逆流濕式冷卻塔內不銹鋼填料熱力性能的試驗研究

李慧珍，孔慶杰2，謝德強

(1.河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022；2.江蘇理工學院 機械工程學院，江蘇 常州 213001)

隨著國家工業化水平的不斷發展，水作為冷卻介質被大量用于工業生產，據統計，在城市及工業用水當中，冷卻水量就占了其總用水量的70%～80%左右[1]，由于我國水資源的短缺，所以循環利用水資源不失為一個很好的解決方法，而冷卻塔是能夠達到這種效果的普遍被采用的冷卻設備之一[2]。被冷卻介質由冷卻水泵加壓輸送至冷卻塔的分配管中，然后經噴嘴噴淋到填料上，與此同時，環境空氣由于塔的抽吸作用從塔底四周吸入，橫穿填料層與被冷卻介質進行充分的熱質交換。冷卻塔效率的高低與填料的傳熱傳質性能密切相關。因此深入了解逆流濕式冷卻塔內填料的傳熱傳質性能，有著重要的現實意義。Gharagheizi等[3]對機械通風冷卻塔中垂直波紋填料(VCP)和水平波紋填料(HCP)進行了實驗對比，認為氣水比、填料類型和布置方式影響塔的換熱性能。Milosavljevic等[4]詳細分析了不同填料結構對冷卻塔性能的影響，并通過模型塔的實驗，給出了不同結構形狀PVC填料熱力特性的經驗公式。Goshayshi等[5-6]通過對填料不同波紋形狀、材質及排列方式下冷卻塔性能的實驗研究，發現增大填料的斜度和肋的斜度都能引起傳質系數的降低，填料垂直排列冷卻效果更好。胡三季等人[7]通過對常用PVC填料進行實驗，總結出不同類型和不同高度的填料的熱力特性和阻力特性的關系式。呂珍余[8]對表面沖有網孔的孔板波紋填料和人字波紋填料熱源塔進行了熱質傳遞性能的研究，得到了表面沖孔的孔板波紋填料的換熱量大于人字波紋填料。劉珊[9]對填料孔徑進行了研究，發現孔徑減小，冷卻效率明顯提高。由世俊等人[10]對金屬填料在空氣冷卻器及其在化工生產中的應用進行了理論和實驗研究，結果表明：金屬填料是一種性能良好的空氣熱濕處理材料。文獻[11-12]均研究了金屬填料對冷卻塔傳熱傳質的影響。當前對冷卻塔填料的研究主要集中與PVC填料，對金屬填料的研究較少，本文從不銹鋼填料在冷卻塔內的熱質交換進行研究，為不銹鋼填料的工程化設計和應用提供了參考。

不銹鋼填料具有比表面積大、耐腐蝕、使用壽命長、導熱性能好以及綜合性能高等優點。波紋板上的孔洞不僅可以降低通風阻力，而且還可以使填料表面的冷卻水分布更均勻[13]，提高填料的潤濕性。本文對逆流濕式冷卻塔內S波、人字波和V波不銹鋼填料與S波PVC填料的熱力性能進行了實驗研究，分析了S波不銹鋼填料冷卻塔進出水溫差、冷卻塔冷卻效率以及總換熱量隨淋水密度的變化規律。

1 實驗材料與裝置

1.1 填料材料與結構

實驗采用的填料波紋板均是利用沖孔及壓制波紋的方式制作而成，再結合成熟的規整填料外形，采用焊接工藝將波峰和波谷斜交錯粘結，制作了本文研究的不銹鋼填料。不銹鋼填料波紋板由V字型斜波組成，斜波邊長為250 mm，波峰與波谷間距42 mm，波紋傾角60°，貫通孔為250 mm×250 mm的規則菱形孔，為延長熱質交換時間和減小風阻，不銹鋼填料表面均勻布置有直徑為2 mm的孔洞和斜紋滯留槽，如圖1所示。S波不銹鋼填料板面為S波型流道，人字波不銹鋼填料板面為人字波型流道，V波不銹鋼填料板面為V波型流道。

1.2 實驗裝置及測試過程

本研究建立的機械通風式逆流濕式冷卻塔實驗臺裝置(MCWCT)，如圖2所示。塔體外部結構尺寸為620 mm×620 mm×2 000 mm，塔內不銹鋼填料尺寸為600 mm×600 mm×700 mm。冷卻塔內采用管式壓力配水，水分配器為5根DN50鋼管等間距排列組成，每根鋼管底部等間距開孔并裝有噴嘴，開孔直徑為7 mm。冷卻水流量采用XELZ-250LZ金屬轉子流量計測量。冷卻塔進出口空氣的干濕球溫度和含濕量采用DT-8896溫度儀測量，測量結果取多個測點的平均值。冷卻塔進出水溫度采用TT-K24型銅-康銅熱電偶測量，測點布置在冷卻塔進口和冷卻塔出口處，采用多個測點，測量結果取平均值。本實驗采用等面布點法，利用AS8166熱線風速儀測量冷卻塔出風直管段端面的各測點風速，取各測點風速的算術平均值作為出口平均風速vm，各實驗測試儀器參數見表1。通過冷卻塔填料塊的空氣質量流量ma由以下方程得出

ma=3 600×vm×S×ρa

(1)

式中S——冷卻塔斷面面積;

ρa——空氣密度。

表1 實驗主要測試儀器型號規格

為保證本實驗的直觀性和可比較性，實驗過程中盡量保證冷卻塔進出口空氣的干濕球溫度穩定不變，取干球溫度為31.6℃，濕球溫度為27.8℃。實驗過程中以進塔水溫和淋水密度為自變量，進塔水溫取值為34～40℃，填料的淋水密度取值為6.0～9 m3/(m2·h)。

2 冷卻塔內傳熱傳質特性

2.1 冷卻塔進出水溫差

冷卻塔進出水溫差是指冷卻塔進塔水溫和冷卻塔出塔水溫的差值，一般其值越大表明冷卻效果越好

ΔT=Tw,i-Tw,o

(2)

式中Tw,i——冷卻塔進塔水溫/℃；

Tw,o——冷卻塔出塔水溫/℃。

2.2 冷卻效率

冷卻效率作為評價冷卻塔性能的一個重要指標，逆流濕式冷卻塔的冷卻效率按以下公式計算

(3)

式中e——冷卻效率；

Twb,i——空氣進口濕球溫度/℃。

2.3 總換熱量

對于逆流濕式冷卻塔的總換熱量H按以下公式計算

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

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

(4)

式中Qw——噴淋水質量流量/m3·h-1；

Qv——水蒸發率/m3·h-1；

Cw,i——進塔水的比熱容/kJ·kg-1·℃-1；

Cw,o——出塔水的比熱容/kJ·kg-1·℃-1；

mda——經過填料單位面積上的干空氣質量流量/m3·(m2·h)-1；

Cpw——水的比熱容/kJ·kg-1·℃-1；

λ——氣水比；

k——蒸發水量熱量系數。

3 實驗結果與分析

隨著冷卻塔進口平均風速的增加，冷卻塔冷卻效率也變大，但在風量過大的情況下會使得空氣和水之間接觸時間減小，換熱量減小，導致冷卻塔的冷卻效率降低，甚至會出現空氣帶水飛出填料的情況，因此冷卻塔進口平均風速不應太大，本實驗中取值為1.8 m/s。因為淋水密度超過一定值后，水膜會形成雨滴下落，使得氣、水之間冷卻時間和冷卻面積減少，所以本實驗淋水密度取值為6.5 m3/(m2·h)。

3.1 S波、人字波和V波不銹鋼填料與S波PVC填料冷卻塔進出水溫差的比較

由圖3可知，在實驗工況范圍內，不銹鋼填料和PVC填料冷卻塔進出水溫差隨進塔水溫的升高而增大。因為當僅改變進塔水溫，而空氣參數和淋水密度沒有改變時，這就使進入薄膜填料的總熱量增大，進塔水溫的升高增強了空氣與水之間的顯熱交換，使空氣焓值增加，提高了水的蒸發率，從而冷卻塔進出水溫差不斷增大。從圖中可以看出，S波不銹鋼冷卻塔進出水溫差>人字波不銹鋼冷卻塔進出水溫差>V波不銹鋼冷卻塔進出水溫差>S波PVC冷卻塔進出水溫差，導致這種變化趨勢的原因可歸結為不銹鋼填料的金屬導熱特性增強了氣、水之間的熱質傳遞。進塔水溫在34.5℃之前，V波不銹鋼冷卻塔進出水溫差小于S波PVC冷卻塔進出水溫差，在進塔水溫到達34.5之后，V波不銹鋼冷卻塔進出水溫差大于S波PVC冷卻塔進出水溫差，這是由于不銹鋼填料的金屬導熱特性引起的溫度變化大于波形面積引起的溫度變化。

3.2 S波、人字波和V波不銹鋼填料與S波PVC填料冷卻塔冷卻效率的比較

由圖4可知，不銹鋼填料和PVC填料冷卻塔冷卻效率隨進塔水溫的升高先增大后減小，從冷卻效率計算式(3)看到，冷卻塔進出水溫差越大，冷卻塔進塔水溫與進口空氣濕球溫度的差值越小，則冷卻塔冷卻效率越高，由前面對冷卻塔進出水溫差變化規律的分析可知，冷卻塔進出水溫差隨進塔水溫的升高呈現先陡峭后平緩增加的趨勢，而進塔水溫與冷卻塔進口空氣濕球溫度的差值也越來越大，故冷卻塔冷卻效率先增大后減小，在38～39℃之間，不銹鋼填料和PVC填料冷卻塔的冷卻效率達到最大。

3.3 S波、人字波和V波不銹鋼填料與S波PVC填料冷卻塔總換熱量的比較

由圖5可知，不銹鋼填料和PVC填料冷卻塔總換熱量隨進塔水溫的升高而增大，不銹鋼填料冷卻塔總換熱量由空氣與冷卻水的直接傳熱量和蒸發散熱量以及金屬的導熱量組成，而PVC填料因為是塑料件，不存在金屬導熱，故在同一溫度下，不銹鋼填料冷卻塔總換熱量大于PVC填料總換熱量。同時由冷卻塔總換熱量的公式(4)也可以看出，影響總換熱量的因素是冷卻塔進出水溫差。從傳熱傳質的角度來說，水蒸發的擴散速率隨進塔水溫升高而增大，使得水和空氣的傳熱傳質更加劇烈，總換熱量增大。

3.4 S波不銹鋼填料冷卻塔進出水溫差隨淋水密度的變化

由圖6可知，在進塔水溫和冷卻塔進口平均風速一定的情況下，S波不銹鋼填料冷卻塔進出水溫差隨淋水密度的增大而減小。根據直接蒸發冷卻過程分析可知，隨著淋水密度的增加，填料表面的水膜不斷變厚，而只有與空氣接觸的水膜表面才能進行有效散熱，故水膜越厚，散熱越不充分；同時水膜變厚后容易呈水柱狀滑落，氣、水之間接觸面積和冷卻時間均減小，導致冷卻塔出水溫度升高，冷卻塔進出水溫差變小。同一淋水密度下，冷卻塔進出水溫差隨進塔水溫的升高而增大。這是因為水溫升高，飽和蒸氣壓值也隨之升高，水的蒸發率提高，氣水間的熱量傳遞更加劇烈，出塔水溫降低，所以冷卻塔進出水溫差升高。

3.5 S波不銹鋼填料冷卻塔冷卻效率隨淋水密度的變化

由圖7可知，在進塔水溫和冷卻塔進口平均風速一定的情況下，S波不銹鋼填料冷卻塔的冷卻效率隨著淋水密度的增大而減小。因為冷卻塔進塔水溫與進塔空氣濕球溫度一定時，出塔水溫越低，則冷卻塔的冷卻效率越高，即對于同一進塔條件下，冷卻塔進出水溫差越大，效率越高，由冷卻塔進出水溫差變化規律可知，冷卻塔進出水溫差隨淋水密度的增大而減小，故冷卻塔冷卻效率也隨之減小。同時可以看出，冷卻塔進口平均風速一定時，冷卻塔冷卻效率隨進塔水溫的升高而增大。因為進塔水溫升高，飽和蒸氣壓值也隨之升高，提高了水的蒸發率，出塔水溫降低，進出口水溫差值增大，冷卻效率升高。

3.6 S波不銹鋼填料冷卻塔總換熱量隨淋水密度的變化

由圖8可知，當進塔水溫和冷卻塔進口平均風速一定時，S波不銹鋼填料冷卻塔的總換熱量隨填料淋水密度的增大而減小。因為影響總換熱量的主要因素是冷卻塔進出水溫差和氣水比，當冷卻塔進口平均風速一定時，隨著淋水密度的增加，氣水比和冷卻塔進出水溫差均減小，同時當淋水密度超過一定值后，流經填料貫通孔表面的水膜過厚，部分水量直接落至集水箱，冷卻時間和冷卻面積均減少，二者綜合影響導致了總換熱量逐步減小。此外，在同一淋水密度下，冷卻塔總換熱量隨進塔水溫的升高而增大，因為水溫升高，飽和蒸氣壓值也隨之升高，水的蒸發率提高，氣、水間的熱量傳遞更加劇烈，所以總換熱量增大。

4 結論

本文在較寬的操作工況范圍內對比研究了逆流濕式冷卻塔內S波、人字波和V波不銹鋼填料及S波PVC填料的熱力性能隨進塔水溫的變化規律，同時研究了S波不銹鋼填料的熱力性能隨淋水密度的變化規律，得到了以下結論：

(1)S波、人字波和V波不銹鋼填料及S波PVC填料冷卻塔進出水溫差和總換熱量隨進塔水溫的增大而增大，而S波、人字波和V波不銹鋼填料及S波PVC填料冷卻塔的冷卻效率隨進塔水溫的增加先增大后減小，且進塔溫度在37.5～38.5℃時，冷卻塔的冷卻效率達到最大。

(2)進塔水溫在35.5℃之前，S波、人字波和V波不銹鋼填料及S波PVC填料的熱力性能相差不大，隨著進塔水溫的增大，由于不銹鋼填料的金屬導熱特性，S波、人字波和V波不銹鋼填料及S波PVC填料的熱力性能相差越來越大，不銹鋼填料的熱力性能明顯優于常用PVC填料。

(3)在冷卻塔進塔水溫和進口平均風速一定時，S波不銹鋼填料冷卻塔進出水溫差，冷卻塔的冷卻效率和總換熱量均隨淋水密度的增大而較小，在同一淋水密度下，S波不銹鋼填料冷卻塔進出水溫差，冷卻塔的冷卻效率和總換熱量隨進塔水溫的升高而增大。