逆流式冷却塔降温性能及节水研究分析

江建军，刘景丽，朱丛静，郭叶书，曹 红，刘 彬，史玉涛，周剑秋，蔡 锐，程 清

（1.南通醋酸纤维有限公司，江苏 南通 2 2 6 0 0 8；2.南京工业大学 机械与动力工程学院，江苏 南京 211816；3.南京工业大学 化工学院，江苏 南京 2 1 1 8 1 6；4.南京工业大学 能源科学与工程学院，江苏 南京 211816）

0 引 言

在工业的循环水系统中，80%是冷却用水，然而在循环使用过程中存在大量的冷却水损失。 其中，蒸发损失的水量所占比例最大，约占循环水总量的1.2% ～1.6%，风吹损失和排污损失分别占循环水量的0.1%和0.24%[1]。 此外，冷却塔顶区域会在冬季形成明显可见的白色“羽雾”，对周边工业设备以及环境造成一定的危害。 因此，减少蒸发损失和消除白雾的研究对工厂的经济效益的提升和对环境的保护具有重大的现实意义[2]。

在针对冷却塔的蒸发损失的研究中，黄汝广等通过理论计算，单一控制变量分析发现环境温度，循环水量和进塔水温对蒸发损失水量具有一定的影响，为改善冷却塔耗水量大和“羽雾”问题提供了思路[3]。 延洪剑等通过对机械通风逆流湿式冷却塔数值模拟，提供了两种节水消雾思路：一种是在蒸发结束时提高水蒸气的回收效率，另一种是在蒸发过程中减少水冷却时的损失[4]。 时国华等通过在冷却塔收水器上方增设热管并对热管倾斜角度合理安置，有效地提高了换热过程中蒸发水的回收[5]。 王曰锋等则采用在出风口安装由翅片圆管组成的冷却模块，减少了湿区冷却塔内不必要的蒸发水损失，实现了较好的节水效果[6]。

利用逆流式冷却塔可为醋循环系统提供冷却循环水。 由于冷却塔运行多年，普遍存在冷却效率下降和耗水量大等问题，将导致循环供水温度升高、冷却塔使用能耗增加。 此外，冷却水在塔内的蒸发会使得冷却塔出口处的湿热空气温度和湿度都比较高，当冬季运行时湿热空气排出塔外和冷空气混合，易形成“羽雾”。 在“羽雾”的下风口处的设备和居民区会受到一定程度的危害。 因此，本文结合实测环境温度和冷却塔参数等数据，将五期11 号冷却塔作为热力计算模型，使用Matlab 软件，通过数值计算的方法分析了该冷却塔关于冷却性能下降，耗水量大以及白色羽雾的影响因素，并根据计算结果，验证了新型干湿联合冷却塔结构的合理性[7]。

1 塔体参数和改进措施

五期11 号冷却塔为方形钢混结构逆流式冷却塔，其尺寸为16.2 m×16.2 m×16.2 m，单塔处理量高达3500 m3/h。 针对上述存在的问题，本文提出一种干湿联合的改进措施：将冷却塔分为干区（在原冷却塔的塔体外部增设高效冷却器模块）和湿区（冷却塔本体）。 循环水先全部进入高效翅片椭圆管冷却器模块进行预换热处理，然后从干区出来的循环水进入湿区换热，具体结构如图1 所示。

图1 新型干湿联合冷却塔示意图

2 传热传质计算模型

2.1 热力计算

湿空气的饱和含湿量与湿空气的温度和压力有关。 根据道尔顿定律，由分压差为动力的蒸发水量计算公式：

式中，d QL为蒸发损失的水量，m3/h；d F为单位时间通过水表面，m2；βP为以水蒸气分压力差为基准的散质系数，kg/（m2·s）；P″τ为温度为τ时饱和水蒸气分压力，Pa；Pθ为温度为θ时空气中的水蒸气分压力，Pa。

上式也可以表示成以含湿量差为动力的蒸发水量计算公式，即为：

式中，βx为以含湿量差为基准的散质系数，kg/（m2·s）；x″τ为温度为τ时饱和空气的含湿量，kg/kg；xθ为温度为θ时饱和空气的含湿量，kg/kg。

水的冷却过程中因蒸发造成的损失即为空气含湿量的增加，则上式可以简化为：

式中，QL为水的蒸发损失量，m3/h；ρ为湿空气的密度，kg/m3；G为进空气的流量，m3/h；χ1为传热传质前的含湿量，kg/kg，χ2为传热传质后的含湿量，kg/kg。

在工程中，其蒸发损失水量公式可以与进塔空气温度相对应的蒸发系数经验公式来计算[8]，即：

式中，QL为蒸发损失水量；K为蒸发损失系数；Δt为冷却塔进出水的温度差，℃；Qt为循环水量，m3/h。

由此，需要得到温差和不同环境工况下的K值以及循环水量即可计算出蒸发损失水量[9]。其中温差的计算可借助传热与传质相结合的麦克尔焓差公式[10]：

式中，βxv为塔内与填料物性相关的容积散质系数，kg/（m3·h）；Cp为水的比定压热容，取4.2 kJ/（kg·℃）；V为冷却塔内填料的体积，（V=16.2×16.2 ×1.25 =328.05 m3）；Q为循环水量，m3/h；t1和t2分别为进、出塔水温，℃；K为与外界大气温度相关的蒸发损失系数；h″为与水温相应的饱和湿空气比焓，即h″=h″（t），kJ/kg，由公式（6）计算得：

式中的2501 k J/kg是每千克0 ℃的液态水变成0 ℃的水蒸气所需要的汽化潜热。 p和pv分别表示空气压力（k Pa）和水蒸气分压力（kPa）。 由公式（8）辅助计算：

式中φ为空气相对湿度。 特别的，在计算水蒸气分压力的同时，借助了计算蒸汽压的安托尼方程，其中pvb表示为饱和蒸汽压，kPa：

由此温差Δt即为t1-t2。 接下来，利用实验数据，对蒸发损失系数K和散质系数βxv进行计算[11]。

2.2 蒸发损失系数K值计算

部分K值如表一所示，通过拉格朗日插值公式，得到式（10） 所示的lagrange插值计算公式[12]。

表1 部分提供的K值

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

则由拉格朗日插值定理得插值计算公式：

由此，以2 ℃为间隔，补全数值计算所需的K值，计算结果如表2 所示。

表2 常见工况下的K值

2.3 散质系数βxv计算

经过实验测定的数据如表3 所示。

表3 五期11 号冷却塔的实验数据

根据实际回水量，进出水温差，水的比热容，进出塔空气焓和电流推算出排气风速。 根据线性回归方程拟合出的11 号冷却塔风速如下：

式中，A，B，C为拟合系数；g 为质量风速，kg/（h·m2）；ρ为水的密度，kg/m3；Q为回水量，m3/h；a，b为塔的宽度和长度（16.2 m）；d 为排气筒直径（9.1 m）；Vp为拟合的排气风速，m/s；md为空气密度，kg/m3。

公式中的重量风速与一种推算的风速相关，淋水密度和回水量相关，因此得到的拟合结果，即：

全文的热力计算均采用上述拟合结果。

通过拟合公式，并和实测数据进行对比，在自然对流（风机电流小于20 A）和机械通风（风机电流大于20 A）情况下，进行多组实验和计算的对比，从图2 中可以看出实际测量的排气风速与文中拟合推算的排气风速数据基本吻合。

图2 推算与实际测量的排气风速关系图

3 结果与讨论

3.1 环境温度的影响

为了探究环境干球温度和湿度对蒸发损失水量的影响，改变了环境的大气温度和湿度，保持其他值不变，工况设定为风机电流210 A，进塔水温34 ℃，循环水量3000 m3/h。

图3 对比了相对湿度φ为70%、80%、90%，不同干球温度下的冷却塔温降以及蒸发损失量。如图3（a）所示，环境空气温度对温降有显著影响，随着干球温度降低，温降明显升高，冷却塔出塔水温大大降低。 此外，在同一大气干球温度下，湿度越大，温降越小。 而从图3（b）可以看出蒸发损失量与空气温度成反比关系，空气干球温度的越小，蒸发损失量越大。 同时，由于环境温度升高，所以引起了出塔水温的提高，而蒸发水损失与进出塔水温相关。 随着温差减小，蒸发系数随环境温度升高而升高，进出水温的减小对蒸发量的影响更大。 所以从整体来看，蒸发损失随环境温度的增加而减小，并且，低湿度气体将大大增加冷却塔的蒸发损失量。 值得注意的是，蒸发水损失除了以饱和的羽雾形态散失出去的，还包括部分不饱和的水汽。 因此，要兼顾温降能力及蒸发损失量，就需要对其他因素进一步分析。

图3 大气状态与温降和蒸发水损失的关系

3.2 循环水量的影响

根据夏冬季的外界气温变化，分别拟定了4种工况温度（0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃）下的循环水量与蒸发损失水量和温降与蒸发损失水量的关系。 从3000 m3/h 到3500 m3/h，每隔100 m3/h改变循环水量梯度，其他运行条件与3.1 节保持一致。

从图4（a）中，可以看出，随着进塔时循环水量的增加和进出塔的温降减小，在不同的进风温度下，其结果趋势一致。 结合公式（4），可以得出，蒸发量与进出塔温差和循环水量相关。 而从图4（b）中可以得出，随着循环水量逐渐增大，蒸发水损失增加的趋势较为缓慢。 这表明循环水量的变化对温降的影响较明显，而对蒸发损失量的影响较小。 所以，根据外界的气温，可以适当地调整循环水量，以达到降低出塔水温和减小蒸发损失水量的目的，当蒸发损失水量减小，换热后的湿空气中的含湿量减少，可以有效地避免冷却塔的出塔口形成浓厚可见的白色“羽雾”。

3.3 喷淋温度的影响

通过改变喷淋水温和环境的大气温度，保持其他运行条件不变，进一步探究不同工况下喷淋水温对温降和蒸发损失水量的影响。

从图5（a）中可以看出，在不同进风温度下，进塔水温与温降呈明显正增长的趋势，即喷淋水温越高，温降也越大。 此外，无论外界气温怎么变化，在同一进塔水温下，温降几乎偏差不大，这是因为，冷却塔的冷却性能固定且与填料的高度、结构和填料性能有关，同时，大气湿球温度对温降存在少量影响。 蒸发损失水量却有明显的偏差，这是因为蒸发损失系数K值不同。 根据公式（4），在同一个进塔循环水量下，蒸发损失水量随着温降的减小而减小。 计算结果如图5（b）所示，喷淋水温越低，蒸发损失水量也就越少。 当环境温度越大时，其蒸发损失水量也增大。 结合两图的线性规律发现在0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃的工况下，曲线呈现两种斜率的变化。 当喷淋温度大于34 ℃之后，其温降和蒸发损失水量呈快速增长，但出塔水温并未达到后续工艺所需用水温度。 当喷淋水温偏低时，温降和耗水量降低，但会增加工程上改造冷却塔的成本。 综合以上分析，控制进入湿区的循环水温为34 ℃将是节水降温的最佳进塔温度点。

图5 喷淋水温与温降和蒸发水损失的关系

4 结 论

（1）环境温度对该冷却塔的温降影响显著，主要归因于冷却塔的冷却性能，而由于不同环境温度的蒸发损失系数不同，可得蒸发损失水量也不同。 环境干球温度越低，湿度越低，则蒸发水损失越高。 由于冬季干湿球差异明显，所以当冬季环境温度偏低，出口干湿球温差明显，从而影响到白色羽雾的浓度程度也不同。

（2）随着进塔的循环水量增加，温降均呈现减小的趋势，而蒸发损失水量呈现微微增大的趋势，这表明，循环水量的增加会影响冷却塔的冷却效果，增加冬季形成白色“羽雾”的概率。

（3）在不同的喷淋温度下，温降和蒸发损失水量随着进塔温度的降低而降低，当进塔温度大于34 ℃时，温降和蒸发损失水量的值增长速率加快，综合改造成本和工程实际，进入冷却塔湿区的水温为34 ℃时较为经济合理。

（4）结合冷却塔冷却性能和蒸发损失量，提出干湿联合循环冷却形式，循环水进入干冷区预换热，预冷后的循环水进入湿冷区，减少蒸发损失；同时预热后的干空气和湿冷区的湿热空气混合后排入外界，大大减小冬季羽雾形成的可能性。