自然通风湿式冷却塔节水方案的试验研究

杨 岑，宋小军，赵顺安，李陆军，宋志勇，黄春花

(中国水利水电科学研究院 水力学研究所，北京 100038)

1 研究背景

火力发电是我国能源供应的主要方式，其用水量约占工业用水总量的43.9，其中大部分为循环冷却用水。自然通风湿式冷却塔[1-2]是循环冷却用水的关键设备，其运行过程产生的蒸发、风吹和排污损失约占火电行业总用水量的80，因此研究自然通风湿式冷却塔节水方案，促进火电行业节水改造，对于提高工业用水效率具有重要的社会与经济意义。

国内外学者围绕湿式冷却塔的水量损失，研究了以下节水方案：(1)提高循环冷却水的浓缩倍率，减少排污损失[3]；(2)安装高效收水器或采用高压静电收水技术，减少风吹损失[4-5]；(3)采用干湿式冷却塔，减小蒸发损失[6]；(4)喷洒冷凝剂或采用热管技术进行降温冷凝，回收蒸发损失[7-8]。前述节水方案中，提高浓缩倍率存在一定局限性，这是由于过高的浓缩倍率会增加循环水处理的复杂性和难度，从而加重设备腐蚀；由于风吹损失仅占循环水量的0.01，故其节水潜力不大；蒸发损失约为循环水总量的1.0～1.5，是湿式冷却塔的主要耗水量，因此减少或回收冷却塔蒸发损失可有效降低工业用水量。目前减少或回收蒸发损失节水方案主要围绕机械通风冷却塔[9-10]展开，一种是增加干区用于减小蒸发损失，主要采用干湿式节水消雾冷却塔[11-13]和低雾型冷却塔[14]；一种是通过蒸汽冷凝回收蒸发损失，主要采用马利消雾节水冷却塔[15-17]。由于涉及自然通风湿式冷却塔的研究成果较少，需要围绕自然通风湿式冷却塔的节水方案展开研究。

本文依据水蒸气降温冷凝原理，提出回收自然通风湿式冷却塔蒸发损失的节水方案；并通过搭建自然通风湿式冷却塔的热态模型试验平台，围绕所提出节水方案的原理可行性展开研究。

2 试验设计

2.1 节水方案由图1可以看出，当空气含湿量不变时(图中所示等湿变化过程)，空气相对湿度随其温度降低而增大；当相对湿度高于100时，空气会发生过饱和而产生凝结现象；空气相对湿度达到100时对应的干球温度称为该状态下的空气露点温度。水蒸气降温冷凝可分为以下两个过程[18]：首先是空气与冷壁面接触的温降过程，其次当空气温度降至其露点温度以下时在冷壁面开始发生水蒸气凝结。依据前述原理研究自然通风湿式冷却塔的节水方案，因此需要在其湿热空气区域内设置低温冷凝结构，促使水蒸气发生冷凝。

图1 湿空气含湿量特性曲线Fig.1 Characteristic curve of air moisture content

本文采用冷凝锥体和空气冷凝器2类冷凝结构，并放置在冷却塔出口回收其蒸发损失(见图2)。根据结构型式和冷源不同，用于回收自然通风湿式冷却塔蒸发损失的节水方案分为气冷型冷凝锥体、水冷型冷凝锥体(图3(a))和空气冷凝器(图3(b))。气冷型冷凝锥体采用塔外环境空气作为冷源，并利用抽风式轴流风机提供动力，依靠冷却空气与锥体壁面的对流换热作用来降低锥体结构温度。水冷型冷凝锥体采用常温水作为冷源，并利用水泵提供动力，依靠冷却水与锥体壁面的对流换热作用来降低锥体结构温度。空气冷凝器采用塔外环境空气作为冷源，并设置鼓风风机为冷源提供动力，依靠冷却空气与冷凝器壁面的对流换热降低其壁面温度。

图2 冷凝结构布置方式Fig.2 Arrangement of condenser

图3 冷凝结构型式Fig.3 Structure of condenser

2.2 试验模型以某电厂600 MW机组配套的自然通风湿式冷却塔为原型，采用密度弗劳德数相似准则搭建几何比尺1∶110的试验模型，对水冷型冷凝锥体、气冷型冷凝锥体和空气冷凝器结构的原理可行性展开研究，并对其节水特性进行初步评估。试验模型主要包括自然通风湿式冷却塔、冷凝锥体和空气冷凝器。

(1)自然通风湿式冷却塔：为了保证与原型的水气换热条件相似，自然通风湿式冷却塔模型也设置了相应的配水区、填料区和雨区，其主要包括冷却塔模型、供水系统和支撑平台(见图4)。模型采用铝制丝网模拟淋水填料并采用管式配水，通过电热水箱的热水从冷却塔中心进入，经垂直配水母管向8根树枝状支管均匀配水，并通过12个喷头均匀喷洒至填料表面，汇流于模型下方的集水池，最后流至电热水箱。试验条件下冷却塔模型的测量参数包括：采用电磁流量计和铂电阻温度计分别测量循环水流量和进、出水温；采用干湿球温度计和热线风速仪分别测量出口湿热空气的干湿球温度和流速。

图4 试验模型的整体布置Fig.4 Setup of test model

(2)冷凝锥体结构：冷凝锥体采用嵌套式双圆锥结构，两圆锥之间的环形缝隙作为冷却流体通道，冷却塔出口湿热空气的冷凝主要发生在外圆锥面。水冷型冷凝锥体的结构布置见图5，采用循环水泵将冷却水送至装置顶面入口，经配水箱均匀分布于流体环形通道，然后通过对流换热作用降低外圆锥面温度。气冷型冷凝锥体的结构布置见图6，其利用抽风风机作为冷源驱动，冷却空气(低温环境空气)沿环形流道进入，并通过对流换热作用降低外圆锥面温度。试验条件下冷凝锥型结构的测量参数包括：采用量筒和铂电阻温度计分别测量水冷型冷凝锥体冷却水的流量和水温；采用热线风速仪测量气冷型冷凝锥体的冷却空气流量，并采用压力表和干湿球温度计分别测量环境大气压和空气干湿球温度。

图5 水冷型冷凝锥体Fig.5 Water-cooled conical condenser

图6 气冷型冷凝锥体Fig.6 Air-cooled conical condenser

(3)空气冷凝器结构：如图7所示，冷却空气(低温环境空气)依靠4台风机进入环形风道，并均匀分配至36个空气冷凝模块。由于空气冷凝模块均采用梯形四棱台结构，冷却塔出口湿热空气会在其4个表面发生冷凝。试验条件下空气冷凝器的测量参数包括：采用热线风速仪测量空冷凝汽器的冷却空气流量；采用压力表和干湿球温度计分别测量环境大气压和空气干湿球温度。

图7 空气冷凝器Fig.7 Air-cooled condenser

2.3 数据整理方法不同方案的节水量均通过滤纸吸湿称重法测量。试验前将滤纸烘干密封测重量，测试时将滤纸取出，擦拭节水装置表面的凝结水，并将滤纸密封再称重。滤纸前后称重的质量即为测量时间段内的节水量。后续试验结果分析采用单位时间节水量、单位面积节水量和节水率来评估不同方案的节水特性。

单位时间节水量用于定义不同冷凝结构在单位时间的节水效果，计算公式如下：

(1)

式中：qws为单位时间节水量，kg/h；Ts为测量节水量的时间间隔，h；mws为冷凝结构表面的凝结水量，kg。

单位面积节水量用于定义不同冷凝结构表面单位面积的节水效果，计算公式如下：

(2)

式中：qAws为单位面积节水量，kg/(h·m2)；As不同冷凝结构与冷却塔出口湿热空气接触的表面积，m2，试验条件下冷凝锥体的表面积为0.272 m2，空气冷凝器的表面积为0.412 m2。

节水率采用单位时间节水量与冷却塔蒸发量的比值进行定义，计算公式如下：

(3)

式中：η为节水率，；qwe为冷却塔蒸发损失量，kg/h，采用如下公式计算；

2013年6月，在华东师范大学举办的“未来十年中国数学教育发展”研讨会上，与会专家一致表达了再次申办ICME的愿望．2013年10月，提请中国数学会同意向国际数学教育委员会正式表达中国申办ICME-14的意向，成立了由我主持、华东师范大学数学教育团队为主要成员的“ICME-14申办委员会”．2013年11月13日，我向ICMI秘书长Abraham Arcavi正式递送了王诗宬理事长签署的中国数学会申办、上海数学会和华东师范大学承办ICME-14的意向函．

(4)

式中：ρo为冷却塔出口湿热空气的密度，kg/m3；vo为冷却塔出口湿热空气的流速，m/s；xi和xo分别为冷却塔进口环境空气和出口湿热空气的含湿量，kg/kg；Ato为冷却塔出口断面面积，m2，试验条件下Ato=0.342 m2。

3 结果分析与讨论

影响不同冷凝结构节水特性的主要因素是冷却塔出口湿热空气特性和冷凝结构壁面温度。出口湿热空气特性主要受环境空气参数和冷却塔运行特性的影响；冷凝结构壁面温度主要受其冷源温度和流量的影响。本研究主要探讨冷却塔热负荷及其循环水流量，以及冷源流量对不同冷凝结构节水特性的影响。

3.1 水冷型冷凝锥体对于水冷型冷凝锥体，主要探讨冷却塔热负荷及其循环水流量，以及冷却水(冷源)流量对其节水特性的影响，表1给出了不同试验条件下水冷型冷凝锥体的节水特性参数。

表1 水冷型冷凝锥体的节水特性

从表中数据可以看出，冷却塔热负荷、循环水流量以及冷却水流量均会对水冷型冷凝锥体的节水特性产生影响。水冷型冷凝锥体的单位面积节水量和节水率均随着冷却塔热负荷及冷却水流量的增大而增大，但随着循环水流量的增大而减小。增大冷却塔热负荷或减小循环水流量均会提高循环水温度，从而增强冷却塔内空气与循环水间的对流和蒸发换热作用，进而增大出口空气的温度和含湿量，此时出口湿热空气具有较高的露点温度，更容易在冷凝结构表面发生凝结。增大冷却水流量会增强冷却水与冷凝锥体外壁面间的对流换热作用，从而降低外壁面温度，此时出口湿热空气在其表面更易发生冷凝。从表中还可以看出，试验条件下水冷型冷凝锥体的最大节水率仅为0.351，这是由于试验模型冷凝面积有限，仅回收了小部分蒸发的水蒸气。

3.2 气冷型冷凝锥体对于气冷型冷凝锥体，主要分析冷却塔热负荷及其循环水流量的影响，表2给出了不同试验条件下气冷型冷凝锥体的节水特性参数。

表2 气冷型冷凝锥体的节水特性

从表中数据可以看出，冷却塔热负荷会显著影响气冷型冷凝锥体的节水特性，而循环水流量影响甚微。随着冷却塔热负荷增大，气冷型冷凝锥体的单位面积节水量和节水率均增大。这是由于增大冷却塔热负荷会增强冷却塔内空气与循环水间的对流和蒸发换热作用，从而升高出口湿热空气的露点温度，使其更容易在冷凝结构表面发生凝结。从表中还可以看出，试验条件下气冷型冷凝锥体的最大节水率仅为0.045，一方面由于试验模型冷却空气流速较低，对冷凝锥体外壁面降温幅度小，壁面温度与湿热空气露点温度异不显著，不利于冷凝发生；另一方面试验模型冷凝面积有限，仅回收了小部分蒸发的水蒸气。

表3 空气冷凝器的节水特性

从表中数据可以看出，冷却塔热负荷和冷却空气流量均会影响空气冷凝器的节水特性。空气冷凝器的单位面积节水量和节水率均随着冷却塔热负荷及冷却空气流量的增大而增大。增大冷却塔热负荷会提高出口湿热空气的露点温度，且增大冷却空气流量会降低空气冷凝器壁面温度，都有利于出口湿热空气在冷凝结构表面发生凝结。从表中还可以看出，试验条件下空气冷凝器的最大节水率为0.263，一方面由于试验模型冷却空气流速较低，冷凝结构外壁面温度与湿热空气露点温度异不显著，不利于冷凝发生；另一方面试验模型冷凝面积有限，仅回收了小部分蒸发的水蒸气。

3.4 不同冷凝结构的对比分析表4给出了不同冷却塔热负荷条件下3种冷凝结构的节水特性。由表中数据可以看出，相同冷却塔热负荷条件下，空气冷凝器的单位时间节水量和节水率最大，水冷型冷凝锥体次之，气冷型冷凝锥体最小；水冷型冷凝锥体的单位面积节水量最大，空气冷凝器次之，气冷型冷凝锥体最小。冷却水的对流换热效果比冷却空气好，所以水冷型冷凝锥体结构表面温度比气冷型冷凝锥体和空气冷凝器均低，水冷型冷凝锥体壁面更易发生水蒸气冷凝；试验条件下空气冷凝器与冷却塔出口湿热空气的接触面积更大，所以空气冷凝器比冷凝锥体的单位时间节水量和节水率要高。

表4 不同冷凝结构的节水特性

相对于气冷型冷凝结构，水冷型冷凝锥体预设流道内的冷却水自重较大，需要提供更为严格的支撑装置，从而增加施工和建造成本，同时其需要较高扬程的水泵才可实现冷源水的循环利用，故水冷型冷凝锥体的工程实际应用不太可行。相对于气冷型冷凝锥体，空气冷凝器具有更大的冷凝面积，能够更有效地回收湿式冷却塔的蒸发损失，故空气冷凝器结构具有更广泛的工程实践意义。

4 结论

本文通过热态模型试验，对水冷型冷凝锥体、气冷型冷凝锥体和空气冷凝器的节水可行性展开了研究，并初步分析了影响冷凝结构节水特性的主要因素。主要结论如下：

(1)水冷型冷凝锥体、气冷型冷凝锥体和空气冷凝器均可回收自然通风湿式冷却塔的蒸发损失。

(2)冷却塔热负荷及其循环水流量，以及冷源流量均会影响冷凝结构的节水特性。冷凝结构的单位面积节水量和节水率均会随着冷却塔热负荷和冷源流量的增大而增大，而随着循环水流量的增大而减小。

(3)相同冷却塔热负荷和环境空气条件下，空气冷凝器的单位时间节水量和节水率最大(分别为0.041 kg/h和0.263)，水冷型冷凝锥体次之(分别为0.039 kg/h和0.255)，气冷型冷凝锥体最小(分别为0.007 kg/h和0.045)；水冷型冷凝锥体的单位面积节水量最大(0.144 kg/(h·m2))，空气冷凝器次之(0.099 kg/(h·m2))，气冷型冷凝锥体最小(0.025 kg/(h·m2))。

(4)提高冷凝结构节水特性的关键是增大冷凝面积；相比于冷凝锥体，空气冷凝器具有更大的冷凝面积，能够更有效地回收蒸发损失，具有更广泛的工程实践意义。

由于搭建的是较为简单的开放式原理性试验平台，对于节水方案的定性分析是可靠的，而定量评价结果较为粗糙。为了更深入分析节水方案装置的运行特性，需建立数学模型并通过数值方法开展研究。