无填料冷却塔冷却性能的试验研究

张 楠，李念平，崔海蛟，李胜兵，贾宇豪

（湖南大学，湖南长沙 410082）

1 前言

无填料冷却塔去除了传统开式冷却塔的填料部分，对配水部分做出重大改进，使循环水在淋水区域形成足够小的水滴。由于塔内阻力减小，进风量提升15%～20%，在无填料的情况下能够进行充分的水气热质交换，从而达到冷却循环水的目的。无填料冷却塔避免了由于水质和水温的原因而导致的填料性能的下降和损坏，对处理高温、高浊度、易结垢循环水有重要的意义［1～3］。

近年来，许多企业和学者对无填料冷却塔进行了深入研究。陈剑波等通过对无填料喷射式冷却塔和传统填料冷却塔的冷却性能进行实测对比分析，结果表明无填料冷却塔具有明显的技术优势［4］。路建岭等分析了喷雾位置、气水比以及截面风速对上喷式无填料冷却塔冷却效率的影响［5,6］。魏峥等通过建立无填料冷却塔的一维传热与传质模型，并获得其基本热力性能计算方程式，给出了计算液滴当量直径的基本方法，为无填料冷却塔的实际应用提供了理论基础［7］。陈建平等通过实验和理论分析发现适当改变风机频率和叶片角度可以提高冷却塔的冷却效率［8］。齐晓霓等将人工神经网络与传统建模方法相结合，建立基于神经网络并且精度和泛化性都能兼顾的无填料冷却塔模型，可预测无填料冷却塔在不同条件下的冷却量，具有重要的实践意义［9］。然而，对于进风位置对冷却塔冷却效率的影响却没有相关研究，对于循环水进水温度、室外空气干球温度、气水比对不同类型冷却塔冷却效率的影响也很少有综合对比及评判。本文将基于搭建的无填料冷却塔试验平台对上述影响因子进行分析和综合对比评判。

2 试验台的搭建

试验台构造如图1所示，试验台为圆柱形无填料冷却塔，流量，横截面积 0.61 m2，塔高 1.6 m。主要有电动机、风机、收水器、雾化喷头、集水池、进出水管等组成。冷却塔共上下2组喷头，每组4个，上喷式冷却塔（喷嘴位于冷却塔底部）和下喷式冷却塔（喷嘴位于冷却塔顶部）的研究在同一结构内进行，便于对比分析。对风机加载变频器，对风量进行控制，采用三相电改变风机转向进而改变进风位置。循环水通过喷头喷出与空气接触，通过对流和导热的方式进行换热，降低水温。冷却后的循环水在集水池内通过出水管送往机组，循环使用。

图1 无填料冷却塔结构示意

3 试验仪器和内容

3.1 试验仪器和测量参数

试验所需的仪器和测量的参数见表1。

表1 试验仪器和测量参数

3.2 试验内容

保持其他参数不变，分别改变进风位置、风量、室外空气干球温度、循环水进水温度进行试验。测量并记录所需的试验数据，通过对试验数据整理分析，得出不同参数对冷却塔冷却效率的影响并对比分析。

3.3 冷却效率的定义

冷却塔的冷却能力以冷却塔出水温度与冷却塔进口空气湿球温度的差来衡量。工程上，将冷却塔回水温度与冷却塔进口空气的湿球温度之差称为逼近度，逼近度越小，冷却塔的冷却效率越高。在最优情况下，逼近度为0 ℃。冷却塔的冷却效率φ定义为冷却水进出水温差与逼近度和冷却水进出水温差之和的比值［10，11］，冷却效率最大为100%。

式中 φ——冷却效率

β——逼近度，℃

Δt——冷却温差，℃

4 试验数据和分析

4.1 进风位置对冷却塔冷却效率的影响

工况一：改变进风位置，保持干球温度36 ℃、相对湿度60%，气水比2.1，循环水进水流量1.8 m3/h、入口处压力 0.11 MPa、进水温度 48 ℃不变。

冷却塔冷却效率与进风位置之间的关系如图2所示，从图中可以看出：上喷式无填料冷却塔下进风时冷却塔效率维持在43.8%～45.0%之间，上进风时冷却塔冷却效率在49.3%～50.7%之间，上喷式冷却塔进风位置在顶部时冷却效率要高于进风位置在底部的冷却效率6%。下喷式无填料冷却塔，下进风冷却塔效率维持在64.8%～66.7%之间，上进风冷却塔效率则在 56.0%～57.5% 之间，下进风冷却塔效率高于上进风无填料冷却塔9%。这是因为上喷式冷却塔水滴在最高处速度最小，停留时间最长，下进风时空气由冷却塔底部进入热交换区域，到达水滴最高处时，空气的干湿球温度升高，与冷却水之间的温差降低，而上进风时空气由冷却塔顶部进入热交换区域，到达水滴最高处时，水与空气温差较大，换热效率提高。下喷式无填料冷却塔，下进风时空气与水滴相对速度高于上进风，且下喷式下进风冷却塔由于水滴受到向上力的作用，冷却水停留时间延长，冷却效率高于上进风状态。此外，下喷式冷却塔效率明显高于上喷式冷却塔，这是因为上喷式冷却塔喷头喷出的循环水由于碰撞等原因没有达到预定高度而下落造成的。

图2 冷却塔冷却效率与进风位置的变化

4.2 气水比对冷却塔冷却效率的影响

工况二：改变气水比，保持干球温度36 ℃、相对湿度60%，循环水进水流量1.8、入口处压力0.11 MPa、进水温度 48 ℃不变。

冷却塔的冷却效率随气水比的变化如图3所示，从图中可以看出：气水比增大，冷却塔的效率提高。当气水比增加至1.8后，继续提高气水比，冷却塔冷却效率虽继续升高但增长速度明显减慢。这是因为气水比升高，可以保证高温循环水与温度较低的空气充分接触，提高冷却效率。但气水比达到1.8后，继续提高气水比，冷却塔截面风速提高，空气来不及与冷却水充分换热直接排出，冷却效率虽然增加，但增速较慢。在满足换热的前提下，可降低风机转速以减少能耗。

图3 冷却塔冷却效率随气水比的变化

4.3 室外空气干球温度对冷却塔冷却效率的影响

工况三：改变室外空气干球温度，保持相对湿度 60%，气水比 2.1，循环水进水流量 1.8 m3/h、入口处压力 0.11 MPa、进水温度 48 ℃不变。

无填料冷却塔冷却效率随干球温度的变化如图4所示。

图4 冷却塔冷却效率随干球温度的关系

从图中可以看出：干球温度升高，冷却塔冷却效率下降。干球温度由32 ℃升高到38 ℃，上喷式下进风无填料冷却塔冷却效率由54.3%下降至42.3%，下喷式下进风冷却塔冷却效率由67.9%下降至58.8%，冷却效率随干球温度的升高下降明显。上进风冷却塔冷却效率虽然下降，但下降效果不明显。这是因为干球温度升高，冷却水与空气温差降低，传热效果降低，导致冷却塔冷却效率降低。

4.4 循环水进水温度对冷却塔冷却效率的影响

工况四：改变循环水进水温度，保持空气干球温度36 ℃，相对湿度60%，循环水进水流量为1.8 m3/h、入口处压力 0.11 MPa、气水比 2.1 不变。

冷却塔的冷却效率随进水温度的变化如图5所示，从图中可以看出：随着进水温度的升高，4种冷却塔的冷却效率均得到不同程度的提高。进水温度由45 ℃升至54 ℃时，上喷式冷却塔的冷却效率平均提高了39.8%，下喷式冷却塔的冷却效率平均提高了24.2%，进水温度的升高对上喷式冷却塔冷却效率的影响明显大于下喷式冷却塔。这是因为进水温度升高，循环水与空气之间温差增大，传热传质效果明显。对于上喷式冷却塔，循环水与空气进行热质交换分为上升和下降两个阶段，循环水与空气换热时间长，换热效果更加明显。

图5 冷却塔冷却效率系数随进水温度的变化

5 结论

（1）进风位置对冷却塔的冷却效率会产生明显影响。上喷式无填料冷却塔上进风时冷却塔的冷却效率高于下进风6%；而下喷式无填料冷却塔上进风时冷却塔的冷却效率低于下进风9%。

（2）气水比在1.8以下时，冷却塔的冷却效率随着气水比的提高而升高，但气水比大于1.8后，提高气水比不能显著提高冷却塔的冷却效率。可以根据冷却塔类型改变风机风量，以减少能耗。

（3）干球温度升高冷却塔冷却效率降低，且干球温度对于上喷式下进风无填料冷却塔和下喷式下进风无填料冷却塔效率的影响更为显著。

（4）进水温度升高无填料冷却塔的冷却效率均得到提高，但上喷式冷却塔冷却效率的提高明显高于下喷式冷却塔。

（5）由于本次试验所用的无填料冷却塔横截面积相对较小，高度较低，因此本次试验得到的结论只适用于小型无填料冷却塔，是否适用于大型无填料冷却塔还有待进一步研究。

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