逆流式冷卻塔降溫性能及節(jié)水研究分析

江建軍，劉景麗，朱叢靜，郭葉書，曹 紅，劉 彬，史玉濤，周劍秋，蔡 銳，程 清

（1.南通醋酸纖維有限公司，江蘇 南通 2 2 6 0 0 8；2.南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 211816；3.南京工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 南京 2 1 1 8 1 6；4.南京工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211816）

0 引 言

在工業(yè)的循環(huán)水系統(tǒng)中，80%是冷卻用水，然而在循環(huán)使用過(guò)程中存在大量的冷卻水損失。 其中，蒸發(fā)損失的水量所占比例最大，約占循環(huán)水總量的1.2% ～1.6%，風(fēng)吹損失和排污損失分別占循環(huán)水量的0.1%和0.24%[1]。 此外，冷卻塔頂區(qū)域會(huì)在冬季形成明顯可見的白色“羽霧”，對(duì)周邊工業(yè)設(shè)備以及環(huán)境造成一定的危害。 因此，減少蒸發(fā)損失和消除白霧的研究對(duì)工廠的經(jīng)濟(jì)效益的提升和對(duì)環(huán)境的保護(hù)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

在針對(duì)冷卻塔的蒸發(fā)損失的研究中，黃汝廣等通過(guò)理論計(jì)算，單一控制變量分析發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度，循環(huán)水量和進(jìn)塔水溫對(duì)蒸發(fā)損失水量具有一定的影響，為改善冷卻塔耗水量大和“羽霧”問(wèn)題提供了思路[3]。 延洪劍等通過(guò)對(duì)機(jī)械通風(fēng)逆流濕式冷卻塔數(shù)值模擬，提供了兩種節(jié)水消霧思路：一種是在蒸發(fā)結(jié)束時(shí)提高水蒸氣的回收效率，另一種是在蒸發(fā)過(guò)程中減少水冷卻時(shí)的損失[4]。 時(shí)國(guó)華等通過(guò)在冷卻塔收水器上方增設(shè)熱管并對(duì)熱管傾斜角度合理安置，有效地提高了換熱過(guò)程中蒸發(fā)水的回收[5]。 王曰鋒等則采用在出風(fēng)口安裝由翅片圓管組成的冷卻模塊，減少了濕區(qū)冷卻塔內(nèi)不必要的蒸發(fā)水損失，實(shí)現(xiàn)了較好的節(jié)水效果[6]。

利用逆流式冷卻塔可為醋循環(huán)系統(tǒng)提供冷卻循環(huán)水。 由于冷卻塔運(yùn)行多年，普遍存在冷卻效率下降和耗水量大等問(wèn)題，將導(dǎo)致循環(huán)供水溫度升高、冷卻塔使用能耗增加。 此外，冷卻水在塔內(nèi)的蒸發(fā)會(huì)使得冷卻塔出口處的濕熱空氣溫度和濕度都比較高，當(dāng)冬季運(yùn)行時(shí)濕熱空氣排出塔外和冷空氣混合，易形成“羽霧”。 在“羽霧”的下風(fēng)口處的設(shè)備和居民區(qū)會(huì)受到一定程度的危害。 因此，本文結(jié)合實(shí)測(cè)環(huán)境溫度和冷卻塔參數(shù)等數(shù)據(jù)，將五期11 號(hào)冷卻塔作為熱力計(jì)算模型，使用Matlab 軟件，通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法分析了該冷卻塔關(guān)于冷卻性能下降，耗水量大以及白色羽霧的影響因素，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了新型干濕聯(lián)合冷卻塔結(jié)構(gòu)的合理性[7]。

1 塔體參數(shù)和改進(jìn)措施

五期11 號(hào)冷卻塔為方形鋼混結(jié)構(gòu)逆流式冷卻塔，其尺寸為16.2 m×16.2 m×16.2 m，單塔處理量高達(dá)3500 m3/h。 針對(duì)上述存在的問(wèn)題，本文提出一種干濕聯(lián)合的改進(jìn)措施：將冷卻塔分為干區(qū)（在原冷卻塔的塔體外部增設(shè)高效冷卻器模塊）和濕區(qū)（冷卻塔本體）。 循環(huán)水先全部進(jìn)入高效翅片橢圓管冷卻器模塊進(jìn)行預(yù)換熱處理，然后從干區(qū)出來(lái)的循環(huán)水進(jìn)入濕區(qū)換熱，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 新型干濕聯(lián)合冷卻塔示意圖

2 傳熱傳質(zhì)計(jì)算模型

2.1 熱力計(jì)算

濕空氣的飽和含濕量與濕空氣的溫度和壓力有關(guān)。 根據(jù)道爾頓定律，由分壓差為動(dòng)力的蒸發(fā)水量計(jì)算公式：

式中，d QL為蒸發(fā)損失的水量，m3/h；d F為單位時(shí)間通過(guò)水表面，m2；βP為以水蒸氣分壓力差為基準(zhǔn)的散質(zhì)系數(shù)，kg/（m2·s）；P″τ為溫度為τ時(shí)飽和水蒸氣分壓力，Pa；Pθ為溫度為θ時(shí)空氣中的水蒸氣分壓力，Pa。

上式也可以表示成以含濕量差為動(dòng)力的蒸發(fā)水量計(jì)算公式，即為：

式中，βx為以含濕量差為基準(zhǔn)的散質(zhì)系數(shù)，kg/（m2·s）；x″τ為溫度為τ時(shí)飽和空氣的含濕量，kg/kg；xθ為溫度為θ時(shí)飽和空氣的含濕量，kg/kg。

水的冷卻過(guò)程中因蒸發(fā)造成的損失即為空氣含濕量的增加，則上式可以簡(jiǎn)化為：

式中，QL為水的蒸發(fā)損失量，m3/h；ρ為濕空氣的密度，kg/m3；G為進(jìn)空氣的流量，m3/h；χ1為傳熱傳質(zhì)前的含濕量，kg/kg，χ2為傳熱傳質(zhì)后的含濕量，kg/kg。

在工程中，其蒸發(fā)損失水量公式可以與進(jìn)塔空氣溫度相對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算[8]，即：

式中，QL為蒸發(fā)損失水量；K為蒸發(fā)損失系數(shù)；Δt為冷卻塔進(jìn)出水的溫度差，℃；Qt為循環(huán)水量，m3/h。

由此，需要得到溫差和不同環(huán)境工況下的K值以及循環(huán)水量即可計(jì)算出蒸發(fā)損失水量[9]。其中溫差的計(jì)算可借助傳熱與傳質(zhì)相結(jié)合的麥克爾焓差公式[10]：

式中，βxv為塔內(nèi)與填料物性相關(guān)的容積散質(zhì)系數(shù)，kg/（m3·h）；Cp為水的比定壓熱容，取4.2 kJ/（kg·℃）；V為冷卻塔內(nèi)填料的體積，（V=16.2×16.2 ×1.25 =328.05 m3）；Q為循環(huán)水量，m3/h；t1和t2分別為進(jìn)、出塔水溫，℃；K為與外界大氣溫度相關(guān)的蒸發(fā)損失系數(shù)；h″為與水溫相應(yīng)的飽和濕空氣比焓，即h″=h″（t），kJ/kg，由公式（6）計(jì)算得：

式中的2501 k J/kg是每千克0 ℃的液態(tài)水變成0 ℃的水蒸氣所需要的汽化潛熱。 p和pv分別表示空氣壓力（k Pa）和水蒸氣分壓力（kPa）。 由公式（8）輔助計(jì)算：

式中φ為空氣相對(duì)濕度。 特別的，在計(jì)算水蒸氣分壓力的同時(shí)，借助了計(jì)算蒸汽壓的安托尼方程，其中pvb表示為飽和蒸汽壓，kPa：

由此溫差Δt即為t1-t2。 接下來(lái)，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)蒸發(fā)損失系數(shù)K和散質(zhì)系數(shù)βxv進(jìn)行計(jì)算[11]。

2.2 蒸發(fā)損失系數(shù)K值計(jì)算

部分K值如表一所示，通過(guò)拉格朗日插值公式，得到式（10） 所示的lagrange插值計(jì)算公式[12]。

表1 部分提供的K值

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

則由拉格朗日插值定理得插值計(jì)算公式：

由此，以2 ℃為間隔，補(bǔ)全數(shù)值計(jì)算所需的K值，計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 常見工況下的K值

2.3 散質(zhì)系數(shù)βxv計(jì)算

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 五期11 號(hào)冷卻塔的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)際回水量，進(jìn)出水溫差，水的比熱容，進(jìn)出塔空氣焓和電流推算出排氣風(fēng)速。 根據(jù)線性回歸方程擬合出的11 號(hào)冷卻塔風(fēng)速如下：

式中，A，B，C為擬合系數(shù)；g 為質(zhì)量風(fēng)速，kg/（h·m2）；ρ為水的密度，kg/m3；Q為回水量，m3/h；a，b為塔的寬度和長(zhǎng)度（16.2 m）；d 為排氣筒直徑（9.1 m）；Vp為擬合的排氣風(fēng)速，m/s；md為空氣密度，kg/m3。

公式中的重量風(fēng)速與一種推算的風(fēng)速相關(guān)，淋水密度和回水量相關(guān)，因此得到的擬合結(jié)果，即：

全文的熱力計(jì)算均采用上述擬合結(jié)果。

通過(guò)擬合公式，并和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，在自然對(duì)流（風(fēng)機(jī)電流小于20 A）和機(jī)械通風(fēng)（風(fēng)機(jī)電流大于20 A）情況下，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的對(duì)比，從圖2 中可以看出實(shí)際測(cè)量的排氣風(fēng)速與文中擬合推算的排氣風(fēng)速數(shù)據(jù)基本吻合。

圖2 推算與實(shí)際測(cè)量的排氣風(fēng)速關(guān)系圖

3 結(jié)果與討論

3.1 環(huán)境溫度的影響

為了探究環(huán)境干球溫度和濕度對(duì)蒸發(fā)損失水量的影響，改變了環(huán)境的大氣溫度和濕度，保持其他值不變，工況設(shè)定為風(fēng)機(jī)電流210 A，進(jìn)塔水溫34 ℃，循環(huán)水量3000 m3/h。

圖3 對(duì)比了相對(duì)濕度φ為70%、80%、90%，不同干球溫度下的冷卻塔溫降以及蒸發(fā)損失量。如圖3（a）所示，環(huán)境空氣溫度對(duì)溫降有顯著影響，隨著干球溫度降低，溫降明顯升高，冷卻塔出塔水溫大大降低。 此外，在同一大氣干球溫度下，濕度越大，溫降越小。 而從圖3（b）可以看出蒸發(fā)損失量與空氣溫度成反比關(guān)系，空氣干球溫度的越小，蒸發(fā)損失量越大。 同時(shí)，由于環(huán)境溫度升高，所以引起了出塔水溫的提高，而蒸發(fā)水損失與進(jìn)出塔水溫相關(guān)。 隨著溫差減小，蒸發(fā)系數(shù)隨環(huán)境溫度升高而升高，進(jìn)出水溫的減小對(duì)蒸發(fā)量的影響更大。 所以從整體來(lái)看，蒸發(fā)損失隨環(huán)境溫度的增加而減小，并且，低濕度氣體將大大增加冷卻塔的蒸發(fā)損失量。 值得注意的是，蒸發(fā)水損失除了以飽和的羽霧形態(tài)散失出去的，還包括部分不飽和的水汽。 因此，要兼顧溫降能力及蒸發(fā)損失量，就需要對(duì)其他因素進(jìn)一步分析。

圖3 大氣狀態(tài)與溫降和蒸發(fā)水損失的關(guān)系

3.2 循環(huán)水量的影響

根據(jù)夏冬季的外界氣溫變化，分別擬定了4種工況溫度（0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃）下的循環(huán)水量與蒸發(fā)損失水量和溫降與蒸發(fā)損失水量的關(guān)系。 從3000 m3/h 到3500 m3/h，每隔100 m3/h改變循環(huán)水量梯度，其他運(yùn)行條件與3.1 節(jié)保持一致。

從圖4（a）中，可以看出，隨著進(jìn)塔時(shí)循環(huán)水量的增加和進(jìn)出塔的溫降減小，在不同的進(jìn)風(fēng)溫度下，其結(jié)果趨勢(shì)一致。 結(jié)合公式（4），可以得出，蒸發(fā)量與進(jìn)出塔溫差和循環(huán)水量相關(guān)。 而從圖4（b）中可以得出，隨著循環(huán)水量逐漸增大，蒸發(fā)水損失增加的趨勢(shì)較為緩慢。 這表明循環(huán)水量的變化對(duì)溫降的影響較明顯，而對(duì)蒸發(fā)損失量的影響較小。 所以，根據(jù)外界的氣溫，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整循環(huán)水量，以達(dá)到降低出塔水溫和減小蒸發(fā)損失水量的目的，當(dāng)蒸發(fā)損失水量減小，換熱后的濕空氣中的含濕量減少，可以有效地避免冷卻塔的出塔口形成濃厚可見的白色“羽霧”。

3.3 噴淋溫度的影響

通過(guò)改變噴淋水溫和環(huán)境的大氣溫度，保持其他運(yùn)行條件不變，進(jìn)一步探究不同工況下噴淋水溫對(duì)溫降和蒸發(fā)損失水量的影響。

從圖5（a）中可以看出，在不同進(jìn)風(fēng)溫度下，進(jìn)塔水溫與溫降呈明顯正增長(zhǎng)的趨勢(shì)，即噴淋水溫越高，溫降也越大。 此外，無(wú)論外界氣溫怎么變化，在同一進(jìn)塔水溫下，溫降幾乎偏差不大，這是因?yàn)?，冷卻塔的冷卻性能固定且與填料的高度、結(jié)構(gòu)和填料性能有關(guān)，同時(shí)，大氣濕球溫度對(duì)溫降存在少量影響。 蒸發(fā)損失水量卻有明顯的偏差，這是因?yàn)檎舭l(fā)損失系數(shù)K值不同。 根據(jù)公式（4），在同一個(gè)進(jìn)塔循環(huán)水量下，蒸發(fā)損失水量隨著溫降的減小而減小。 計(jì)算結(jié)果如圖5（b）所示，噴淋水溫越低，蒸發(fā)損失水量也就越少。 當(dāng)環(huán)境溫度越大時(shí)，其蒸發(fā)損失水量也增大。 結(jié)合兩圖的線性規(guī)律發(fā)現(xiàn)在0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃的工況下，曲線呈現(xiàn)兩種斜率的變化。 當(dāng)噴淋溫度大于34 ℃之后，其溫降和蒸發(fā)損失水量呈快速增長(zhǎng)，但出塔水溫并未達(dá)到后續(xù)工藝所需用水溫度。 當(dāng)噴淋水溫偏低時(shí)，溫降和耗水量降低，但會(huì)增加工程上改造冷卻塔的成本。 綜合以上分析，控制進(jìn)入濕區(qū)的循環(huán)水溫為34 ℃將是節(jié)水降溫的最佳進(jìn)塔溫度點(diǎn)。

圖5 噴淋水溫與溫降和蒸發(fā)水損失的關(guān)系

4 結(jié) 論

（1）環(huán)境溫度對(duì)該冷卻塔的溫降影響顯著，主要?dú)w因于冷卻塔的冷卻性能，而由于不同環(huán)境溫度的蒸發(fā)損失系數(shù)不同，可得蒸發(fā)損失水量也不同。 環(huán)境干球溫度越低，濕度越低，則蒸發(fā)水損失越高。 由于冬季干濕球差異明顯，所以當(dāng)冬季環(huán)境溫度偏低，出口干濕球溫差明顯，從而影響到白色羽霧的濃度程度也不同。

（2）隨著進(jìn)塔的循環(huán)水量增加，溫降均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，而蒸發(fā)損失水量呈現(xiàn)微微增大的趨勢(shì)，這表明，循環(huán)水量的增加會(huì)影響冷卻塔的冷卻效果，增加冬季形成白色“羽霧”的概率。

（3）在不同的噴淋溫度下，溫降和蒸發(fā)損失水量隨著進(jìn)塔溫度的降低而降低，當(dāng)進(jìn)塔溫度大于34 ℃時(shí)，溫降和蒸發(fā)損失水量的值增長(zhǎng)速率加快，綜合改造成本和工程實(shí)際，進(jìn)入冷卻塔濕區(qū)的水溫為34 ℃時(shí)較為經(jīng)濟(jì)合理。

（4）結(jié)合冷卻塔冷卻性能和蒸發(fā)損失量，提出干濕聯(lián)合循環(huán)冷卻形式，循環(huán)水進(jìn)入干冷區(qū)預(yù)換熱，預(yù)冷后的循環(huán)水進(jìn)入濕冷區(qū)，減少蒸發(fā)損失；同時(shí)預(yù)熱后的干空氣和濕冷區(qū)的濕熱空氣混合后排入外界，大大減小冬季羽霧形成的可能性。