横流式冷却塔的研究现状及其应用中的关键问题

夏 莉 杨卫波,2



横流式冷却塔的研究现状及其应用中的关键问题

夏 莉1杨卫波1,2

（1.扬州大学水利与能源动力工程学院 扬州 225127；2.无锡海洋冷却设备仪征有限公司 扬州 211408）

冷却塔作为一种散热设备，可以将多余的热量排放至大气中，是空调系统不可缺少的一部分。横流式冷却塔是冷却塔的一种形式，因为其节水、空气阻力小等优势而受到关注。简述了横流式冷却塔的原理及特点，重点分析了横流塔的国内外发展现状以及其应用中的关键问题，并且提出了改进措施。

横流式冷却塔；国内外发展现状；关键问题

0 引言

随着城市化进程的加快以及人们生活水平的提高，能源的需求量逐年上升。作为建筑能耗大户的空调能耗已达建筑总能耗的60%[1]。冷却塔作为空调系统中一个重要的组成部分，对其换热效率高低的研究往往会被忽略，从而给空调系统运行效果的评价带来影响。同时，冷却塔作为空调系统的冷凝换热设备，尽管其能耗在空调系统总能耗中仅占2%左右[2]，但其冷却水消耗量是很大的。据统计，一座1000 MW的大型火电厂耗水量相当于一个中等城市的用水量，而一台20万千瓦的机组附属设备的冷却水用量为968～1290 m3/h[3]。因此，为了进一步降低能耗，同时提高水的利用率，对冷却塔的研究是很有必要的。

按照塔内水气的流动方式，通常将冷却塔分为逆流塔和横流塔。逆流塔的空气从下而上流动，水则由上而下，两者逆向流动。该类型塔的冷却效率相对较高，但是通风阻力偏大。而横流塔的空气水平流动，水流从上而下，两者流向正交。此类型的塔虽然冷却效率欠佳，可塔体内的大空间有利于空气、水等介质的充分热质交换，并且通风阻力小。目前对逆流塔的研究比较成熟，而横流塔近几年才受到关注，因此，如何充分利用该塔的结构来提高其冷却效率值得我们去探究。

1 横流式冷却塔的工作原理及特点

1.1 工作原理

横流式冷却塔按照空气与工艺流体是否直接接触可以分为开式横流塔和闭式横流塔。图1（a）给出了闭式横流塔结构示意图，其由风机、挡水板、布水器、填料、集水槽等组成，具体可分为水系统和风系统两部分，其中水系统包括内循环和外循环水系统。内循环水系统中冷却水在盘管内流动与盘管外的喷淋水以及空气进行热湿交换，从而实现冷却水降温的目的。外循环水系统通过喷淋水泵将水由塔上部的喷淋装置喷洒流过换热盘管，与管内流体进行热交换后落入塔体下部的集水槽，然后由水泵送回塔上部的喷淋装置再次循环。风（空气）系统中空气从冷却塔侧面的进风口进入塔内，横向流过换热盘管，与喷淋水及换热盘管内流体在塔体内进行热湿交换，带走它们的余热、余湿，然后通过挡水板，经塔上部的风机排出塔体[4-6]。开式横流塔如图1（b）所示，换热盘管用填料替代，冷却水不是在盘管内流动，而是通过塔上部的布水器均匀喷洒到填料上，与空气进行直接接触换热，冷却后的流体落入集水槽。开式横流塔因为冷却水与空气直接热湿交换，所以冷却效果好于闭式塔，但是由于冷却水完全暴露，水质得不到保障，可能会对冷却设备产生腐蚀等。

图1 开式与闭式横流塔结构图

1.2 特点[6,7]

（1）由于采用横流式的冷却方式，空气与喷淋水流动方向正交，相比于逆流式的空气流动对喷淋水的带动力较小，因此可以降低喷淋水的漂水率；

（2）横流式冷却塔因为风从侧面进入塔体，横向流过盘管使得空气的阻力降低，与传统的逆流塔相比可以减少盘管的使用量；

（3）横流式冷却塔因为要提供足够的空间给空气和盘管、填料、喷淋水进行热湿交换，所以塔内部空间较大，便于维修；

（4）横流式冷却塔内空气与流体流动方向正交，换热效果比两者逆向流动差，且在横向风的作用下，流体会偏向塔内部；

（5）横流式冷却塔从侧面可清楚看到填料，时间长会因为风沙、太阳曝晒等原因使填料损坏；

（6）横流式冷却塔因空气流向的限制，只能从单或两面进风，逆流塔则可以四面进风。

2 横流式冷却塔的国内外研究现状

2.1 国外研究现状

早在1999年M D Su利用有限体积法FVM，NSTR软件模拟横流风下冷却塔内及周围流体的流动和温度分布，解释了横流风下干冷塔热动力性能下降的主要原因，横流风下塔周的气流类似一个圆柱体，使得散热器侧面切向速度很大并且压力低，因此没有空气通过散热器带走热量[6]。2006年Z Zhai通过风洞试验和CFD模拟两种方法针对侧风在自然通风情况下对干式冷却塔冷却效率的影响进行研究并优化。研究表明，冷却塔侧边的气流会阻碍冷空气进入塔体从而影响冷却效率，而在塔体侧面布置防风墙，通过迫使空气流入塔体可以极大的恢复冷却效率[7]。S P Fisenko模拟了一个横流式冷却塔的运行，该模型包括一个冷却塔的空气动力学和蒸发冷却速率之间的正反馈。结果显示影响横流塔热效率的主要参数是平均液滴半径，尤其是在风量较低时，也计算了最终液滴温度的变化范围，同时研究发现冷却塔的热效率不取决于塔周围空气的湿度[8]。Minsung Kim通过模拟横流式空冷板式换热器的运行，比较了双波纹管和单波纹管板式换热器的传热性能。得出的结论为双波纹管板式换热器的热传递性能比单波纹管高50%，但是同时双波纹管需消耗额外30%的压降[9]。P J Grobbelaar用CFD模拟了自然通风下填料的各向异性，用来研究横逆流结构下填料的阻力，发现填料的配置对填料性能有很大的影响。并且通过搭建试验台研究了水气比在不同结构下的适用性，结果发现当Gw/Ga较大时横流式结构较适合，相反则适合逆流式[10]。Joao C Pozzobon为了研究一个新型的水回收系统在横流式冷却塔中的应用特性，搭建了一个小型的实验台。通过实验得出通过添加非结构化的多孔介质作为表面增强剂可以强化换热，同时带翅的铜管加上多孔材料可以使回收率高达10～11%[11]。

2.2 国内研究现状

王威等人通过搭建自然通风横流和逆流湿式冷却塔，对比两塔的性能，阐述横流塔发展受限是由于冷却效率比逆流式差，需要的填料体积大，但它通气阻力较小，提出使用散热性能较高的薄膜型淋水填料可解决部分横流塔的问题[5]。颜健对横流闭式冷却塔进行实验研究，通过实验得到影响塔性能的几个主要因素，并分析这些参数对冷却塔性能的影响规律。实验得出喷淋水量、工艺流体的流速以及空气流速过大或过小都会降低冷却塔的性能[12]。方明霞等人以横流式冷却塔综合性能最优为目标，结合横流式冷却塔的热力计算特性，对其热力性能进行优化设计，并以此为计算依据，编制了横流塔优化计算软件[13]。何瑞贤简单的从几个方面分别阐述了逆流式和横流式两种冷却塔的优缺点，并且进行了比较，得到了逆流塔的优点明显多于横流式的[14]。Changhong Zhan利用数值研究的方法比较了逆流和横流间接蒸发换热器的冷却特性，通过湿球效率和EER值来判断两种形式冷却性能的优劣。结果显示两种结构冷却能力的不同取决于热交换器结构、进口空气状态和质量流速[15]。Xiantai Wen对一种横流式的热源塔进行研究，通过实验模拟分析了空气流速、温度和流体速度、温度四个运行参数对热传递系数的影响。研究表明空气流速和流体速度对热传递系数有较大的影响，其他两个影响较小[16]。刘磊通过搭建实验平台来研究开发冷却塔测试系统，研究表明大气参数的变化对冷却塔负荷率的影响不明显，然而气水比的变化对于冷却塔冷却能力的影响较大，同时得到了经济运行的最佳气水比为0.55[17]。Jing-Jing Jiang对横流闭式冷却塔进行了数值分析，发现横流CWCT内部的热质传递驱动力是均匀的并且横流CWCT的性能比逆流模式的好。通过搭建小的横流CWCT单元，来研究各参数对热质传递系数和冷却效率的影响，结果表明工艺流体温度，空气、喷淋水和工艺流体流动速率的影响较大[18]。李宁瑾提出横流闭式冷却塔的基本微分方程及其差分解法与分段积分解法，并通过设计计算实例对影响横流闭式冷却塔冷却能力的诸因素进行分析，同时对横、逆流闭式冷却塔进行比较。研究表明双层结构适用于逆流塔，多层结构适合横流塔[19]。通过实例计算验证了这种计算模型与方法具有较高的计算精度，适用于各种设计计算与试验资料整理的实际应用[20]。王亮等人根据Merkel的冷却塔传热传质理论，推导出适应于横流式冷却塔的传热模型，通过理论模型正交试验和实测数据因子相关性分析，研究了横流式冷却塔传热性能的影响因素。对横流塔传热性能的影响程度最大的是冷却塔进水温度，其次是室外湿球温度[21]。Shifang Huang编制了以PVC为填料的横流热源塔程序，用乙二醇作为循环流体，通过热质传递能力和热效率来判断热源塔的性能。得出了热质传递系数受空气参数的影响较大；并且增加气体流动通量、降低溶液流动通量是提高热效率最有效的方 法[22]。

3 应用中的关键问题

尽管前人对横流式冷却塔进行了一定的研究，但由于其结构的特殊性与换热过程的复杂性，仍有很多影响其冷却换热效率的关键问题有待解决，具体包括塔体结构参数与运行参数对其冷却效率的影响。

3.1 结构参数

（1）换热盘管类型

干工况下使用带翅盘管可以增加管外空气与管内流体的换热面积，也促进了换热流体的湍流，因此强化了空气与流体之间的换热效率，传热系数比光管高[3]。目前工程上用的较多的类型是翅片管（如图2所示），但此类管子所需空间面积大，同时翅片造成的空气阻力也大。相比较波纹管（如图3所示）所占面积小，阻力也小，但初投资成本较高。在湿工况下翅片管对喷淋水与管内流体的换热影响较小，相反翅片会阻碍两流体间的换热，并且增加了成本，所以在湿工况下光管更合适。

图2 翅片管

图3 波纹管

（2）盘管基管形状与管材

圆型是目前常用的管型，加工方便、成本低。当流速较低时圆管中心流体几乎无流动状态，使传热系数偏低。椭圆管的传热面积比相同湿周的圆管大80%，管内流速可提高至50%以上，紧凑性高，在相同容积内可布置更多管束[24]。扭曲管型（如图4所示）可使管外水膜的湍流程度增加，水膜在管外表面的滑移和更新速度更快，造成水膜厚度的减小和传热系数的增加，相对于圆管增加约36～61%[25,26]。盘管采用金属管材具有较大的导热系数，有利于导热，但考虑到铜、铝等导热系数较大的金属都是贵金属，使用此类型的管材会导致设备投入成本过大，所以考虑到成本以及盘管强度可以选用钢管作为盘管基管材料[1]。

图4 扭曲管

（3）填料

当无填料时，闭式冷却塔将管内水的热量全都传给空气，填料作为表面增强剂可以强化换热，使得喷淋水在填料表面形成一层水膜，强化了空气与喷淋水之间的换热，因此填料的使用可以节省盘管，从而降低造价。但是填料也不是越多越好，如果盘管使用太少会使得冷却水的流速过大，导致冷却水泵能耗的增加[27]。此外多孔介质的使用还能够提高喷淋水的回收效率[28]。填料布置方式如图5所示。

图5 填料布置方式

（4）盘管布置方式

顺排布置（见图6）时冷却水流速较大，因为管内对流换热系数比叉排大，但是顺排时流道相对平直，在流速较低时会在管尾部形成滞流区，从而影响换热。叉排布置（见图7）时，流体在弯曲通道中流动，增强了流体的扰动性，并且叉排布置为两程。经研究叉排布置时的冷却水出水温度比顺排低，具有更高的冷却效率。所以盘管一般采用正三角形叉排布置[5]。

图6 顺排布置

图7 正三角形叉排布置

（5）喷水方式

目前普遍采用的喷淋方式有喷嘴式和淋水盘式。喷嘴式（见图8）是在塔顶部按合适的间距布置喷淋管，然后在管子下部装设喷嘴，喷淋水在水压的作用下从喷嘴向四周撒开，形成细小的水滴下落，该形式的喷淋方式水滴细小，比表面积较大，且水滴均匀洒落。淋水盘式（见图9）是将喷淋水送到塔顶部的淋水盘，喷淋水靠自身的重力和水滴间的作用力，从淋水孔自由下落，该类型的喷淋方式减少了水泵的压力，喷淋水靠自身下落，也导致水滴的直径较大，塔内水滴分布不均匀等问题。

图8 喷嘴式

图9 淋水盘

（6）挡水板（吸水器）

如图10所示，挡水板可以将排出的饱和湿空气中携带的细小水滴与空气分离，减少喷淋水的损失，降低漂水率，从而节约喷淋水的用量。同时排出的空气中夹带的水滴时间久了也会对风机造成腐蚀、生锈等影响，因此挡水板的使用也保证了风机的使用寿命。但不同的挡水板形式，其挡水效果不同、阻力也不一样。所以，寻求一种挡水效果好、低阻力的挡水板形式对于提高冷却换热效率具有重要意义。

图10 挡水板

3.2 运行参数

（1）喷淋水量

冷却塔的性能随着喷淋水量的增加而提高，当喷淋水量超过一定值后性能又逐渐下降。因为喷淋水量过少时，布水效果差使得盘管局部出现干斑，导致腐蚀盘管；然后随着喷淋水量的增加，在盘管的外壁逐渐形成均匀且完整的水膜，有利于冷却水的散热；可是随着喷淋水量进一步的增加水膜厚度增加，较厚的液膜对蒸发式冷凝器外管的传热产生抑制作用，并且还会增加空气流动的阻力，使得冷却性能下降，因此，喷淋水量过多过少都会降低冷却塔的性能[29]，研究表明喷淋水密度为100 kg/(m·h)左右为宜[30]。

（2）盘管内流体速度

盘管内流体速度在一定范围内增加有利于提高对流换热系数，而管内速度有个最优值，当超过这个速度时，冷却塔性能增加的较少。盘管内流速较小时，在盘管内上部可能形成空气流，严重影响冷却水与管外介质的热质交换；当盘管内流速较大时，由于流速过快，管外介质没有充足的时间与冷却水换热，并且会增加循环水泵的能耗[6]。从换热和能耗两部分考虑，管内冷却水的技术经济流速为1.5～2.5 m/s[31]。

（3）塔内空气流速

塔内空气流速过小，在干区没有足够的空气与喷淋水进行热、湿交换，使得空气带走的热量有限，从而降低对流换热系数；当塔内空气流速过大时在湿区会产生严重的飘水现象，影响冷却塔的性能，对于翅片管气流速度过大会使得在翅片区产生涡流影响换热。并且风速过大还会增加风机的能耗，噪声也会增加，已有文献表明，塔内空气流速为2.5 m/s时冷却塔的整体性能较 好[14]。

（4）入口空气湿球温度

随着入口空气湿球温度的升高，冷却塔的冷却效率降低，湿球温度越高，空气达到饱和时所能容纳的蒸发水汽越多，即含湿量越大，空气能带走的热量越多；相反随着入口空气湿球温度的降低，空气所能承载的水汽和带走的热量较少[6]，冷却效率降低。

（5）气水比

气水比过大，既可能是空气量过大，也可能是喷淋水量过小。当空气量过大，不仅会导致风机能耗增大，而且风速过大可能会使得小水滴被带出塔体，影响风机的性能；当喷淋水量过小，没用充足的水量与空气完全接触进行换热，使得冷却塔热湿交换效率降低。气水比过小，可能是空气量过小，也可能是喷淋水量过大。当空气量过小，导致没有足够的空气与喷淋水进行热湿交换，使得冷却塔冷却效率下降；当喷淋水量过大，过多的喷淋水会使得光管表面的液膜过厚，增加传热的阻力，降低了冷却水向外的传热能力，同时喷淋水量的增加会导致水泵能耗增大。同时横流的进水流量的分布均匀程度对传热性能也有重要的影响，应保证冷却塔进水流量的分布均匀，更有效的利用冷却塔传热面积，提高冷却塔传热性能[26]。

4 改进措施

考虑到室外气温的季节性变化及冷却散热负荷的动态改变，为了在提高冷却散热效率的同时进一步降低运行能耗、减少喷淋水量，应对冷却塔进行相应的灵活调节。通常夏季室外的空气温度较高，可以依靠干湿联合的模式，借助较大的喷淋水量和空气量与冷却水进行热湿交换来带走余热；在过渡季节室外空气温度相对温和，少量的喷淋水和空气就能满足冷却量；冬季室外空气温度低，干式换热模式即能满足冷却水的换热要求。因此根据室外温度，适当的调节喷淋水量、进风量、换热模式以及换热盘管数，来控制冷却量，可以提高冷却塔的效率，同时也节约了能源。具体可以采用以下改进措施：

（1）采用多风机或者变频风机：为了满足季节性调节的要求，室外温度越低则冷却塔的冷却量越小，所需要的换热空气量也会降低，此时可以通过控制风机的开启台数或者改变风机的频率来减小塔的进风量，这样既满足了塔的换热量又降低了风机的能耗。

（2）采用翅片管加光管结合：在干冷的情况下翅片管的换热效果比光管好，所以在布置换热盘管时可以选择翅片管+光管，充分利用空气来散热，提高散热效果，也可以减少盘管的使用量，从而降低成本。

（3）喷淋系统采用变频水泵：湿工况比干工况的冷却效果好，当室外温度很高时对喷淋水的需求也大，而当室温降低则喷淋水的需求量也减少，因此可以考虑在光管和带翅管上部分别布置喷淋装置，根据冷却量的需求通过变频水泵控制喷淋装置的开启排数和喷淋水量。这样即合理的利用了喷淋水量，也降低了水泵的能耗。

（4）进风口采用可调风口：在横流塔的翅片管、光管、填料侧面分别单独设设置进风口，当为干工况时可关闭填料侧的风口，如果冷却量足够也可选择关闭光管侧的风口，这样大大的减小了风阻降低了风机的能耗，并且也保护了填料的寿命。湿工况下填料可以强化换热效果，可选择三个风口全开。

5 结语

横流式冷却塔作为空调系统重要的一部分，通过合理的结构优化和调控策略，可以充分发挥其散热能力，降低其运行能耗和水量损耗。通过研究横流塔的结构和运行参数，获得塔内各流体的经济流速以及塔的最佳结构，从而可提高塔的冷却效率，降低初投资。针对横流塔跨季节使用时冷却量相差较大，在满足不同冷却量的情况下合理调节空气流量、喷水量及水泵与风机的开启台数，从而实现合理利用能源，提高塔的经济、能源比。

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Research Status of Crossflow Cooling Tower and the Key Problems in its Application

Xia Li1Yang Weibo1,2

( 1.School of Hydraulic & Energy Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou, 225127;2.Wuxi Ocean Cooling Equipment Yizheng Co., Ltd, Yangzhou, 211408 )

As a type of cooling device, cooling tower can discharge excess heat into the atmosphere, and thus is an indispensable part of the air conditioning system. Cross-flow cooling tower has been received more attention because of its water-saving, low air resistance and other advantages. The principle and characteristics of the cross-flow cooling tower are briefly described in this paper, the development status of cross-flow tower and the key problems in its application which affect the cooling efficiency were analyzed. Also some improvement measures are put forward.

cross-flow cooling tower; domestic and foreign development status; key problems

1671-6612（2018）04-372-08

TB65

A

扬州市“绿扬金凤计划”项目资助（2016CX030），扬州市-扬州大学合作基金项目（YZ2016248）

夏 莉（1993-），女，在读硕士研究生，E-mail：xialiyzu@163.com

杨卫波（1975-），男，博士后，教授，E-mail：yangwb2004@163.com

2017-10-22