露點間接蒸發冷卻塔實驗研究

朱漢成，王泉海，盧嘯風，范旭宸

(重慶大學 低品位能源利用技術及系統教育部重點實驗室，重慶 400044)

目前，電廠節能降耗改造主要集中在3大主要設備及其控制系統，已取得了顯著成效，但對電廠其他輔助設備的節能降耗改造，并沒有投入過多關注。火電機組能量轉換過程中汽輪機冷源熱損失是火電機組損失中最大的一項，如超超臨界機組冷源損失超過45%。冷卻塔的冷卻水出口溫度越低，汽輪機背壓越低，冷源損失越低。然而，長期以來電廠對冷卻塔缺乏重視，對冷卻塔維護和節能優化改造投入不多，導致冷卻塔隨著運行時間增加冷卻能力降低，出口水溫增高，從而使凝汽器真空度降低，冷源損失增加，發電煤耗增加，經濟性降低[1-2]。以600 MW機組滿負荷運行為例，冷卻塔出口水溫上升一度，機組熱耗率增加21.09 kJ/(kW·h)，發電煤耗增加0.8 g/(kW·h)，機組年可利用時間按4 300 h計算，每年標準煤增加2 604 t，僅此經濟損失約達104 萬元(煤價按400 元/t)[3]。因此提高冷卻塔性能十分必要。

冷卻塔傳熱傳質主要在噴淋區、填料層和雨區進行。由于冷卻過程中換熱量的60%～70%在填料層進行[4-5]，所以冷卻塔的性能優化改造主要集中在如何增強填料層冷卻能力，提高傳質系數。傳統冷卻塔循環水冷卻的物理極限是環境空氣的濕球溫度。國外學者提出一種基于M循環原理的新型冷卻塔優化技術，對進入冷卻塔的空氣進行等濕冷卻，濕球溫度隨之降低，從而降低冷卻塔的出口水溫，提高冷卻塔的冷卻能力，理論上能使循環水冷卻到空氣露點溫度，2016年electric power research institute(EPRI)首先將露點間接冷卻技術用于冷卻塔實驗，以金屬換熱板作為填料，以實現將循環水冷卻至更低溫度。EPRI通過實驗研究發現淋水密度小于4.16 t/(m2·h)時可實現亞濕球溫度的冷卻，其濕球效率大于100%，但填料在淋水密度較大時干濕通道之間會出現水氣泄漏，水分進入干通道使空氣濕度變化導致空氣冷卻能力變差從而無法實現亞濕球溫度冷卻[6]。

1 M循環原理介紹及發展現狀

1.1 M循環原理

2003年，Valeriy M提出Maisotsenko循環(簡稱M循環)[7]，該循環無需額外機械制冷，能將被冷卻介質溫度降低至空氣濕球溫度以下，理論上的冷卻極限為空氣露點溫度。M循環原理及溫-濕圖如圖1所示，M循環由干、濕2種相互隔開的主要通道組成，濕通道的水膜是由布置在濕通道壁面上飽和的吸水材料形成。

圖1 M循環原理(a)及溫-濕示意圖(b)

首先環境中進口空氣1流入干通道，由于干濕通道之間存在溫差，干通道中空氣將其顯熱傳遞到濕通道，被等濕冷卻到出口空氣2。干通道出口空氣部分作為產出空氣排出，部分進入濕通道中作為工作空氣。工作空氣與濕通道壁面上水膜直接接觸進行蒸發換熱，沿著流動方向不斷升溫飽和，工作空氣成為飽和空氣3后排向外界。由于空氣在干通道中被等濕冷卻，工作空氣干球溫度下降，同時濕球溫度下降，濕通道中進行蒸發冷卻，其冷卻極限溫度為工作空氣的濕球溫度，從而使其突破傳統蒸發冷卻極限，將空氣冷卻到低于環境空氣的濕球溫度，理論上極限為環境空氣的露點溫度[8-13]。

1.2 露點間接蒸發冷卻技術發展現狀

基于M循環原理利用水蒸發冷卻能將待冷卻介質冷卻到接近露點溫度的冷卻技術稱之為露點間接蒸發冷卻。國內關于露點間接蒸發冷卻技術的研究相對較少，還處在研究階段，尚未大規模應用，而國外關于露點間接蒸發冷卻的研究相對較早，己經有較為成熟的理論計算模型和實驗研究。目前，國內外獲取低溫空氣的研究主要集中空調制冷領域。基于此，將露點間接蒸發冷卻技術應用于冷卻塔，進一步降低冷卻循環水溫。然而，由于用途及結構差異，空調領域的研究成果不能直接應用于冷卻塔，需要對M循環進行優化，應用于冷卻塔的露點間接蒸發冷卻技術原理圖和溫-濕圖如圖2所示。濕通道的水膜由與空氣逆向流動的循環水構成。進口空氣流入干通道，在干通道等濕冷卻到2點，此時，空氣溫度T2低于空氣濕球溫度Twb，冷卻后空氣全部進入濕通道。循環水與預冷后的空氣在濕通道內進行蒸發換熱。

圖2 露點間接蒸發冷卻塔原理圖(a)和溫-濕示意圖(b)

傳統濕式冷卻塔水冷卻的物理極限是環境空氣的濕球溫度，而要將水溫繼續降低，按照傳統理論是無法實現的。露點間接蒸發冷卻塔因為進入濕通道參與蒸發換熱的空氣已經被預冷，濕球溫度下降所以冷卻極限下降，可以將循環水冷卻到環境空氣濕球溫度以下。

本文采用固定管板作為填料，空氣和冷卻水分別在管束內、管束外流動，形成干濕通道，從而形成在填料內實現露點間接蒸發冷卻。實驗驗證該填料在較高淋水密度時能否實現亞濕球溫度冷卻將循環水冷卻至空氣濕球溫度以下，同時研究氣水比、進口空氣干球溫度、進口空氣相對濕度和進口水溫對冷卻塔濕球效率和出口水溫的影響，為露點間接蒸發冷卻技術工業化應用提供重要基礎數據和技術支撐。

2 實驗系統及測量系統

2.1 實驗系統

基于M循環的露點間接蒸發冷卻塔實驗系統簡圖如圖3，實驗系統由實驗臺本體、供風系統和供水系統組成。實驗臺實物如圖4所示，實驗臺本體采用固定管板作為填料冷卻單元，如圖5所示。固定管板填料由固定板上錯列方式布置的410根管束與固定板構成，填料層高為1.5 m，長為0.5 m，寬為0.5 m，為了冷卻塔安裝和拆卸方便，將填料層平分為3個高0.5 m的冷卻單元，固定管板的開孔率為18.5%。固定管板填料具有結構簡單，材質適用范圍廣、密封性好、阻力較小的優點。

1.燃氣鍋；2.板式換熱器；3.抽水泵；4.蓄水池；5.離心風機；6.布水裝置；7.填料；8-12.測點

圖4 實驗臺實物示意圖

圖5 固定管板填料冷卻單元示意圖

填料管間為濕通道，管內為干通道，首先，循環水經過實驗臺頂部的布水裝置6均勻噴淋進入濕通道進行流動蒸發換熱，空氣流程如圖3中虛線所示，其次，空氣依次折返流經填料上部和下部干通道并被預冷，然后從填料底部進入濕通道參與蒸發換熱，最后從實驗臺頂部排出。

供風系統由額定風量2 500 m3/h的變頻離心式風機送風。供水系統由熱水供應系統、變頻水泵、布水系統、蓄水池組成。額定功率為320 kW 的燃氣熱水鍋爐通過板式換熱器預熱循環水，后經布水系統均勻進入實驗臺本體進行冷卻，冷卻后的水下降并積蓄在蓄水池內，由水泵經板式換熱器輸送至實驗臺頂部布水系統構成閉式循環。布水系統由“工”字型分水管組成，噴頭安裝在其4個端點處，通過調整噴頭的方向及角度幫助噴淋布水均勻，布水系統噴頭采用TF型噴頭如圖6所示。

圖6 噴頭實物圖

2.2 測量系統

實驗測量參數包括循環水量、進出口水溫、進口空氣參數和風量。測點位置如圖3所示，在冷卻塔旁送水垂直管道上測點8處安裝 LZB-50轉子流量計測量循環水量，在測點9、12插入T 分度防水鎧裝熱電偶測量進出口水溫，在測點10插入電容式濕度探頭和NTC溫度探頭測量進口空氣參數，在送風水平鋼管上測點11采用熱線風速儀通過多測點等截面法測量風速。測量儀器參數如表1所示。

表1 測量儀器參數

3 實驗結果與分析

3.1 參數定義

淋水密度Г為：

(1)

式中：Q為冷卻塔淋水體積流量(m3·h-1)；St為填料橫截面管內面積(m2)。

氣水比λ為：

(2)

式中：G為總通風量(t/(m2·h))；ρ為空氣密度(kg/m3)。

冷卻塔蒸發冷卻過程中循環水被冷卻的程度以空氣濕球溫度為基準，用濕球效率ηw表示計算公式為：

(3)

式中：Twi為冷卻塔進口水溫(℃)；Two為冷卻塔出口水溫(℃)；Twb為進口空氣濕球溫度(℃)。

3.2 氣水比對冷卻塔冷卻效果影響

為研究氣水比對冷卻塔冷卻效果的影響，分別在淋水密度為6.5、8.8、9.8 t/(m2·h)時，保持進口空氣干球溫度、進口空氣濕球溫度、進口水溫實驗參數不變，通過改變冷卻塔進風量調節氣水比，實驗結果如圖7所示。

圖7 氣水比對實驗影響的對比曲線

在保持冷卻塔進口水溫和進口空氣參數不變的情況下，隨著氣水比的增加，濕球效率逐漸提高，出口水溫逐漸降低，如在淋水密度為6.5 t/(m2·h)，空氣干、濕球溫度分別為37.0、24.0 ℃，進口水溫為26.5 ℃時，隨著氣水比從0.84升至2.05，出口水溫從25.6 ℃降低至22.9 ℃，冷卻塔的濕球效率從13.61%增加到177.13%。其主要原因有2方面：一是在干通道中空氣進行預冷換熱，氣水比增加，在淋水密度不變的情況下，通風量增加，增強其擾動使換熱量增加，等濕預冷階段焓降增加，干通道出口處空氣狀態點2點向左平移，空氣干球溫度和濕球溫度下降，出口水溫降低；二是通風量增加，濕通道中風速增加，增強了氣液兩相交接面的擾動，減小了兩相的傳質阻力，吸收更多潛熱，蒸發更多水分，從而使出口水溫下降，濕球效率增加。

3.3 進口空氣干球溫度對冷卻塔效率

為研究進口空氣干球溫度對冷卻塔冷卻效果的影響，保持淋水密度為9.2 t/(m2·h)，氣水比為0.95，進口水溫為26.0 ℃，空氣濕球溫度為23.0 ℃，改變進口空氣的干球溫度，實驗結果如圖8所示。

圖8 進口空氣干球溫度對實驗影響曲線

從圖8中可以看出：在其他條件不變的情況下，進口空氣濕球溫度為23.0 ℃時，隨著進口空氣干球溫度上升，濕球效率逐漸降低，出口水溫逐漸上升，如空氣干球溫度從33.1 ℃增加到37.6 ℃時，濕球效率從108.12%降低到37.64%。這是由于空氣干球溫度上升，空氣進口初始點1點向右平移，在濕通道換熱量沒有增加的情況下，2點向右平移，出口處濕球溫度上升，同時由于干通道進口空氣溫度高于濕通道進口水溫，當干通道進口空氣溫度上升時，干通道空氣對濕通道的傳熱量增加，濕通道對入口空氣的預冷效果變差，干通道空氣出口溫度上升，從而使出口水溫上升，濕球效率下降。

3.4 進口空氣相對濕度對冷卻塔效率影響

為研究進口空氣相對溫度對冷卻塔冷卻效果的影響，保持淋水密度為7.7 t/(m2·h)，氣水比為0.7，進口水溫為26.5 ℃，空氣干球溫度為37.0 ℃，改變進口空氣相對濕度，實驗結果如圖9所示。

圖9 進口空氣相對濕度對實驗影響曲線

從圖9中可以看出：在其他條件不變的情況下，進口空氣干球溫度為37.0 ℃時，隨著進口空氣相對濕度的增加，濕球效率逐漸提高，出口水溫略有提高，如空氣相對濕度從31.0%增加到41.1%時，濕球效率從96.40%增加到240.00%，此時達到了實驗的最大濕球效率，出口水溫從23.2 ℃到23.7 ℃。其主要原因有2方面：一方面，空氣相對濕度增加初始空氣狀態點1點向上平移，空氣出口處狀態點2點右上平移，空氣出口濕球溫度上升，空氣中初始水分濃度升高，管內蒸發傳熱傳質阻力增加，導致換熱量減小，出口水溫上升；另一方面，由于該工況下，相對濕度增加時，空氣濕球溫度上升幅度比出口水溫的上幅度大，因此濕球效率上升。

3.5 進口水溫對冷卻塔效率的影響

為研究進口水溫對冷卻塔冷卻效果的影響，保持淋水密度為8 t/(m2·h)，氣水比為1.25，進口空氣干球溫度為29.5 ℃，進口空氣濕球溫度為21.5 ℃，改變冷卻器濕通道進口水溫，實驗結果如圖10所示。

圖10 進口水溫對實驗影響曲線

從圖10中可以看出：隨著進口水溫的增加，冷卻塔出口水溫逐漸增加，濕球效率逐漸降低。當進口水溫從23.0 ℃增加到27.0 ℃時，冷卻塔出口水溫從21.0 ℃增加到24.7 ℃，濕球效率從153.82%降低到53.49%。這主要是因為進口水溫增加，將其降低至相同溫度所需換熱量增加，出口水溫上升，同時濕通道中水膜的平均溫度上升，使干通道中空氣的預冷效果變差，干通道空氣出口溫度上升，從而使出口水溫上升，濕球效率下降。

4 結論

1) 保持進口水溫、淋水密度和空氣參數不變，隨著氣水比的增加，濕球效率逐漸提高，出口水溫逐漸降低。

2) 保持進口水溫、淋水密度和氣水比不變，隨著空氣進口干球溫度增加，濕球效率逐漸降低，出口水溫逐漸增加。

3) 保持進口水溫、淋水密度和氣水比不變，隨著空氣相對濕度增加，濕球效率逐漸提高，而出口水溫略有增加。

4) 保持淋水密度、氣水比和進口空氣參數不變，隨著進口水溫增加，濕球效率逐漸降低，出口水溫逐漸增加。

本技術主要適用于環境空氣濕度較低的地區，若在濕度較大的地區使用，需要用除濕設備對入口空氣進行預處理，才能實現亞濕球溫度冷卻，會增加投資和運行成本。