逆流式冷卻塔降溫性能及節水研究分析

江建軍，劉景麗，朱叢靜，郭葉書，曹 紅，劉 彬，史玉濤，周劍秋，蔡 銳，程 清

（1.南通醋酸纖維有限公司，江蘇 南通 2 2 6 0 0 8；2.南京工業大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816；3.南京工業大學 化工學院，江蘇 南京 2 1 1 8 1 6；4.南京工業大學 能源科學與工程學院，江蘇 南京 211816）

0 引 言

在工業的循環水系統中，80%是冷卻用水，然而在循環使用過程中存在大量的冷卻水損失。 其中，蒸發損失的水量所占比例最大，約占循環水總量的1.2% ～1.6%，風吹損失和排污損失分別占循環水量的0.1%和0.24%[1]。 此外，冷卻塔頂區域會在冬季形成明顯可見的白色“羽霧”，對周邊工業設備以及環境造成一定的危害。 因此，減少蒸發損失和消除白霧的研究對工廠的經濟效益的提升和對環境的保護具有重大的現實意義[2]。

在針對冷卻塔的蒸發損失的研究中，黃汝廣等通過理論計算，單一控制變量分析發現環境溫度，循環水量和進塔水溫對蒸發損失水量具有一定的影響，為改善冷卻塔耗水量大和“羽霧”問題提供了思路[3]。 延洪劍等通過對機械通風逆流濕式冷卻塔數值模擬，提供了兩種節水消霧思路：一種是在蒸發結束時提高水蒸氣的回收效率，另一種是在蒸發過程中減少水冷卻時的損失[4]。 時國華等通過在冷卻塔收水器上方增設熱管并對熱管傾斜角度合理安置，有效地提高了換熱過程中蒸發水的回收[5]。 王曰鋒等則采用在出風口安裝由翅片圓管組成的冷卻模塊，減少了濕區冷卻塔內不必要的蒸發水損失，實現了較好的節水效果[6]。

利用逆流式冷卻塔可為醋循環系統提供冷卻循環水。 由于冷卻塔運行多年，普遍存在冷卻效率下降和耗水量大等問題，將導致循環供水溫度升高、冷卻塔使用能耗增加。 此外，冷卻水在塔內的蒸發會使得冷卻塔出口處的濕熱空氣溫度和濕度都比較高，當冬季運行時濕熱空氣排出塔外和冷空氣混合，易形成“羽霧”。 在“羽霧”的下風口處的設備和居民區會受到一定程度的危害。 因此，本文結合實測環境溫度和冷卻塔參數等數據，將五期11 號冷卻塔作為熱力計算模型，使用Matlab 軟件，通過數值計算的方法分析了該冷卻塔關于冷卻性能下降，耗水量大以及白色羽霧的影響因素，并根據計算結果，驗證了新型干濕聯合冷卻塔結構的合理性[7]。

1 塔體參數和改進措施

五期11 號冷卻塔為方形鋼混結構逆流式冷卻塔，其尺寸為16.2 m×16.2 m×16.2 m，單塔處理量高達3500 m3/h。 針對上述存在的問題，本文提出一種干濕聯合的改進措施：將冷卻塔分為干區（在原冷卻塔的塔體外部增設高效冷卻器模塊）和濕區（冷卻塔本體）。 循環水先全部進入高效翅片橢圓管冷卻器模塊進行預換熱處理，然后從干區出來的循環水進入濕區換熱，具體結構如圖1 所示。

圖1 新型干濕聯合冷卻塔示意圖

2 傳熱傳質計算模型

2.1 熱力計算

濕空氣的飽和含濕量與濕空氣的溫度和壓力有關。 根據道爾頓定律，由分壓差為動力的蒸發水量計算公式：

式中，d QL為蒸發損失的水量，m3/h；d F為單位時間通過水表面，m2；βP為以水蒸氣分壓力差為基準的散質系數，kg/（m2·s）；P″τ為溫度為τ時飽和水蒸氣分壓力，Pa；Pθ為溫度為θ時空氣中的水蒸氣分壓力，Pa。

上式也可以表示成以含濕量差為動力的蒸發水量計算公式，即為：

式中，βx為以含濕量差為基準的散質系數，kg/（m2·s）；x″τ為溫度為τ時飽和空氣的含濕量，kg/kg；xθ為溫度為θ時飽和空氣的含濕量，kg/kg。

水的冷卻過程中因蒸發造成的損失即為空氣含濕量的增加，則上式可以簡化為：

式中，QL為水的蒸發損失量，m3/h；ρ為濕空氣的密度，kg/m3；G為進空氣的流量，m3/h；χ1為傳熱傳質前的含濕量，kg/kg，χ2為傳熱傳質后的含濕量，kg/kg。

在工程中，其蒸發損失水量公式可以與進塔空氣溫度相對應的蒸發系數經驗公式來計算[8]，即：

式中，QL為蒸發損失水量；K為蒸發損失系數；Δt為冷卻塔進出水的溫度差，℃；Qt為循環水量，m3/h。

由此，需要得到溫差和不同環境工況下的K值以及循環水量即可計算出蒸發損失水量[9]。其中溫差的計算可借助傳熱與傳質相結合的麥克爾焓差公式[10]：

式中，βxv為塔內與填料物性相關的容積散質系數，kg/（m3·h）；Cp為水的比定壓熱容，取4.2 kJ/（kg·℃）；V為冷卻塔內填料的體積，（V=16.2×16.2 ×1.25 =328.05 m3）；Q為循環水量，m3/h；t1和t2分別為進、出塔水溫，℃；K為與外界大氣溫度相關的蒸發損失系數；h″為與水溫相應的飽和濕空氣比焓，即h″=h″（t），kJ/kg，由公式（6）計算得：

式中的2501 k J/kg是每千克0 ℃的液態水變成0 ℃的水蒸氣所需要的汽化潛熱。 p和pv分別表示空氣壓力（k Pa）和水蒸氣分壓力（kPa）。 由公式（8）輔助計算：

式中φ為空氣相對濕度。 特別的，在計算水蒸氣分壓力的同時，借助了計算蒸汽壓的安托尼方程，其中pvb表示為飽和蒸汽壓，kPa：

由此溫差Δt即為t1-t2。 接下來，利用實驗數據，對蒸發損失系數K和散質系數βxv進行計算[11]。

2.2 蒸發損失系數K值計算

部分K值如表一所示，通過拉格朗日插值公式，得到式（10） 所示的lagrange插值計算公式[12]。

表1 部分提供的K值

記作（x0，y0） =（0，0.00100）；（x1，y1） =（10，0.00120）；（x2，y2） =（20，0.00140）；（x3，y3） =（30，0.00150）

則由拉格朗日插值定理得插值計算公式：

由此，以2 ℃為間隔，補全數值計算所需的K值，計算結果如表2 所示。

表2 常見工況下的K值

2.3 散質系數βxv計算

經過實驗測定的數據如表3 所示。

表3 五期11 號冷卻塔的實驗數據

根據實際回水量，進出水溫差，水的比熱容，進出塔空氣焓和電流推算出排氣風速。 根據線性回歸方程擬合出的11 號冷卻塔風速如下：

式中，A，B，C為擬合系數；g 為質量風速，kg/（h·m2）；ρ為水的密度，kg/m3；Q為回水量，m3/h；a，b為塔的寬度和長度（16.2 m）；d 為排氣筒直徑（9.1 m）；Vp為擬合的排氣風速，m/s；md為空氣密度，kg/m3。

公式中的重量風速與一種推算的風速相關，淋水密度和回水量相關，因此得到的擬合結果，即：

全文的熱力計算均采用上述擬合結果。

通過擬合公式，并和實測數據進行對比，在自然對流（風機電流小于20 A）和機械通風（風機電流大于20 A）情況下，進行多組實驗和計算的對比，從圖2 中可以看出實際測量的排氣風速與文中擬合推算的排氣風速數據基本吻合。

圖2 推算與實際測量的排氣風速關系圖

3 結果與討論

3.1 環境溫度的影響

為了探究環境干球溫度和濕度對蒸發損失水量的影響，改變了環境的大氣溫度和濕度，保持其他值不變，工況設定為風機電流210 A，進塔水溫34 ℃，循環水量3000 m3/h。

圖3 對比了相對濕度φ為70%、80%、90%，不同干球溫度下的冷卻塔溫降以及蒸發損失量。如圖3（a）所示，環境空氣溫度對溫降有顯著影響，隨著干球溫度降低，溫降明顯升高，冷卻塔出塔水溫大大降低。 此外，在同一大氣干球溫度下，濕度越大，溫降越小。 而從圖3（b）可以看出蒸發損失量與空氣溫度成反比關系，空氣干球溫度的越小，蒸發損失量越大。 同時，由于環境溫度升高，所以引起了出塔水溫的提高，而蒸發水損失與進出塔水溫相關。 隨著溫差減小，蒸發系數隨環境溫度升高而升高，進出水溫的減小對蒸發量的影響更大。 所以從整體來看，蒸發損失隨環境溫度的增加而減小，并且，低濕度氣體將大大增加冷卻塔的蒸發損失量。 值得注意的是，蒸發水損失除了以飽和的羽霧形態散失出去的，還包括部分不飽和的水汽。 因此，要兼顧溫降能力及蒸發損失量，就需要對其他因素進一步分析。

圖3 大氣狀態與溫降和蒸發水損失的關系

3.2 循環水量的影響

根據夏冬季的外界氣溫變化，分別擬定了4種工況溫度（0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃）下的循環水量與蒸發損失水量和溫降與蒸發損失水量的關系。 從3000 m3/h 到3500 m3/h，每隔100 m3/h改變循環水量梯度，其他運行條件與3.1 節保持一致。

從圖4（a）中，可以看出，隨著進塔時循環水量的增加和進出塔的溫降減小，在不同的進風溫度下，其結果趨勢一致。 結合公式（4），可以得出，蒸發量與進出塔溫差和循環水量相關。 而從圖4（b）中可以得出，隨著循環水量逐漸增大，蒸發水損失增加的趨勢較為緩慢。 這表明循環水量的變化對溫降的影響較明顯，而對蒸發損失量的影響較小。 所以，根據外界的氣溫，可以適當地調整循環水量，以達到降低出塔水溫和減小蒸發損失水量的目的，當蒸發損失水量減小，換熱后的濕空氣中的含濕量減少，可以有效地避免冷卻塔的出塔口形成濃厚可見的白色“羽霧”。

3.3 噴淋溫度的影響

通過改變噴淋水溫和環境的大氣溫度，保持其他運行條件不變，進一步探究不同工況下噴淋水溫對溫降和蒸發損失水量的影響。

從圖5（a）中可以看出，在不同進風溫度下，進塔水溫與溫降呈明顯正增長的趨勢，即噴淋水溫越高，溫降也越大。 此外，無論外界氣溫怎么變化，在同一進塔水溫下，溫降幾乎偏差不大，這是因為，冷卻塔的冷卻性能固定且與填料的高度、結構和填料性能有關，同時，大氣濕球溫度對溫降存在少量影響。 蒸發損失水量卻有明顯的偏差，這是因為蒸發損失系數K值不同。 根據公式（4），在同一個進塔循環水量下，蒸發損失水量隨著溫降的減小而減小。 計算結果如圖5（b）所示，噴淋水溫越低，蒸發損失水量也就越少。 當環境溫度越大時，其蒸發損失水量也增大。 結合兩圖的線性規律發現在0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃的工況下，曲線呈現兩種斜率的變化。 當噴淋溫度大于34 ℃之后，其溫降和蒸發損失水量呈快速增長，但出塔水溫并未達到后續工藝所需用水溫度。 當噴淋水溫偏低時，溫降和耗水量降低，但會增加工程上改造冷卻塔的成本。 綜合以上分析，控制進入濕區的循環水溫為34 ℃將是節水降溫的最佳進塔溫度點。

圖5 噴淋水溫與溫降和蒸發水損失的關系

4 結 論

（1）環境溫度對該冷卻塔的溫降影響顯著，主要歸因于冷卻塔的冷卻性能，而由于不同環境溫度的蒸發損失系數不同，可得蒸發損失水量也不同。 環境干球溫度越低，濕度越低，則蒸發水損失越高。 由于冬季干濕球差異明顯，所以當冬季環境溫度偏低，出口干濕球溫差明顯，從而影響到白色羽霧的濃度程度也不同。

（2）隨著進塔的循環水量增加，溫降均呈現減小的趨勢，而蒸發損失水量呈現微微增大的趨勢，這表明，循環水量的增加會影響冷卻塔的冷卻效果，增加冬季形成白色“羽霧”的概率。

（3）在不同的噴淋溫度下，溫降和蒸發損失水量隨著進塔溫度的降低而降低，當進塔溫度大于34 ℃時，溫降和蒸發損失水量的值增長速率加快，綜合改造成本和工程實際，進入冷卻塔濕區的水溫為34 ℃時較為經濟合理。

（4）結合冷卻塔冷卻性能和蒸發損失量，提出干濕聯合循環冷卻形式，循環水進入干冷區預換熱，預冷后的循環水進入濕冷區，減少蒸發損失；同時預熱后的干空氣和濕冷區的濕熱空氣混合后排入外界，大大減小冬季羽霧形成的可能性。