王宇彤周亞素張恒欽查小歡
1東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院
2上海良機(jī)冷卻設(shè)備有限公司
干、濕串聯(lián)運(yùn)行復(fù)合式冷卻塔最早運(yùn)用于工業(yè)[1-2],處理的冷卻水水溫較高,廣泛用于煉油、化工、動(dòng)力、冶金行業(yè),是一種具有顯著節(jié)能節(jié)水效益的換熱設(shè)備[3]。工業(yè)上使用的這種組合式冷卻塔由于處理的水溫較高,普遍沒有設(shè)置淋水填料。由于淋水填料可以增加空氣與水的換熱能力,因此,本文研究一種有淋水填料的干濕組合式冷卻塔在處理冷卻水溫度40%℃以下時(shí)的工作性能。
目前對(duì)于有淋水填料的組合式冷卻塔工作性能也有一些學(xué)者進(jìn)行了研究,山東建筑大學(xué)房大兵[4]在2012年進(jìn)行了干、濕串聯(lián)運(yùn)行組合式閉式冷卻塔的理論模擬及性能分析,得出空氣流量的增加使冷卻能力增強(qiáng),但會(huì)導(dǎo)致出口濕空氣的含濕量有所降低的結(jié)論。莊亞男[5]用實(shí)驗(yàn)方法研究串聯(lián)逆流流向時(shí)截面風(fēng)速對(duì)于復(fù)合式冷卻塔換熱性能的影響,并與閉式冷卻塔進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),得出最佳截面風(fēng)速為3.5m/s,與傳統(tǒng)閉式冷卻塔相比,復(fù)合式冷卻塔換熱性能最多可提升52%。關(guān)于冷卻水流向問題的研究,丁梟[6]在2015年理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證順流流向帶填料噴淋的閉式冷卻塔時(shí)冷卻效率優(yōu)于逆流。針對(duì)流向?qū)鋮s塔換熱性能的影響,本文通過實(shí)驗(yàn)研究順流流向時(shí)干濕串聯(lián)冷卻塔的換熱性能,并研究冷卻水流向?qū)Q熱性能的影響。
干濕串聯(lián)式冷卻塔其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示,利用人工氣候室保障環(huán)境的溫濕度,設(shè)置冷卻塔的標(biāo)準(zhǔn)工況干球溫度31.5℃、濕球溫度28℃的環(huán)境溫度。利用恒溫水箱控制冷卻水進(jìn)口溫度37℃。實(shí)驗(yàn)采取順流流向,指空氣自下而上被風(fēng)機(jī)抽出,冷卻水經(jīng)過干區(qū)翅片管后,在濕區(qū),下進(jìn)上出,與空氣流動(dòng)方向相同,即冷卻水先從上進(jìn)入干區(qū)翅片管,與翅片管外的空氣進(jìn)行換熱,然后進(jìn)入下部在噴淋水作用下的濕區(qū)光管,從最下面一層光管進(jìn)入,最上面一層光管流出,與管外水膜進(jìn)行換熱使溫度降低??諝鈴墓夤芟虏窟M(jìn)入,先經(jīng)過濕區(qū)光管及填料區(qū)吸熱蒸發(fā)再進(jìn)入干區(qū)翅片管區(qū)進(jìn)一步吸熱,同時(shí)空氣中未蒸發(fā)的水滴繼續(xù)吸熱蒸發(fā),使出口空氣溫度升高,濕度降低。逆流流向,即冷卻水先從上進(jìn)入干區(qū)翅片管,然后在濕區(qū)與順流相反,從上進(jìn)入光管,從下流出。
圖1 復(fù)合式冷卻塔模型
為使得試驗(yàn)工況持續(xù)穩(wěn)定,須對(duì)冷卻水進(jìn)口水溫進(jìn)行控制,使得進(jìn)口水溫恒定。因此該水箱采取恒溫措施,加熱方式為“U”型浸入式電熱管加熱。設(shè)定水箱溫度保持在37±0.5℃,同時(shí)根據(jù)不同的測(cè)溫要求,需要選用不同形式的溫度計(jì),溫度傳感器的精度均為0.01℃。用于不銹鋼管里流動(dòng)的水時(shí),采用內(nèi)螺旋探頭式溫度計(jì)。用于測(cè)量各進(jìn)出口空氣時(shí),采用普通懸掛式溫度計(jì)。測(cè)噴淋水溫度時(shí),采用貼壁式溫度計(jì)。由于需要測(cè)量冷卻水流量,采用國(guó)外引進(jìn)的智能電磁流量計(jì),利用TSI9565多參數(shù)通風(fēng)表獲取包括風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度等參數(shù)。
實(shí)驗(yàn)中冷卻水處理流量為2m3/h,管內(nèi)冷卻水進(jìn)口溫度設(shè)置為37℃,進(jìn)口空氣干球溫度為31.5±0.5℃,濕球溫度28±0.5℃,管外噴淋水量為3.5m3/h,為了觀察截面風(fēng)速變化對(duì)這種干濕復(fù)合式冷卻塔換熱性能的影響,實(shí)驗(yàn)中控制空氣流速范圍是1~4.5m/s。為了比較冷卻水在順流與逆流流向下性能的差別,實(shí)驗(yàn)也研究了冷卻水流向的變化對(duì)性能的影響,在翅片管的干區(qū)、噴淋水作用下濕區(qū)的溫降隨截面風(fēng)速的變化如圖2所示。
圖2 復(fù)合式冷卻塔溫降隨截面風(fēng)速變化
圖2表明,干濕串聯(lián)冷卻塔無論是順流還是逆流,其冷卻水溫降都隨著空氣截面風(fēng)速先增加后減小的現(xiàn)象。在風(fēng)速為3.5m/s時(shí),冷卻水的溫降達(dá)到最大值。濕區(qū)的溫降都大于干區(qū)的溫降,占總溫降的63.47%~77.06%。
順流流向時(shí),對(duì)于干區(qū),其溫降隨風(fēng)速增加先增加后減小。截面風(fēng)速由1m/s上升至3.5m/s時(shí),隨著截面風(fēng)速增加,管外空氣的對(duì)流換熱系數(shù)增加,從而使對(duì)流換熱量增加,在干區(qū)冷卻水的溫降由1.087℃上升至2.024℃。但風(fēng)速大于3.5m/s后,隨著風(fēng)速增加,在翅片作用下反而形成渦流,引起對(duì)流換熱減弱,從而使溫降逐漸減小。
對(duì)于濕區(qū),隨風(fēng)速增加,濕區(qū)溫降先增加后減小。順流流向,截面風(fēng)速過小時(shí),氣水比過小,蒸發(fā)量受到空氣流量小的限制,換熱較少。截面風(fēng)速由1m/s上升至3.5m/s時(shí),隨著截面風(fēng)速增加,對(duì)流換熱量增加,濕區(qū)溫降由2.193℃上升至4.087℃,但風(fēng)速大于3.5m/s后,濕區(qū)空氣與循環(huán)噴淋水進(jìn)行接觸換熱,空氣流速越大,流量越大,所能帶走的熱量越多,由于空氣流速增大使得空氣與噴淋水的接觸時(shí)間不夠充分,因此蒸發(fā)換熱不充分,故而隨著風(fēng)速增加,溫降不再增加,相反逐漸減小。綜合考慮上述因素,干濕串聯(lián)型冷卻塔存在一個(gè)最佳截面風(fēng)速即3.5m/s,使得其換熱的性能最佳。
同時(shí),改變流向,其溫降有所變化。相等運(yùn)行參數(shù)下進(jìn)行逆流流向?qū)嶒?yàn)。對(duì)比所得,截面風(fēng)速由1m/s至4.5m/s,順流流向冷卻塔溫降均大于逆流流向溫降,其中干區(qū)流向相同,其溫降基本一致。濕區(qū)順流時(shí)冷卻水與空氣流向相同,與噴淋水流向相反,其換熱更加充分,從而導(dǎo)致溫降處理量,順流流向大于逆流流向。
綜上,復(fù)合式冷卻塔在截面風(fēng)速為3.5m/s時(shí),綜合換熱效果最佳,此時(shí)上部翅片管區(qū)的干式換熱與下部光管區(qū)的濕式換熱均對(duì)復(fù)合式冷卻塔的換熱量均有重大貢獻(xiàn),順流流向時(shí)干區(qū)處理溫度達(dá)總處理溫度的37.74%,逆流時(shí)達(dá)34.06%。無論截面風(fēng)速的取值,順流流向溫降處理量均大于逆流流向溫降處理量,其中干區(qū)溫降基本一致,濕區(qū)溫降,順流流向均大于逆流流向。
圖3 復(fù)合式冷卻塔干、濕區(qū)的空氣流動(dòng)阻力隨截面風(fēng)速變化
干式換熱增加冷卻塔的換熱性能的同時(shí)也增加了能源消耗,翅片管的存在會(huì)使得空氣流動(dòng)阻力增加。圖3為復(fù)合式冷卻塔干、濕區(qū)空氣流動(dòng)阻力隨截面風(fēng)速變化圖。
由圖3可知,干、濕區(qū)空氣流動(dòng)阻力均隨風(fēng)速增加而增加,濕區(qū)的空氣流動(dòng)阻力均大于干區(qū)的空氣流動(dòng)阻力。順流流向時(shí),截面風(fēng)速由1m/s上升至4.5m/s,復(fù)合式冷卻塔干區(qū)空氣流動(dòng)阻力受到翅片管結(jié)構(gòu)的影響由1.4Pa上升至22.3Pa,濕區(qū)空氣流動(dòng)阻力是由與空氣逆向而行的噴淋水的阻擋造成,由5.2Pa上升至29.3Pa。同時(shí),受到噴淋水的影響,流向?qū)τ跐駞^(qū)空氣阻力影響并不大,對(duì)于干區(qū)空氣阻力,順流流向大于逆流。
冷卻塔水阻力僅與冷卻水流量和流程有關(guān),與空氣流量無關(guān),故水側(cè)阻力不隨截面風(fēng)速改變而改變。順流流向時(shí),水側(cè)總阻力45 kPa,干區(qū)25 kPa,占總阻力的55.56%,濕區(qū)20 kPa,占44.44%。逆流流向時(shí),水側(cè)總阻力25 kPa,其中干區(qū)14 kPa,占比56%,濕區(qū)11 kPa,占比44%。故不同冷卻水流向時(shí),干濕區(qū)冷卻水阻力占復(fù)合式冷卻塔總冷卻水阻力無明顯變化。冷卻水流向僅對(duì)總冷卻水阻力有影響,順流流向大于逆流20 kPa,占順流冷卻水阻力的44.44%。
噴淋密度指本試驗(yàn)裝置冷卻塔橫截面每1m2的噴淋水量,相比噴淋水量,噴淋密度參數(shù)更具普遍性。為了研究噴淋密度對(duì)于復(fù)合式冷卻塔的性能影響,選擇標(biāo)準(zhǔn)冷卻塔工況,進(jìn)口空氣干球溫度為31.5±0.5℃,濕球溫度28±0.5℃,設(shè)置管內(nèi)冷卻水進(jìn)口溫度為37%℃,流量為2m3/h,選取最佳截面風(fēng)速3.5m/s,噴淋密度變化范圍是8~16m3/(m2·h),進(jìn)行復(fù)合式冷卻塔冷卻水出口水溫對(duì)比以及能耗對(duì)比。圖4為截面風(fēng)速為3.5m/s,復(fù)合式冷卻塔干、濕區(qū)溫降隨噴淋密度變化。
圖4 復(fù)合式冷卻塔的溫降隨噴淋密度變化
由圖4可知,隨著噴淋密度的增加,能夠處理的冷卻水總溫降基本逐漸增加。順流流向,噴淋密度由8m3/(m2·h)上升至 14m3/(m2·h)時(shí),噴淋密度逐漸增大,空氣能夠與越來越多的噴淋水進(jìn)行熱濕交換,溫降增大,總溫降由4.733℃上升至5.942℃。干區(qū)溫降由1.893℃上升至1.924℃,噴淋密度對(duì)干區(qū)影響很小,濕區(qū)溫降由3.022℃上升至3.987℃。當(dāng)噴淋密度大于14m3/(m2·h)后,隨著噴淋密度增加,管外噴淋水膜厚度的隨之增加導(dǎo)致水膜傳熱熱阻增加,對(duì)傳熱造成不利影響,也會(huì)增加風(fēng)阻,溫降不再增加,相反逐漸減小。
同時(shí),改變流向,其溫降有所變化。相等運(yùn)行參數(shù)下進(jìn)行逆流流向?qū)嶒?yàn)。對(duì)比所得,噴淋密度由8m3/(m2·h)至16m3/(m2·h),干濕區(qū)溫降處理量及總溫降處理量,順流狀態(tài)均大于逆流狀態(tài),順流流向換熱性能優(yōu)于逆流流向6.7%~15.4%。原因是順流流向冷卻水與空氣流向一致,與噴淋水流向相反,因此換熱更加充分,換熱效果更好。
由圖5可知,干濕串聯(lián)型冷卻塔干區(qū)和濕區(qū)的空氣流動(dòng)阻力隨噴淋密度增大而增大。主要原因在于噴淋水量增大時(shí),與空氣接觸摩擦增大,導(dǎo)致冷卻塔的空氣流動(dòng)阻力隨之增大。由圖6可知,噴淋密度由8m3/(m2·h)上升至 16m3/(m2·h)時(shí),噴淋阻力由0.29MPa升至0.5MPa,噴淋水阻力隨噴淋水量增大而增大。冷卻水流向?qū)τ诓煌瑖娏芩?,阻力不發(fā)生改變。
圖5 復(fù)合式冷卻塔的空氣流動(dòng)阻力隨噴淋密度變化
圖6 復(fù)合式冷卻塔的噴淋水阻力隨噴淋密度變化
實(shí)驗(yàn)分別控制噴淋密度和截面風(fēng)速,探究換熱性能及能耗的影響因素,并做對(duì)比試驗(yàn)分析冷卻水流向?qū)τ诶鋮s塔換熱性能及能耗的影響,得出以下結(jié)論:
1)順流流向與逆流流向干濕串聯(lián)型冷卻塔的換熱性能均受截面風(fēng)速影響較大。在截面風(fēng)速1~3.5m/s范圍內(nèi),串聯(lián)型復(fù)合式冷卻塔的溫降,即其換熱性能,隨截面風(fēng)速增大而增大,干、濕區(qū)換熱效果均在截面風(fēng)速為3.5m/s時(shí)達(dá)到最佳,因此復(fù)合式冷卻塔的綜合換熱效果在截面風(fēng)速為3.5m/s時(shí)達(dá)到最佳。與逆流流向相比,最佳截面風(fēng)速一致,不同風(fēng)速下的換熱性能,順流流向均優(yōu)于逆流。
2)噴淋密度對(duì)復(fù)合式冷卻塔的干區(qū)換熱性能幾乎沒有影響。噴淋密度在 8m3/(m2·h)至 14m3/(m2·h)之間,濕區(qū)換熱隨噴淋密度的增加而增強(qiáng),在14m3/(m2·h)時(shí),復(fù)合式冷卻塔的綜合換熱效果達(dá)到最佳,為最佳噴淋密度。與逆流流向相比,最佳噴淋密度一致,不同噴淋密度下的換熱性能,順流流向均優(yōu)于逆流。
3)順流流向與逆流流向相比較:換熱性能方面,不同截面風(fēng)速與噴淋密度下,冷卻水與空氣順流流向時(shí),由于冷卻水與噴淋水方向相反,而冷卻水熱量主要在噴淋水作用下被帶走,故順流流向干濕串聯(lián)型冷卻塔換熱性能優(yōu)于逆流6.73%~15.48%。能耗方面,對(duì)于復(fù)合式冷卻塔水側(cè)阻力,順流流向較高逆流44.44%。對(duì)于空氣側(cè)阻力,順流流向時(shí)空氣阻力較高逆流8%~27%,改變噴淋密度時(shí),順流流向與逆流流向的空氣側(cè)阻力基本一致。能耗阻力與塔型管道配置關(guān)系密切,可在今后結(jié)構(gòu)優(yōu)化中進(jìn)一步改進(jìn)。優(yōu)先考慮換熱性能時(shí),干濕串聯(lián)型復(fù)合式冷卻塔建議順流運(yùn)行。
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