濕式冷卻塔收水器的研究進(jìn)展

李治潔，張連強(qiáng)，李 雪，王印忠，尹建華

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

冷卻塔是一種將發(fā)電循環(huán)、冷凍循環(huán)、空調(diào)制冷循環(huán)等過程中產(chǎn)生的廢熱排放到空氣中的常用散熱設(shè)備[1-5]，主要分為濕式冷卻塔和空冷塔兩大類。濕式冷卻塔利用熱水與空氣直接接觸蒸發(fā)散熱，散熱性能主要與進(jìn)塔空氣濕球溫度和冷卻塔特性相關(guān)。空冷塔主要通過間壁式換熱器，將熱水中的熱量通過換熱板片或換熱管散到空氣中，散熱性能主要與空氣干球溫度和傳熱原件性能相關(guān)。濕式冷卻塔具有換熱效率高，占地小，投資成本低，易于維修等優(yōu)點(diǎn)，按照空氣流動(dòng)動(dòng)力來源可分為機(jī)力塔和自然塔兩大類。機(jī)力塔使用風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣在冷卻塔內(nèi)流動(dòng)，多用于空調(diào)、石油、化工等冷卻系統(tǒng)。近年來，隨著熱泵技術(shù)在我國(guó)北方采暖季的推廣，為了克服室外蒸發(fā)器結(jié)霜問題，機(jī)力冷卻塔逆用做熱源塔技術(shù)也逐步推廣[6]。自然塔利用冷卻塔進(jìn)出口空氣密度差作為空氣流動(dòng)動(dòng)力來源，塔型多為雙曲線型，主要用于火電、核電等冷卻系統(tǒng)。濕式冷卻塔內(nèi)部核心的塔芯構(gòu)件有收水器、淋水填料及噴頭(見圖1)等。

圖1 濕式冷卻塔示意圖Fig.1 Schematic diagram of wet cooling tower

在濕式冷卻塔中，待冷卻的熱水被噴頭噴灑到填料表面，與逆流而上的空氣接觸進(jìn)行直接接觸換熱，冷卻后的涼水通過塔底收集池重新泵入循環(huán)系統(tǒng)中?？諝庾韵路?逆流塔)或側(cè)面(橫流塔)進(jìn)入冷卻塔，在填料區(qū)域完成換熱后變?yōu)闈駸峥諝?，?jīng)塔頂排放到周圍環(huán)境中。在塔頂排出的濕熱空氣中夾帶著部分循環(huán)水小液滴稱為飄滴。飄滴不僅浪費(fèi)了寶貴的水資源，其中含有的雜質(zhì)、鹽分、細(xì)菌等物質(zhì)還會(huì)對(duì)設(shè)備、管路、建構(gòu)筑物及動(dòng)植物帶來傷害。其中最嚴(yán)重的威脅是冷卻塔中溫暖、潮濕環(huán)境易滋生的軍團(tuán)菌類病原體[7]，這些病原體飄散到周圍環(huán)境中，對(duì)人類健康產(chǎn)生潛在威脅。在使用海水為散熱介質(zhì)的冷卻塔中，飄滴中含有的鹽分會(huì)造成冷卻塔周圍鹽沉積，腐蝕設(shè)備管路，影響周圍動(dòng)植物生存[8-12]。介于此，為了監(jiān)測(cè)飄滴狀況，各國(guó)都建立了冷卻塔飄滴的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)(見表1)，作為冷卻塔性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。

為了解決飄滴問題，自20世紀(jì)50年代以來，冷卻塔噴頭(布水器)上方開始設(shè)置收水器(又稱除水器)來回收飄滴，減少對(duì)動(dòng)植物、建構(gòu)筑物、設(shè)備和環(huán)境的影響并節(jié)約水資源。作為解決飄滴問題的關(guān)鍵部件，收水器技術(shù)已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步。早期收水器多采用木板條和石棉水泥制作，笨重、占用空間大且加工不便，現(xiàn)在商用收水器普遍采用輕便、廉價(jià)、耐腐蝕的PVC或玻璃鋼材質(zhì)制作。收水器的構(gòu)型也由早期的人字形等低效高壓降結(jié)構(gòu)發(fā)展成目前常用的波形、弧形和蜂窩形結(jié)構(gòu)。通過設(shè)置收水器，工業(yè)冷卻塔的行業(yè)飄水率已經(jīng)由0.01%降至0.000 5%[13]，節(jié)水和環(huán)保效果顯著。

表1 各國(guó)冷卻塔飄滴測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 National standard for drifting test of cooling tower

目前,商用收水器技術(shù)主要由國(guó)外大型冷卻塔公司開發(fā)和推廣。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)主要包括美國(guó)麻省理工大學(xué)能源實(shí)驗(yàn)室、西班牙米格爾·埃爾南德斯大學(xué)和美國(guó)冷卻塔協(xié)會(huì)等。國(guó)內(nèi)主要研究機(jī)構(gòu)包括自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所、西安熱工研究院、上海理工大學(xué)等。以前，國(guó)內(nèi)對(duì)于飄滴的影響重視程度較低，收水器的研究較少。近年來，隨著國(guó)內(nèi)對(duì)于環(huán)保和節(jié)水問題的重視，收水器的研究正逐漸興起。但是至今還沒有一篇論文總結(jié)冷卻塔收水器的研究進(jìn)展，文章填補(bǔ)了這方面的空白。

1 收水器內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)研究

折板型收水器由于加工簡(jiǎn)單，成本低，效果好，是目前應(yīng)用最廣泛的收水器，文章主要介紹折板型收水器的研究情況。循環(huán)水小液滴隨著濕熱空氣上升運(yùn)動(dòng)的過程中，在收水器內(nèi)部的狹窄通道中突然轉(zhuǎn)向，由于慣性作用，液滴不能迅速隨著濕熱空氣轉(zhuǎn)向，而是繼續(xù)按原路徑上行，撞擊到收水器通道壁上，形成液膜，回流到冷卻塔中。因此，收水器內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)的研究涉及液滴粒徑分布、氣流/液滴流動(dòng)、液滴與液膜作用、液滴再夾帶等諸多方向。

1.1 液滴粒徑分布

進(jìn)入收水器的液滴由濕熱空氣夾帶上升，因此液滴的直徑受淋水填料液膜特性(液膜厚度及溫度)和空氣特性(氣速及空氣溫濕度)影響，粒徑變化范圍較大。在早期的研究中，粒徑測(cè)量多采用直接接觸測(cè)量的方法：例如層疊撞擊器、明膠覆蓋的載玻片及水敏紙顯色等。由于接觸式測(cè)量將會(huì)對(duì)空氣/液滴流動(dòng)造成影響，影響測(cè)量精度。非接觸式的激光測(cè)量技術(shù)，能提供更為準(zhǔn)確的粒徑數(shù)據(jù)，通過分析進(jìn)出收水器前后的粒徑變化，可以計(jì)算出液滴的分離效率。由于非接觸式激光測(cè)粒徑設(shè)備尺寸及應(yīng)用環(huán)境的限制，該方法通常測(cè)試實(shí)驗(yàn)室中模擬狀態(tài)下收水器的液滴粒徑，忽略實(shí)驗(yàn)傳熱過程，測(cè)得粒徑范圍與工業(yè)使用收水器中液滴粒徑存在一定偏差。冷卻塔飄滴粒徑范圍在幾微米到幾百微米之間，100 μm以上大液滴雖然數(shù)量較小，但是質(zhì)量比例較高，通過設(shè)置收水器可以將回收大部分液滴，飄滴粒徑控制在數(shù)十微米以下。Chan等[14]使用激光散射技術(shù)測(cè)得的液滴直徑范圍為10 μm～150 μm，Araneo[15]使用激光多普勒測(cè)速和激光相位多普勒(LDV+PDA)結(jié)合技術(shù)測(cè)得無收水器情況下液滴直徑范圍為50 μm～850 μm，算數(shù)平均直徑為123.7 μm，通過設(shè)置收水器，飄滴直徑范圍變?yōu)?0 μm～40 μm，算數(shù)平均直徑變?yōu)?6.9 μm。

Ghetti[17]使用馬爾文粒度儀測(cè)試了6種商用收水器的進(jìn)出口出粒徑情況，液滴粒徑范圍在2 μm～30 μm之間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示收水器的液滴收集效率與氣速和液滴粒徑密切相關(guān)。

不同的測(cè)試方法測(cè)得的飄滴粒徑略有差異，一般認(rèn)為設(shè)置收水器，飄滴得到控制的冷卻塔飄滴在100 μm以下。在收水器CFD模型建立中，液滴粒徑是模型建立的基本邊界條件，現(xiàn)有模型多采用Phillips[18]和Galletti[17]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為模型液滴邊界條件和驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

1.2 氣流/液滴流動(dòng)

收水器內(nèi)部氣液流動(dòng)及液膜是影響液滴收集效率關(guān)鍵因素，也是收水器研究的重點(diǎn)。由于收水器內(nèi)部氣/液流動(dòng)的復(fù)雜性，液滴體積小，探測(cè)設(shè)備可能對(duì)氣液流動(dòng)產(chǎn)生影響等因素，早期的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在宏觀性能參數(shù)，如壓降、容量、抗堵塞或污垢能力，以及整體收水效率等。對(duì)于收水器內(nèi)部氣/液兩相流動(dòng)的研究主要采用煙霧示蹤和攝像結(jié)合的方法。Foster[19]等采用煙霧示蹤的方法研究了木板條收水器和波紋石棉—水泥收水器內(nèi)部的流動(dòng)情況。Becker和Burdick[20]通過煙霧可視化方法研究了兩種橫流塔收水器(T型和Z型)對(duì)冷卻塔集氣室內(nèi)空氣流動(dòng)形態(tài)的影響。由于煙霧對(duì)環(huán)境污染和人體健康不利影響且分辨率較低，已經(jīng)逐漸被非接觸式激光測(cè)量方法取代。

隨著計(jì)算流體力學(xué)理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)性能的提高，越來越多的科研人員采用數(shù)值模擬或數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究收水器內(nèi)部?jī)上嗔鲃?dòng)，揭示收水器氣液兩相流場(chǎng)，使研究人員對(duì)收水器內(nèi)部氣/液兩相流動(dòng)的認(rèn)識(shí)提高了一個(gè)層次。該類模型[21-30]多采用歐拉—拉格朗日模型，忽略液滴重力和液滴間相互作用，以曳力作為液滴運(yùn)動(dòng)主要作用力。研究人員根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)收水器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，顯著提升了收水器性能。

在收水器的模型建立中，由于液滴粒徑較小，通常忽略液滴重力影響，僅考慮液滴慣性與氣流曳力對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)及其捕獲的影響。因此，收水器的CFD模型研究多基于牛頓第一定律與曳力結(jié)合，通過適當(dāng)簡(jiǎn)化，分析液滴的運(yùn)動(dòng)和收集效率。同時(shí)，所有模型都忽略了液滴在收水器中的傳熱和蒸發(fā)冷凝過程，將液滴假設(shè)為粒徑不變的粒子，這顯然與實(shí)際情況不符。另外，現(xiàn)有模型多是針對(duì)某種特性收水器構(gòu)型的模擬研究，由于粒徑數(shù)據(jù)缺乏，對(duì)收水器收水效率性能有關(guān)鍵影響的粒徑數(shù)據(jù)普遍來源于有限個(gè)忽略傳熱特性的小型實(shí)驗(yàn)裝置，也導(dǎo)致了模型結(jié)果偏差。因此，基于正常工作狀態(tài)下實(shí)際使用冷卻塔中飄滴粒子粒徑的準(zhǔn)確測(cè)量，將是提高模型準(zhǔn)確性的重要方向。文獻(xiàn)中典型收水器數(shù)值模型見表2。

表2 文獻(xiàn)中典型收水器數(shù)值模型Tab.2 Numerical model of typical eliminator in literature

續(xù)表2 (Continue)

1.3 液滴與液膜作用

(1)

(2)

2 收水器壓降和收水效率實(shí)驗(yàn)研究

2.1 收水器壓降與收水效率實(shí)驗(yàn)研究

收水效率和壓降是評(píng)價(jià)收水器性能最重要的兩個(gè)指標(biāo)，也是收水器產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。壓降是進(jìn)入和離開收水器的壓力差。收水效率是收水器收集的液滴的質(zhì)量與進(jìn)入收水器的液滴總質(zhì)量比值，收水效率還可采用飄滴損失與循環(huán)水流量的比值(整塔飄水率)表征。收水器試驗(yàn)通常使用微壓計(jì)測(cè)量壓降，收水效率測(cè)量有多種方法，當(dāng)飄水率較小時(shí)，通常采用水敏表面技術(shù)；當(dāng)飄水率較大時(shí)，常采用等速質(zhì)量取樣和化學(xué)平衡法。考慮到環(huán)保和節(jié)水的要求，收水效率越高越好，但是一般壓降也越大。因此，收水器內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)研究的重點(diǎn)是如何在盡量低的壓降下，實(shí)現(xiàn)最高收水效率。通過實(shí)驗(yàn)研究，可以得到彎曲數(shù)量、彎曲角度、板間距、連續(xù)彎曲長(zhǎng)度等幾何參數(shù)對(duì)壓降和收水效率性能的影響。早期的收水器測(cè)試實(shí)驗(yàn)[36-38]主要關(guān)注收水器壓降和收水效率能否滿足設(shè)計(jì)要求，為推廣提供依據(jù)，現(xiàn)在[39]多側(cè)重于壓降和收水器的特征與收水器構(gòu)型、參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，來實(shí)現(xiàn)收水器優(yōu)化。

2.2 收水器壓降與收水效率關(guān)聯(lián)式

收水器的壓降與幾何結(jié)構(gòu)、流體密度、粘度和平均氣速等因素相關(guān)，通常由一個(gè)阻力系數(shù)來表征除速度和密度之外影響因素。

(3)

收水器的液滴收集效率與離心力和慣性顯著相關(guān)。因此，液滴直徑、液滴密度、空氣粘度、速度及幾何結(jié)構(gòu)對(duì)收水效率起決定性影響。通常采用無量綱的斯托克斯數(shù)St(液滴特征時(shí)間與障礙物特征時(shí)間之比)關(guān)聯(lián)收水效率：

(4)

通過實(shí)驗(yàn)或CFD模擬歸納出經(jīng)驗(yàn)公式，為收水器的設(shè)計(jì)選型和應(yīng)用提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)，擴(kuò)大了收水器不同應(yīng)用環(huán)境中針對(duì)性設(shè)計(jì)的可能性，常用的效率關(guān)聯(lián)公式如表3所示。

表3 文獻(xiàn)中典型公式Tab.3 Typical formula in literature

2.3 收水器設(shè)置對(duì)機(jī)力冷卻塔性能影響

一般認(rèn)為，收水器的設(shè)置將導(dǎo)致冷卻塔的壓降額外增加，能耗增加，同時(shí)還會(huì)使冷卻塔換熱區(qū)域增加，對(duì)冷卻塔的總體換熱性能產(chǎn)生影響。B.R.Becker[44]通過實(shí)驗(yàn)研究了T型和Z型收水器對(duì)冷卻塔性能的影響。結(jié)果顯示T型收水器有助于增強(qiáng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)性能和冷卻塔熱力性能，而Z型收水器恰恰相反。T型收水器的最佳角度是45 °。筆者認(rèn)為收水器的性能評(píng)價(jià)應(yīng)考慮整個(gè)冷卻塔的性能表現(xiàn)，才能得到正確的結(jié)果。Manuel Lucas[46]等使用截面0.7 m×0.48 m的機(jī)力模擬塔研究了不同配水系統(tǒng)和收水器對(duì)熱力性能的影響。筆者認(rèn)為收水器設(shè)置增加了壓降，但是不一定降低冷卻塔的熱力性能，因?yàn)槭账鞯拇嬖谠黾恿祟~外的填料換熱區(qū)域。

3 改進(jìn)型收水器

冷卻塔出口處濕熱空氣夾帶循環(huán)水小液滴飄散到外界環(huán)境中形成飄滴，飄滴僅占冷卻塔耗水的一小部分，濕熱蒸氣中攜帶水份是冷卻塔耗水的主要部分，因此兼具回收濕熱空氣中的水蒸氣和飄滴液滴的收水器[46]更具有節(jié)水意義。與普通收水器相比，該類多功能收水器增加了空氣換熱器進(jìn)行水蒸氣冷凝，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)回收。

對(duì)于某些特殊場(chǎng)合應(yīng)用的收水器(除沫器)，對(duì)細(xì)小液滴的脫除有特殊要求，依靠普通折板型收水器慣性去除原理難以解決部分細(xì)小液滴夾帶和逃逸的問題，Xu等[48]使用CFD模擬和實(shí)驗(yàn)方法研究了一種帶有多孔介質(zhì)加強(qiáng)的收水器疊加通道壁過濾作用，提高小液滴的去除效率。

自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所自主開發(fā)的SW-145海水冷卻塔專用收水器，采用耐海水材質(zhì)，孔窩三維結(jié)構(gòu)，在大型機(jī)力通風(fēng)海水冷卻塔中，海水冷卻塔的飄水率控制在系統(tǒng)循環(huán)量的0.002%以下，對(duì)海水冷卻塔飄滴鹽沉積有較好的控制效果。

4 收水器發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

收水器壓降導(dǎo)致的能耗增加是收水器研究中亟待解決的問題，自然塔對(duì)收水器壓降的增加更加敏感。隨著自然通風(fēng)海水冷卻塔的應(yīng)用推廣，專用的海水冷卻塔收水器將是解決飄滴鹽沉積的重要手段。多功能收水器可以實(shí)現(xiàn)回收水蒸氣中的水分，但是也將占用冷卻塔內(nèi)部空間，造成壓降增加。

總體而言，國(guó)內(nèi)冷卻塔收水器的研究與國(guó)外有較大差距，特別是海水冷卻塔專用收水器研究。由于國(guó)內(nèi)對(duì)于冷卻塔飄滴特別是海水冷卻塔飄滴引起的鹽沉積問題普遍重視程度不夠，對(duì)海水冷卻塔特殊性認(rèn)識(shí)不足，多數(shù)企業(yè)采用普通淡水冷卻塔收水器控制海水冷卻塔飄滴，導(dǎo)致海水冷卻塔鹽沉積問題；對(duì)于海水冷卻塔環(huán)境影響缺少評(píng)價(jià)依據(jù)，海水冷卻塔飄滴數(shù)值無強(qiáng)制性規(guī)定，企業(yè)只能通過增加周邊設(shè)備防腐而非從收水器控制飄滴角度解決鹽沉積問題；冷卻塔收水器研發(fā)力量不足，至今未建立起完整的收水器研發(fā)、測(cè)試、產(chǎn)業(yè)化全產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)體系，研發(fā)人才和資金匱乏，研發(fā)力量較弱；冷卻塔設(shè)計(jì)加工企業(yè)傾向于使用多年前的老舊收水器設(shè)計(jì)，不能適應(yīng)新情況下冷卻塔的應(yīng)用需求。

5 結(jié)語與展望

收水器的設(shè)置顯著降低了冷卻塔飄滴現(xiàn)象，減少了冷卻塔對(duì)周圍環(huán)境動(dòng)植物、設(shè)備、建構(gòu)筑物的影響，節(jié)約了大量水資源。如今，耐腐蝕，輕便，成本低廉的PVC材質(zhì)成為冷卻塔收水器的主流材質(zhì)。隨著計(jì)算流體力學(xué)及測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，通過CFD模擬和各種實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)于收水器內(nèi)部氣液兩相的流動(dòng)理解更加深刻，基于內(nèi)部流場(chǎng)的針對(duì)性優(yōu)化使壓降和收水效率得到了更好的均衡，未來將會(huì)有更多更好的收水器產(chǎn)生。收水器發(fā)展面臨的主要困境是隨著海水冷卻塔收水器廣泛應(yīng)用，基礎(chǔ)研究和飄滴鹽沉積問題重視不夠阻礙海水冷卻塔專用收水器的發(fā)展。為了解決這些問題，需從環(huán)境影響基礎(chǔ)研究入手，逐步推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制，使企業(yè)認(rèn)識(shí)到海水冷卻塔收水器的特殊性，采用海水冷卻塔專用收水器。對(duì)于收水器的研究將更側(cè)重與整個(gè)冷卻系統(tǒng)配合的綜合表現(xiàn)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)化。針對(duì)自然塔、橫流塔、逆流塔、海水冷卻塔的等專用領(lǐng)域的收水器將會(huì)有針對(duì)性研究，實(shí)現(xiàn)特殊場(chǎng)合的最佳應(yīng)用。收水器向節(jié)水消霧等多功能領(lǐng)域發(fā)展將是一個(gè)重要研究方向，在濕式冷卻塔在高效、低成本傳熱的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)水或淡化海水的目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低品位廢熱的高效利用。收水器的設(shè)置是冷卻塔發(fā)展史上的一個(gè)重要事件，它代表了人類對(duì)于節(jié)水和環(huán)保的重視，人與自然和諧相處的一種理念，極大的推動(dòng)了冷卻塔技術(shù)的推廣，未來將繼續(xù)為冷卻技術(shù)發(fā)展提供助力。