閉式冷卻塔冬季運行性能研究

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、 運行費用低、 適應(yīng)性強等優(yōu)點， 可廣泛應(yīng)用于工業(yè)用、 民用等制冷等領(lǐng)域 [1] 。

隨著社會的發(fā)展， 閉式冷卻塔近些年被越來越多的應(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)對冷卻塔的熱濕交換效果產(chǎn)生的影響是無法忽略的 [5] ， 隨著室外空氣濕球溫度、 空氣相對濕度等因素的變化， 冷卻塔的運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行條件而改變。如何調(diào)整冷卻塔自身運行參數(shù)來使冷卻塔在非額定工況下仍具有較好的冷卻能力是一個困擾著生產(chǎn)廠家的大問題。雖然國內(nèi)外已經(jīng)有學(xué)者對不同類型冷卻塔在不同室外空氣下的運行特性進行了一些研究， 然而并不全面， 因此研究本課題的目的在于補充并完善前人所做的研究工作， 充實該方向的研究成果， 可為冷卻塔全年能夠更加有效率運行提供技術(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, 其熱量通過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)成水蒸氣進入空氣中， 剩余的水再流回集水槽， 循環(huán)使用。風(fēng)機通過機械送風(fēng)的方式使空氣自下部進入塔體， 流過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， 因此下文將針對這兩部分進行簡要的模型分析。

對于盤管區(qū)，取微元控制體進行分析，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代替表面積進行計算 [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， 進行分析。空氣自下而上流動， 噴淋水則與空氣逆向流動進行熱質(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)過程示意圖

對填料段的能量平衡及質(zhì)量平衡進行分析化簡，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行參數(shù)主要有冷卻塔噴淋水量，進口空氣流量及冷卻塔冷卻水量。因此本文將對上述參數(shù)中的氣象進行實驗分析， 重點確定冬季氣象參數(shù)改變對冷卻塔運行性能產(chǎn)生的具體影響。

2 冷卻塔傳熱性能評價指標

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， 冷卻塔的實際運行效果大多是偏離其額定設(shè)計效果的， 致使其實際冷量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行以及如何判定冷卻塔的運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行條件下的評價指標。

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為冷卻塔進口水溫，℃ ；tf2為冷卻塔出口水溫，℃ ；ts1為冷卻塔進口空氣濕球溫度，℃ 。

2.2 冷卻塔的相對冷量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， 冷卻塔的實際運行工況大多是偏離其額定工況的， 致使其實際冷卻量Q也將不同于額定冷卻量（經(jīng)常有人忽略了這點）。

為便于比較評價， 本研究認為在實際工程中可用冷卻塔的相對冷量β（實際冷卻量與額定冷卻量比值Q/Q0 ） 評價冷卻塔實際冷卻能力接近額定工況程度。

式中：β為冷卻塔的相對冷量，% ；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 口水溫（ ℃）、出 口水溫（ ℃）；Q、W、tf1、tf2則分別為實際工況條件下的各對應(yīng)參數(shù)。

2.3 相對能耗系數(shù)

同理， 也可用冷卻塔的相對能耗系數(shù)（實際能耗系數(shù)與額定能耗系數(shù)的比值） 比較并評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應(yīng)參數(shù)。

3 冬季工況下冷卻塔性能分析

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

為了便于比較分析， 實驗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)計氣象參數(shù)為： 干球溫度 32 ℃， 濕球溫度28 ℃； 設(shè)計運行參數(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。 此時冷卻塔進出口水溫分別為37 ℃及32 ℃，冷卻塔冷卻量為1.35 kW。

3.1 冬季空氣濕球溫度對冷卻塔性能的影響

為研究冷卻塔在冬季氣象條件下的運行性能， 先保持冷卻塔的運行參數(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)整冷卻水進口溫度使其穩(wěn)定在12 ℃。

表2 夏季額定運行參數(shù)在冬季工況下實驗結(jié)果

通過表2可以看出，冷卻塔的夏季設(shè)計運行參數(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 他冷卻塔運行參數(shù)保持額定不變、濕 球溫度分別為 0 ℃、2 ℃、4 ℃時，相 對冷卻量β分別為60.5%、54.9%、49.7%。由于冷卻塔進風(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 此相對能耗系數(shù)變化規(guī)律與相對制冷量基本一致，分 別為60.5%、54.9%、49.7%。由上述數(shù)據(jù)可見，當 其參數(shù)恒定時，隨 著濕球溫度的降低，冷 卻塔進出口水溫差升高，出口水溫可以達到更低的溫度，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。此時以冷卻量為標準，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 冬季干球溫度對冷卻塔性能的影響

研究干球溫度變化對冷卻塔性能帶來的影響， 保持冷卻塔的運行參數(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 變干球溫度對進出口水溫差的影響

如圖 4 至圖 7所示，當 保持冷卻塔運行參數(shù)為夏季額定參數(shù)不變、濕 球溫度恒定時，隨 著干球溫度的升高，各 項冷卻塔性能評價指標均隨之減小。當濕球溫度為 0 ℃、2 ℃、干 球溫度低于 4 ℃時，進 出口水溫差，冷 卻效率，相 對冷卻量及相對能耗系數(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，當 干球溫度發(fā)生小幅變化時空氣焓值基本不變，室 外空氣參數(shù)可以近似當成恒定不變，因 此冷卻塔冷卻能力基本不發(fā)生變化。當濕球溫度為 0 ℃、2 ℃時，隨 著干球溫度從4 ℃升高至6 ℃，與 4℃時相比進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%。相對冷量分別降低了 13.7%和9.7%。相 對能耗系數(shù)分別降低了了9.8%和9.4%。這 是因為空氣溫度升高，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 室外干、濕 球溫度均較低時，干 球溫度的變化并不會對冷卻塔熱濕交換能力產(chǎn)生很大影響， 但當干球溫度高于4 ℃時， 冷卻塔顯熱換熱能力 （即熱交換能力） 降低， 冷卻塔整體性能會有所降低。 此時干球溫度每升高1 ℃， 冷卻塔的相對冷量及相對能耗系數(shù)都會降低4%至5%。冷卻塔相對冷卻量及相對能耗系數(shù)依然能夠保持在50%以上， 具有較好的冷卻能力。

圖5 變干球溫度對冷卻效率的影響

圖6 變干球溫度對相對冷量的影響

圖7 變干球溫度對相對能耗系數(shù)的影響

4 結(jié)論

為了研究閉式冷卻塔在冬季熱質(zhì)交換情況及其運行性能， 把握影響冷卻塔運行性能的因素及其適宜的運行條件， 本文以帶填料的閉式冷卻塔為研究對象，結(jié)合冷卻塔試驗臺及其熱質(zhì)交換模型， 以夏季額定工況下冷卻塔各項運行參數(shù)為比較基準， 比較詳細的分析了當室外氣象參數(shù)改變時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，提 出了關(guān)于冷卻塔全年運行熱濕交換性能評價的指標：冷卻塔的冷卻效率ε， 相 對冷量β，相 對能耗系數(shù)。

2）在運行參數(shù)為額定工況下冷卻塔的運行參數(shù)ω，冷 卻水進口水溫為 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%。進出口水溫差無法達到夏季的 5℃，一般只有2.5℃到3℃。

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

參考文獻

[1] 任勤, 周亞素,張恒欽. 基于濕球溫度的逆流閉式冷卻塔換熱模型分析[J].建筑熱能通風(fēng),2010,29(1):9-12.

[2] 吳敏,楊浩.昆明卷煙廠常年供冷車間供冷模式的經(jīng)濟比較[J].建筑設(shè)備與建筑材料,2014,34:232-234.

[3] Dianguang Z,Xing G.Application of the cooling tower free cooling system in the field of building energy efficiency[C]//Electric Technology and Civil Engineering(ICETCE).Lushan:2011 International Conference on,2011:2945-2949.

[4] 李永安,常靜.封閉式冷卻塔供冷系統(tǒng)氣象條件分析[J].暖通空調(diào),2005,35(6):107-108.

[5] 劉乃玲.空調(diào)用閉式冷卻塔的運行參數(shù)對其冷卻性能的影響[J].制冷,2007,(1):74-87.

[6] Poppe M,Rogener H.Evaporative Cooling Systems.VDI-Warmeatlas[M].Berlin,1984.

[7] 段小容.空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔性能分析與診斷研究[D].長沙:湖南大學(xué),2011.

[8] 錢煥群,郭懷德.冷卻塔冷卻過程模擬計算[J].暖通空調(diào),1999,(1):59-61.

[9] G Gan,S Rlfiat.Numerical simulation of closed wet cooling towers for chilled systems[J].Applied Thermal Engineering,1999,(19):1279-1296.