)水泵驅(qū)動(dòng)，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(jì)測(cè)量。蒸發(fā)式冷卻器進(jìn)出口壓降通過氣液壓差計(jì)測(cè)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(jì)進(jìn)行測(cè)量。

2.2 試驗(yàn)工況

所有試驗(yàn)均在閉式冷卻塔熱力性能試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行，環(huán)境干濕球溫度通過溫濕度計(jì)測(cè)量，試驗(yàn)工況見表1。

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

2.3 誤差分析

在試驗(yàn)的過程中需要對(duì)溫度、流量、壓力等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，采用的測(cè)量方式及其量程、精確度見表2。

表2 試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量?jī)x器及其量程、精度Tab.2 The range and accuracy of test parameter measuring instrument

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

閉式冷卻塔進(jìn)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(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)，包括30，40，50 Hz，對(duì)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(duì)應(yīng)流量下閉式冷卻塔的各項(xiàng)性能參數(shù)，主要包括換熱量、壓降、冷卻水進(jìn)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(jī)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(dāng)風(fēng)機(jī)頻率為30 Hz時(shí)，在流量范圍14.5～34.3 m3/h內(nèi)，換熱量145.6～153.8 kW；當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率為40 Hz時(shí)，在同樣流量范圍內(nèi)，換熱量為148.3～163.7 kW；而當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率升到最高50 Hz時(shí)，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(jī)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(shí)，所需的空氣流量相對(duì)較少，因此閉式冷卻塔的換熱量受風(fēng)機(jī)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(shì)，說(shuō)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?yàn)樵谙嗤魍娣e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(huì)造成冷卻水泵功耗增大，因此在設(shè)計(jì)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(jī)頻率30 Hz，風(fēng)量15 292 m3/h時(shí)，冷卻塔進(jìn)、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(jìn)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(jìn)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(jìn)、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(jī)頻率40 Hz，風(fēng)量23 581 m3/h時(shí)，冷卻塔進(jìn)、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(jìn)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(jìn)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(jìn)、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(jī)頻率50 Hz，風(fēng)量32 889 m3/h時(shí)，冷卻塔進(jìn)、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(jìn)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(jìn)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(jìn)、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(jī)頻率由30 Hz升到50 Hz，閉式冷卻塔冷卻水進(jìn)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(shì)，而溫差則基本保持不變。這是因?yàn)榭諝饬髁吭龃?，可及時(shí)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(lái)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(shí)，風(fēng)機(jī)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(dāng)風(fēng)機(jī)頻率一定時(shí)，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(shì)，這是因?yàn)檠h(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(huì)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(jī)頻率越高，出風(fēng)干球溫度和濕球溫度就會(huì)越低，由能量守恒原理可知，在空氣進(jìn)風(fēng)狀態(tài)相同的條件下，熱負(fù)荷一定時(shí)，空氣流量越大，溫差就會(huì)越小，即出風(fēng)溫度越低。

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

圖9 進(jìn)、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(jìn)出口溫度都呈下降趨勢(shì)，進(jìn)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(zhǎng)了7.7%。此時(shí)，換熱量由144.3 kW增加到155.3 kW，增長(zhǎng)了7.6%，與溫差增長(zhǎng)基本一致。

隨著噴淋水流量的增大，冷卻效果越好，但到達(dá)一定量后，再增大噴淋水量，對(duì)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(dòng)阻力將顯著增加，隨之帶來(lái)的是風(fēng)機(jī)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(duì)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(shí)，所需的空氣流量相對(duì)較少，因此閉式冷卻塔的換熱量受風(fēng)機(jī)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(yàn)中，超過32 m3/h后，三者都呈現(xiàn)突然增大的趨勢(shì)，說(shuō)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(jī)頻率由30 Hz升到50 Hz，冷卻水進(jìn)口溫度和出口溫度變化范圍都呈下降趨勢(shì)，而溫差則基本保持不變。這是因?yàn)榭諝饬髁吭龃螅杉皶r(shí)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(lái)噴淋水的蒸發(fā)。

（3）當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率一定時(shí)，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(shì)；而在相同冷卻水流量下，風(fēng)機(jī)頻率越高，風(fēng)量越大，出風(fēng)干球溫度和濕球溫度就會(huì)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(jìn)出口溫度都呈下降趨勢(shì)，進(jìn)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(zhǎng)了7.7%，換熱量增長(zhǎng)了7.6%。隨著噴淋水流量的增大，冷卻效果越好，但到達(dá)一定量后，再增大噴淋水量，對(duì)冷卻效果的影響卻變得很小。