立式降膜闭式冷却塔热力性能试验研究

陈二雄，朱冬生，朱 冰，涂爱民，刘世杰，陈杭生

（1.中国科学院 广州能源研究所，广州 510640；2.广州高澜节能技术股份有限公司，广州 510663）

0 引言

蒸发冷却式作为一种高效的散热方式，不仅可以应用于空气处理的过程中，还可以应用于冷却其他高温的流体[1]。其中，闭式冷却塔作为间接蒸发冷却散热方式的一种常见设备，在空调、制药、化工、发电等各行业中大规模应用。而其中作为核心部件的蒸发式冷却器最为重要，其热力性能直接影响到闭式冷却塔的使用效果。间接蒸发冷却器的形式主要有板翅式、管式和热管式3种，目前常用的为板翅式和管式两种[2]。其中，盘管型蒸发冷却器使用最广，分为水平式和垂直式两种，管型又可分为圆管、椭圆管、扭曲管和波纹管等。

管式间接蒸发冷却器通常卧式布置，导致其占地面积较大，布置时受空间限制[3]。另外，在含尘浓度较高的场合，卧式布置的管式间接蒸发冷却器在使用一段时间后，容易发生换热管内壁结垢现象。

当前，国内对立管式（垂直式）蒸发式冷却器的研究较少，常健佩等[4]基于间接蒸发冷却器热质交换的能量方程，优化了立管式间接蒸发冷却器的计算模型，测试了立管式间接蒸发冷却器的冷却性能。樊丽娟等[5]设计了一台换热管采用多孔陶瓷材料且换热管立式布置的间接蒸发冷却器，并且以该间接蒸发冷却器为基础搭建了实验台，对该间接蒸发冷却器进行了性能测试，研究其温降和效率等性能。

为了进一步提高立管式间接蒸发冷却器的换热效率，降低闭式冷却塔的耗电和耗水，针对立管式间接蒸发冷却器的结构原理设计开发扭曲管式立式降膜闭式冷却塔，通过在变循环冷却水流量以及变风机频率、喷淋水流量工况下研究其温降和效率等性能。

1 立式降膜闭式冷却塔结构

闭式冷却塔是利用空气和喷淋水对间接蒸发冷却器内部循环冷却水进行冷却降温的设备。主要功能是对循环冷却水降温，满足设备的热负荷要求，因此循环冷却水的出水温度和流量要满足使用要求。

闭式冷却塔主要由间接蒸发冷却器、风机、喷淋水泵、填料、集水箱和喷淋系统等组成。间接蒸发冷却器作为闭式冷却塔的核心部件，其性能直接影响闭式冷却塔的使用效果。本研究课题所采用的间接蒸发冷却器为立管式结构，管型采用扭曲管，喷淋水膜沿着管壁向下螺旋流动，同时小部分空气从喷淋口侧进入，达到风水同向的效果，进一步强化喷淋水膜侧对流传热系数。

图1示出立管式间接蒸发冷却器结构。

图1 立管式间接蒸发冷却器结构Fig.1 The structural diagram of vertical tube indirect evaporative cooler

由图1可知，该换热器由若干管排组成，每个管排又是由若干根竖直布置的扭曲换热管通过弯头相互连通，最后通过集水管输送给用水设备。

2 立式降膜闭式冷却塔试验研究

2.1 试验系统组成

闭式冷却塔热力性能试验测试平台如图2所示，包括被测闭式冷却塔、热水箱、电加热控制系统、循环水泵、流量计、气液压差计、温度传感器和超声波流量计等。

图2 闭式冷却塔热力性能试验测试平台原理Fig.2 Schematic diagram of thermal performance test platform for closed cooling tower

闭式冷却塔循环冷却水进出口温度由温度传感器测量，循环冷却水经水泵驱动，流经闭式冷却塔蒸发式冷却器降温散热后，回流至热水箱中，被电加热器重新加热，其流量通过涡街流量计测量。蒸发式冷却器进出口压降通过气液压差计测量，通过阀门调节循环冷却水的流量，得到在不同流量下的压降数值。另外，喷淋水流量则通过装在喷淋水管上的超声波流量计进行测量。

2.2 试验工况

所有试验均在闭式冷却塔热力性能试验测试平台上进行，环境干湿球温度通过温湿度计测量，试验工况见表1。

表1 闭式冷却塔热力性能试验工况Tab.1 Thermal performance test conditions of closed cooling tower

2.3 误差分析

在试验的过程中需要对温度、流量、压力等各项参数进行测量，采用的测量方式及其量程、精确度见表2。

表2 试验参数测量仪器及其量程、精度Tab.2 The range and accuracy of test parameter measuring instrument

2.4 试验结果分析

闭式冷却塔进风参数主要包空气的温湿度（湿球温度）和风量，变风量通过变频器调节风机的频率实现，包括30，40，50 Hz，对应的风量分别为 15 292，23 581，32 889 m3/h。通过调节不同循环冷却水流量（流量范围为14～34.3 m3/h），得到在对应流量下闭式冷却塔的各项性能参数，主要包括换热量、压降、冷却水进出口温度以及空气出口温度等参数。

图3示出不同风机频率下，闭式冷却塔换热量随循环冷却水流量的变化规律。从图可看出，当风机频率为30 Hz时，在流量范围14.5～34.3 m3/h内，换热量145.6～153.8 kW；当风机频率为40 Hz时，在同样流量范围内，换热量为148.3～163.7 kW；而当风机频率升到最高50 Hz时，在该流量范围内，换热量则为151.9～165.7 kW。由上可知，随着风机频率的增大，换热量能在更高的范围内变化。但是，在循环冷却水流量较低时，所需的空气流量相对较少，因此闭式冷却塔的换热量受风机频率变化影响不大。但随着循环冷却水流量的增大，超过32 m3/h后，三者都呈现突然增大的趋势，说明在高冷却水流量下，风量的影响比较大。

图3 冷却塔换热量随冷却水流量的变化规律Fig.3 Variation law of cooling tower heat exchange capacity with cooling water flow rate

图4示出闭式冷却塔立管式间接蒸发冷却器压降随循环冷却水流量的变化规律。从图中可以看出，随着循环冷却水流量的增大，立管式间接蒸发冷却器管内压降也随之增大，这是因为在相同流通面积下，循环冷却水流量越大，管内流速也越大，造成压降增大。立管式间接蒸发冷却器压降越大，会造成冷却水泵功耗增大，因此在设计阶段就要根据冷却水流量选择合理的换热器结构，包括管径、管排数以及扭曲管的结构参数等。

图4 立管式间接蒸发冷却器压降随冷却水流量的变化规律Fig.4 The variation law of vertical tube indirect evaporative cooler pressure drop with cooling water flow rate

图5示出了风机频率30 Hz，风量15 292 m3/h时，冷却塔进、出水温随冷却水流量的变化。从图可见，随着循环冷却水的增加，闭式冷却塔冷却水进口温度在42.5～47.1 ℃范围内变化，冷却水出水温度则在37.5～39.6 ℃之间。随着冷却水流量由14.5 m3/h增加到34.3 m3/h，流量增加了136.6%，冷却水进出口温差随着冷却水流量的增大而减少，由9.2 ℃下降到3.9 ℃，下降了57.6%。

图5 进、出水温度随冷却水流量的变化规律（30 Hz）Fig.6 Variation law of inlet and outlet water temperature with cooling water flow rate（30 Hz）

图6示出了风机频率40 Hz，风量23 581 m3/h时，冷却塔进、出水温度随冷却水流量的变化。从图可见，随着循环冷却水的增加，闭式冷却塔冷却水进口温度在40.4～45.5 ℃范围内变化，冷却水出水温度则在35.6～38 ℃之间。随着冷却水流量由14.6 m3/h增加到33.9 m3/h，流量增加了132.2%，冷却水进出口温差随着冷却水流量的增大而减少，由9.1 ℃下降到4.2 ℃，下降了53.8%。

图6 进、出水温度随冷却水流量的变化规律（40 Hz）Fig.6 Variation law of inlet and outlet water temperature with cooling water flow rate（40 Hz）

图7示出了风机频率50 Hz，风量32 889 m3/h时，冷却塔进、出水温度随冷却水流量的变化。从图可见，随着循环冷却水的增加，闭式冷却塔冷却水进口温度在39.2～43.3 ℃范围内变化，冷却水出水温度则在34.2～36.2 ℃之间。随着冷却水流量由14.5 m3/h增加到34.3 m3/h，流量增加了136.6%，冷却水进出口温差随着冷却水流量的增大而减少，由9.1 ℃下降到4.2 ℃，下降了53.8%。

图7 进、出水温度随冷却水流量的变化规律（50 Hz）Fig.7 Variation law of inlet and outlet water temperature with cooling water flow rate（50 Hz）

从图5～7可知，随着风机频率由30 Hz升到50 Hz，闭式冷却塔冷却水进口温度变化范围和冷却水出水温度变化范围都呈下降趋势，而温差则基本保持不变。这是因为空气流量增大，可及时将喷淋水蒸发变成的水蒸气带走，使冷却盘管周围的水蒸气分压力降低，以利于后来喷淋水的蒸发。但风量也不宜过大，若风量过大，水的飘逸量将随之增加，不利于节约用水；同时，风机的耗电量也将增加[6]。

图8示出闭式冷却塔出风干球温度和湿球温度随冷却水流量的变化规律。从图中可以看出，当风机频率一定时，随着循环冷却水流量的增大，出风干球温度和湿球温度都呈上升趋势，这是因为循环冷却水流量越大，传递给管外水膜的显热量就越大，水膜温度随之增高，造成空气吸收的显热量也会更多，温度升高。

图8 出风干湿球温度随冷却水流量的变化规律Fig.8 Variation law of outlet air dry and wet bulb temperature with cooling water flow rate

另外，在相同冷却水流量下，风机频率越高，出风干球温度和湿球温度就会越低，由能量守恒原理可知，在空气进风状态相同的条件下，热负荷一定时，空气流量越大，温差就会越小，即出风温度越低。

图9示出在风机频率为50 Hz时，闭式冷却塔冷却水进出水温度和换热量随喷淋水流量的变化规律。

图9 进、出水温度和换热量随喷淋水流量变化规律Fig.9 Variation law of inlet and outlet water temperature and heat exchange capacity with spray water flow rate

从图中可以看出，随着喷淋水流量由9.8 m3/h增加到40 m3/h，冷却水进出口温度都呈下降趋势，进水温度由48.1 ℃下降到39.9 ℃，下降17%，出水温度由43.3 ℃下降到34.7 ℃，下降19.7%，但两者的温差基本保持不变，仅由4.8 ℃增加到5.2 ℃，增长了7.7%。此时，换热量由144.3 kW增加到155.3 kW，增长了7.6%，与温差增长基本一致。

随着喷淋水流量的增大，冷却效果越好，但到达一定量后，再增大喷淋水量，对冷却效果的影响却变得很小。喷淋水量过多，水泵耗电量也将随之增大。更重要的是，喷淋水量增大，空气侧的流动阻力将显著增加，随之带来的是风机的耗电量也随之增大。

3 结论

（1）立式降膜闭式冷却塔空气流量对其散热性能的影响与循环冷却水流量相关，在循环冷却水流量较低时，所需的空气流量相对较少，因此闭式冷却塔的换热量受风机频率变化影响不大。但随着循环冷却水流量的增大，在本试验中，超过32 m3/h后，三者都呈现突然增大的趋势，说明在高冷却水流量下，风量的影响比较大。

（2）闭式冷却塔随着风机频率由30 Hz升到50 Hz，冷却水进口温度和出口温度变化范围都呈下降趋势，而温差则基本保持不变。这是因为空气流量增大，可及时将喷淋水蒸发变成的水蒸气带走，使冷却盘管周围的水蒸气分压力降低，以利于后来喷淋水的蒸发。

（3）当风机频率一定时，随着循环冷却水流量的增大，出风干球温度和湿球温度都呈上升趋势；而在相同冷却水流量下，风机频率越高，风量越大，出风干球温度和湿球温度就会越低。

（4）随着喷淋水流量由9.8 m3/h增加到40 m3/h，冷却水进出口温度都呈下降趋势，进水温度由48.1 ℃下降到39.9 ℃，下降17%，出水温度由43.3 ℃下降到34.7 ℃，下降19.7%，温差由4.8 ℃增加到5.2℃，增长了7.7%，换热量增长了7.6%。随着喷淋水流量的增大，冷却效果越好，但到达一定量后，再增大喷淋水量，对冷却效果的影响却变得很小。