逆流湿式冷却塔内不锈钢填料热力性能的试验研究

李慧珍，孔庆杰2，谢德强

(1.河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022；2.江苏理工学院 机械工程学院，江苏 常州 213001)

随着国家工业化水平的不断发展，水作为冷却介质被大量用于工业生产，据统计，在城市及工业用水当中，冷却水量就占了其总用水量的70%～80%左右[1]，由于我国水资源的短缺，所以循环利用水资源不失为一个很好的解决方法，而冷却塔是能够达到这种效果的普遍被采用的冷却设备之一[2]。被冷却介质由冷却水泵加压输送至冷却塔的分配管中，然后经喷嘴喷淋到填料上，与此同时，环境空气由于塔的抽吸作用从塔底四周吸入，横穿填料层与被冷却介质进行充分的热质交换。冷却塔效率的高低与填料的传热传质性能密切相关。因此深入了解逆流湿式冷却塔内填料的传热传质性能，有着重要的现实意义。Gharagheizi等[3]对机械通风冷却塔中垂直波纹填料(VCP)和水平波纹填料(HCP)进行了实验对比，认为气水比、填料类型和布置方式影响塔的换热性能。Milosavljevic等[4]详细分析了不同填料结构对冷却塔性能的影响，并通过模型塔的实验，给出了不同结构形状PVC填料热力特性的经验公式。Goshayshi等[5-6]通过对填料不同波纹形状、材质及排列方式下冷却塔性能的实验研究，发现增大填料的斜度和肋的斜度都能引起传质系数的降低，填料垂直排列冷却效果更好。胡三季等人[7]通过对常用PVC填料进行实验，总结出不同类型和不同高度的填料的热力特性和阻力特性的关系式。吕珍余[8]对表面冲有网孔的孔板波纹填料和人字波纹填料热源塔进行了热质传递性能的研究，得到了表面冲孔的孔板波纹填料的换热量大于人字波纹填料。刘珊[9]对填料孔径进行了研究，发现孔径减小，冷却效率明显提高。由世俊等人[10]对金属填料在空气冷却器及其在化工生产中的应用进行了理论和实验研究，结果表明：金属填料是一种性能良好的空气热湿处理材料。文献[11-12]均研究了金属填料对冷却塔传热传质的影响。当前对冷却塔填料的研究主要集中与PVC填料，对金属填料的研究较少，本文从不锈钢填料在冷却塔内的热质交换进行研究，为不锈钢填料的工程化设计和应用提供了参考。

不锈钢填料具有比表面积大、耐腐蚀、使用寿命长、导热性能好以及综合性能高等优点。波纹板上的孔洞不仅可以降低通风阻力，而且还可以使填料表面的冷却水分布更均匀[13]，提高填料的润湿性。本文对逆流湿式冷却塔内S波、人字波和V波不锈钢填料与S波PVC填料的热力性能进行了实验研究，分析了S波不锈钢填料冷却塔进出水温差、冷却塔冷却效率以及总换热量随淋水密度的变化规律。

1 实验材料与装置

1.1 填料材料与结构

实验采用的填料波纹板均是利用冲孔及压制波纹的方式制作而成，再结合成熟的规整填料外形，采用焊接工艺将波峰和波谷斜交错粘结，制作了本文研究的不锈钢填料。不锈钢填料波纹板由V字型斜波组成，斜波边长为250 mm，波峰与波谷间距42 mm，波纹倾角60°，贯通孔为250 mm×250 mm的规则菱形孔，为延长热质交换时间和减小风阻，不锈钢填料表面均匀布置有直径为2 mm的孔洞和斜纹滞留槽，如图1所示。S波不锈钢填料板面为S波型流道，人字波不锈钢填料板面为人字波型流道，V波不锈钢填料板面为V波型流道。

1.2 实验装置及测试过程

本研究建立的机械通风式逆流湿式冷却塔实验台装置(MCWCT)，如图2所示。塔体外部结构尺寸为620 mm×620 mm×2 000 mm，塔内不锈钢填料尺寸为600 mm×600 mm×700 mm。冷却塔内采用管式压力配水，水分配器为5根DN50钢管等间距排列组成，每根钢管底部等间距开孔并装有喷嘴，开孔直径为7 mm。冷却水流量采用XELZ-250LZ金属转子流量计测量。冷却塔进出口空气的干湿球温度和含湿量采用DT-8896温度仪测量，测量结果取多个测点的平均值。冷却塔进出水温度采用TT-K24型铜-康铜热电偶测量，测点布置在冷却塔进口和冷却塔出口处，采用多个测点，测量结果取平均值。本实验采用等面布点法，利用AS8166热线风速仪测量冷却塔出风直管段端面的各测点风速，取各测点风速的算术平均值作为出口平均风速vm，各实验测试仪器参数见表1。通过冷却塔填料块的空气质量流量ma由以下方程得出

ma=3 600×vm×S×ρa

(1)

式中S——冷却塔断面面积;

ρa——空气密度。

表1 实验主要测试仪器型号规格

为保证本实验的直观性和可比较性，实验过程中尽量保证冷却塔进出口空气的干湿球温度稳定不变，取干球温度为31.6℃，湿球温度为27.8℃。实验过程中以进塔水温和淋水密度为自变量，进塔水温取值为34～40℃，填料的淋水密度取值为6.0～9 m3/(m2·h)。

2 冷却塔内传热传质特性

2.1 冷却塔进出水温差

冷却塔进出水温差是指冷却塔进塔水温和冷却塔出塔水温的差值，一般其值越大表明冷却效果越好

ΔT=Tw,i-Tw,o

(2)

式中Tw,i——冷却塔进塔水温/℃；

Tw,o——冷却塔出塔水温/℃。

2.2 冷却效率

冷却效率作为评价冷却塔性能的一个重要指标，逆流湿式冷却塔的冷却效率按以下公式计算

(3)

式中e——冷却效率；

Twb,i——空气进口湿球温度/℃。

2.3 总换热量

对于逆流湿式冷却塔的总换热量H按以下公式计算

H=Cw,iQwTw,i-Cw,o(Qw-Qv)Tw,o

=Qw(Cw,iTw,i-CwoTwo)+QvTw,oCw,o

(4)

式中Qw——喷淋水质量流量/m3·h-1；

Qv——水蒸发率/m3·h-1；

Cw,i——进塔水的比热容/kJ·kg-1·℃-1；

Cw,o——出塔水的比热容/kJ·kg-1·℃-1；

mda——经过填料单位面积上的干空气质量流量/m3·(m2·h)-1；

Cpw——水的比热容/kJ·kg-1·℃-1；

λ——气水比；

k——蒸发水量热量系数。

3 实验结果与分析

随着冷却塔进口平均风速的增加，冷却塔冷却效率也变大，但在风量过大的情况下会使得空气和水之间接触时间减小，换热量减小，导致冷却塔的冷却效率降低，甚至会出现空气带水飞出填料的情况，因此冷却塔进口平均风速不应太大，本实验中取值为1.8 m/s。因为淋水密度超过一定值后，水膜会形成雨滴下落，使得气、水之间冷却时间和冷却面积减少，所以本实验淋水密度取值为6.5 m3/(m2·h)。

3.1 S波、人字波和V波不锈钢填料与S波PVC填料冷却塔进出水温差的比较

由图3可知，在实验工况范围内，不锈钢填料和PVC填料冷却塔进出水温差随进塔水温的升高而增大。因为当仅改变进塔水温，而空气参数和淋水密度没有改变时，这就使进入薄膜填料的总热量增大，进塔水温的升高增强了空气与水之间的显热交换，使空气焓值增加，提高了水的蒸发率，从而冷却塔进出水温差不断增大。从图中可以看出，S波不锈钢冷却塔进出水温差>人字波不锈钢冷却塔进出水温差>V波不锈钢冷却塔进出水温差>S波PVC冷却塔进出水温差，导致这种变化趋势的原因可归结为不锈钢填料的金属导热特性增强了气、水之间的热质传递。进塔水温在34.5℃之前，V波不锈钢冷却塔进出水温差小于S波PVC冷却塔进出水温差，在进塔水温到达34.5之后，V波不锈钢冷却塔进出水温差大于S波PVC冷却塔进出水温差，这是由于不锈钢填料的金属导热特性引起的温度变化大于波形面积引起的温度变化。

3.2 S波、人字波和V波不锈钢填料与S波PVC填料冷却塔冷却效率的比较

由图4可知，不锈钢填料和PVC填料冷却塔冷却效率随进塔水温的升高先增大后减小，从冷却效率计算式(3)看到，冷却塔进出水温差越大，冷却塔进塔水温与进口空气湿球温度的差值越小，则冷却塔冷却效率越高，由前面对冷却塔进出水温差变化规律的分析可知，冷却塔进出水温差随进塔水温的升高呈现先陡峭后平缓增加的趋势，而进塔水温与冷却塔进口空气湿球温度的差值也越来越大，故冷却塔冷却效率先增大后减小，在38～39℃之间，不锈钢填料和PVC填料冷却塔的冷却效率达到最大。

3.3 S波、人字波和V波不锈钢填料与S波PVC填料冷却塔总换热量的比较

由图5可知，不锈钢填料和PVC填料冷却塔总换热量随进塔水温的升高而增大，不锈钢填料冷却塔总换热量由空气与冷却水的直接传热量和蒸发散热量以及金属的导热量组成，而PVC填料因为是塑料件，不存在金属导热，故在同一温度下，不锈钢填料冷却塔总换热量大于PVC填料总换热量。同时由冷却塔总换热量的公式(4)也可以看出，影响总换热量的因素是冷却塔进出水温差。从传热传质的角度来说，水蒸发的扩散速率随进塔水温升高而增大，使得水和空气的传热传质更加剧烈，总换热量增大。

3.4 S波不锈钢填料冷却塔进出水温差随淋水密度的变化

由图6可知，在进塔水温和冷却塔进口平均风速一定的情况下，S波不锈钢填料冷却塔进出水温差随淋水密度的增大而减小。根据直接蒸发冷却过程分析可知，随着淋水密度的增加，填料表面的水膜不断变厚，而只有与空气接触的水膜表面才能进行有效散热，故水膜越厚，散热越不充分；同时水膜变厚后容易呈水柱状滑落，气、水之间接触面积和冷却时间均减小，导致冷却塔出水温度升高，冷却塔进出水温差变小。同一淋水密度下，冷却塔进出水温差随进塔水温的升高而增大。这是因为水温升高，饱和蒸气压值也随之升高，水的蒸发率提高，气水间的热量传递更加剧烈，出塔水温降低，所以冷却塔进出水温差升高。

3.5 S波不锈钢填料冷却塔冷却效率随淋水密度的变化

由图7可知，在进塔水温和冷却塔进口平均风速一定的情况下，S波不锈钢填料冷却塔的冷却效率随着淋水密度的增大而减小。因为冷却塔进塔水温与进塔空气湿球温度一定时，出塔水温越低，则冷却塔的冷却效率越高，即对于同一进塔条件下，冷却塔进出水温差越大，效率越高，由冷却塔进出水温差变化规律可知，冷却塔进出水温差随淋水密度的增大而减小，故冷却塔冷却效率也随之减小。同时可以看出，冷却塔进口平均风速一定时，冷却塔冷却效率随进塔水温的升高而增大。因为进塔水温升高，饱和蒸气压值也随之升高，提高了水的蒸发率，出塔水温降低，进出口水温差值增大，冷却效率升高。

3.6 S波不锈钢填料冷却塔总换热量随淋水密度的变化

由图8可知，当进塔水温和冷却塔进口平均风速一定时，S波不锈钢填料冷却塔的总换热量随填料淋水密度的增大而减小。因为影响总换热量的主要因素是冷却塔进出水温差和气水比，当冷却塔进口平均风速一定时，随着淋水密度的增加，气水比和冷却塔进出水温差均减小，同时当淋水密度超过一定值后，流经填料贯通孔表面的水膜过厚，部分水量直接落至集水箱，冷却时间和冷却面积均减少，二者综合影响导致了总换热量逐步减小。此外，在同一淋水密度下，冷却塔总换热量随进塔水温的升高而增大，因为水温升高，饱和蒸气压值也随之升高，水的蒸发率提高，气、水间的热量传递更加剧烈，所以总换热量增大。

4 结论

本文在较宽的操作工况范围内对比研究了逆流湿式冷却塔内S波、人字波和V波不锈钢填料及S波PVC填料的热力性能随进塔水温的变化规律，同时研究了S波不锈钢填料的热力性能随淋水密度的变化规律，得到了以下结论：

(1)S波、人字波和V波不锈钢填料及S波PVC填料冷却塔进出水温差和总换热量随进塔水温的增大而增大，而S波、人字波和V波不锈钢填料及S波PVC填料冷却塔的冷却效率随进塔水温的增加先增大后减小，且进塔温度在37.5～38.5℃时，冷却塔的冷却效率达到最大。

(2)进塔水温在35.5℃之前，S波、人字波和V波不锈钢填料及S波PVC填料的热力性能相差不大，随着进塔水温的增大，由于不锈钢填料的金属导热特性，S波、人字波和V波不锈钢填料及S波PVC填料的热力性能相差越来越大，不锈钢填料的热力性能明显优于常用PVC填料。

(3)在冷却塔进塔水温和进口平均风速一定时，S波不锈钢填料冷却塔进出水温差，冷却塔的冷却效率和总换热量均随淋水密度的增大而较小，在同一淋水密度下，S波不锈钢填料冷却塔进出水温差，冷却塔的冷却效率和总换热量随进塔水温的升高而增大。