Experimental study on spray cooling towers

1 概述 　　随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的提高，工业及民用建筑的用水量急剧增加，其中用量比较大的是冷却用水。设置冷却塔实现冷却水的循环使用是一项经济有效的节水节能措施，有巨大的经济效益和社会效益。 　　冷却塔有湿式和干式两种。在干式冷却塔中空气与水不直接接触，只有热交换，没有质交换。而湿式冷却塔中空气与水直接接触发生热质交换，因而冷却效果更好。在湿式冷却塔中，过去广泛使用的是逆流式和横流式机械通风冷却塔，其主要部件为通风机和淋水填料，因而这种塔噪声高、振动大、维护管理麻烦。 　　70年代初，在国外出现了另一种型式的冷却塔--喷射式冷却塔。它的构造与窗户工程中的用的喷水室类似，但是它不用风机作动力，也没有淋水填料，而是靠喷射水流的诱导作用将周围空气吸入塔内，与喷雾水滴接触发生热湿交换而达到使水冷却的目的。图1是喷射式冷却塔的构造原理图。 　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1　喷射式冷却塔的构造图 　　　　　　　　1 分水器　2　喷管和喷嘴　　3　出塔水管　　4　过滤器　　5　集水槽　　6　收水器 　　由于喷射式冷却塔没有风机，也没有填料，所以构造简单，使用维护方便，噪声和振动较小，而且它的外形与建筑物也比较协调。 　　最早的喷射式冷却塔是由美国BAC公司研制出来的，目前已有12种规格的产品，冷却水量为3.9～663m3/h。 　　在我国1977～1980年间也有人做过这方面工作，但研制出来的样机没有达到预期效果。1988～1990年间中国电子工程设计院研制了喷射式冷却塔，并与清华大学环境系合作，对喷嘴的选型做了大量试验工作，并且以日本产品为样机研制出CE-1-PL型喷射式冷却塔。在研制过程中，他们对空气入口稳流装置和出口的气水分离装置还作了改进。 　　然而，尽管喷射式冷却塔的发展已有20余年历史，但是国内外对它的机理研究得不够，多年来对喷射式冷却塔的改进很 少，因此有必要对这种塔型进行更深入的研究。 　　从1992年起清华大学热能系和北京市节能办公室合作，对喷射式冷却塔开展了试验研究和数学模拟，取得的成果对喷射式冷却塔的改进有指导意义，本文主要介绍试验研究工作。 2 试验用喷射塔的结构和实验台 　　为了研究喷射式冷却塔的空气动力性能（喷雾引射性能）和热工性能（喷雾冷却性能），在清华大学空调试验室建成了一个实验台。该台由试验用喷射塔、空气处理系统、水系统和量测仪表组成。 　　试验用的喷射塔断面尺寸可以改变，塔中喷嘴布置可能有若干方案，喷射塔长可以调整，喷射水压、进塔空气参数和进塔水温都可以控制。 图2　喷嘴布置及边界尺寸 图3　空气处理系统 　　图2是试验用喷射塔断面示意图。塔共有3排喷管，每排喷管上可布置5～7个喷嘴。图3是空气处理系统，可将室外新风及一部分回风的混合物处理到试验要求的参数，该系统有送风机、回风机、加湿器和加热器。图4是水系统原理图，水系统则向喷射塔供应温度一定的热水，水温由电加热控制，电加热热量不足时还可以启动水系统中的燃油热水锅炉。 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4　水系统流程图 　　　　　　　1 喷射塔　　2 浮子流量计　　3 电加热器　　4 水泵　　5 混水箱　　6 燃油热水锅炉 　　试验中使用的仪表主要有：分度值为0.1℃的玻璃水银温度计；通风干湿球温度计；LZB-40型转子流量计；QDF-2型热球式风速仪；铜-康铜热电偶及UJ31电位差计；Y-150型弹簧管压力表，量程0～0.4MPa。 3 试验内容和试验工况 　　3．1 空气动力试验 　　为了分析影响喷射塔内诱导空气能力的诸因素，进行了各种工况的试验。每种试验工况下都测出了进塔空气量L及同一时间的喷水量Q，进而求出气水比λ，λ=L/Q 　　试验工况中下： 　　①喷水压力p变化了7次，分别为0.05、0.075、0.1、0.125、0.15、0.175、0.2MPa； 　　②喷嘴水平方向间距S变化了4次，分别为40、50、60、70mm 　　③喷嘴竖向间距K变化了4次，分别为200、230、250、280mm 　　④边界尺寸相应变化，距离A分别为70、90、105mm；距离B分别为125、150、175、205mm 　　3.2 热工性能试验 　　为了寻找影响塔内水温降的诸因素，进行了各种工况的试验，在每种工况下都测出了进、出水温度tw1和tw2，.求出水温降Δt，同时测出进塔空气的干球温度t和湿球温度ts。 　　试验工况如下： 　　①进塔水温变化3次，分别为37、40、45℃； 　　②进塔空气湿球温度ts在23～29℃之间变化； 　　③塔长XL变化3次，分别为1700、2060、2500mm； 　　④喷压p变化5次，分别为0.05、0.075、0.1、0.125、0.15MPa； 　　⑤塔的边界尺寸变化两次，分别为A=110、60mm，B=125mm 和B=125、155mm，A=90mm。

4 试验结果及分析

　　4．1 空气动力试验

　　4．1．1 喷嘴间距及边界条件相同时，喷射塔的气水比随喷压变化而变化的情况如图5-7所示，其中边界尺寸A保持不变。
　　由这些图中可以看出两点：一是气水比随喷嘴间距K及S的增大而增大；二是气水比随喷压的增大而增大，达到一定值后不再变化。
　　虽然气水比λ的增加将会改善冷却效果，但是投资增加，而过大地增加喷压还会增加能耗。另外，从图5～7可看出，K×S由250×50（mm）增至280×60（mm）时，λ的增幅已经下降，而且喷压p增至0.15MPa后，λ的增势已不明显。所以在喷射塔的设计中宜取K×S=280×60（mm），运行中宜取p=0.1～0.15MPa。

图5　气水比与喷压的关系 S=60mm，K=280、250、200mm

图6　气水比与喷压的关系 S=60mm，K=280、250、230、200mm

图7　气水比与喷压的关系 S=40mm，K=280、250、230、200mm

　　4．1．2 边界尺寸不同时，喷射塔的气水比随喷压变化而变化的情况如图8所示。图8是在K=250mm，S=60mm，A值不变（90mm），B值变化了两次（155、125 mm）条件下得得到试验曲线。该图说明，当喷射塔断面尺寸一定及喷压相同时，边界尺寸大者，气水比也大。不过从图8可见，当喷压p由0.1变化至0.2MPa的范围内，气水比的增幅快慢明显减小，亦即这时增大A或B，λ值的增加量不会很大，因为尺寸A或B过大时，喷射水流的诱导能力不起作用。所以无需加大A或B。

　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图8　气水比与喷压的关系

　　4．2 热工性能试验

　　4．2．1 水温降随喷压变化而变化的情况如图9所示。图9同时也说明了塔长变化对水温降的影响。
　　由图可见，在塔长、进塔水温及进塔空气湿球温度一定的条件下，水温降值随喷压增加而略有减小，这与喷压增加时，气水比增大而有利于热湿交换的结论似有矛盾。不过随着喷压增高、液滴速度加快，空气与液滴接触的时间缩短，确实可能抑制水温降增加的趋势，使水温降不但不再增加，反而有减小。
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图9　水温降与喷压的关系

　　4．2．2 水温降随进塔空气湿球温度变化而变化的情况如图10、11所示。

图10 水温降与进塔空气湿球温度的关系 XL=2060mm，p=0.075MPa，tw1=37℃

图11 水温降与进塔空气湿球温度的关系 XL=2500mm，p=0.05MPa，tw1=37℃

　　由图可见，在塔长、喷压和进塔水温一定的条件下，水温降随进塔空气湿球温度的升高而减小。这一现象的理论解释如
下。
　　由于喷射式冷却塔为顺流换热模型，塔内热湿变换的推动力就是液滴表面饱和空气层的焓值与进塔空气焓值之差，而进塔空气的焓值主要取决于其湿球温度。当进塔空气湿球温度增高时，其焓值增大，因而上述焓差就减小，塔内空气与水热湿交换推动力也减小，因而水温降变小。反之水温降就变大。
　　一般地说，进塔空气的干球温度对水温降影响不大，但当时塔空气干、湿球温度接近时，即进塔空气接近饱和状态时，塔内水温降也不大，这是因为在这种情况下只存在温差散热而不存在蒸发散热的缘故。试验过程中多交出现过这种情况。由此可见，喷射塔用在空气相对湿度较小的地方比用在潮湿的地方更有利。

　　4．2．3 塔内水温降随进口水温变化而变化的情况如图12所示。由图可见，在塔长、喷奔和进塔湿球温度一定的条件下，随着进塔水温升高，水温降也加大。这是因为，水温高时，水滴周围的饱和空气层温度也高，因而水蒸气分压力也大，所以它与进塔空气之间水蒸气分压力差加大，这就有利于水分蒸发及散发热量。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图12　水温降与进塔水温的关系

　　因此，喷射式冷却塔对冷却高温或中温的热水更有利。

　　4．2．4 塔长对水温降的影响从图9及图12中都可以看出。总的说来塔越长，水温降越大。但是，试验表明，塔长由2060增至2500mm时，水温降增幅已明显地低于塔长由1700增至2060mm时的增幅，所以塔长不宜超过2500mm。

　　4．2．5 由于现有喷射塔的分水器（中间还有水过滤网）均位于塔体一侧，无法实现模块化组合，因此如能将分水器布置在塔顶，使分水排管变成垂直布置则可为不同容量喷射塔按标准模块组合创造条件。为了研究该做法的可能性，将喷嘴排管改成了垂直布置并保持间距280mm，此时喷嘴的纵向间距仍保持60mm，在t_w1=37℃和t_w2=27℃条件下进行了热工试验，结果表
明，水温降不但未减小，且略有增大，均达5℃以上。

5 结论

　　5．1 影响喷射式冷却塔气水比大小的主要因素是喷嘴间距和喷压，气水比越大，越有利于塔内空气与水的热湿交换，水温降也截止大。但是，过分增大喷嘴间距及喷压并无好处，将带来塔尺寸的增大、初投资及能耗的增加。综合试验结果，建议喷射塔的K×S值取280×60（mm），喷压取0.1～0.15MPa。

　　5．2 塔长对喷射塔内水温降有一定影响，塔长不够时，空气与水来不及进行热湿交换，所以水温降不大；而塔太长则水温降增加不明显，且初投资及占地面积都将增加。试验表明，塔长不超过2500mm为宜。

　　5．3 对结构尺寸一定的喷射塔而言，影响水温降的主要因素是进塔空气参数、进塔水温及喷压。当进塔水温及喷压一定时，进塔空气湿球温度越低，水温降越大。所以，为得到足够大的水温降，不能将喷射塔用于室外空气湿球温度太高的地区。试验表明，进塔空气湿球温度最好不要超过28℃，否则水温降将达不到设计要求。

　　5．4 试验表明，对于结构尺寸一定的喷射塔来说，在一定范围内，只要调节喷压就可满足各种负荷（冷却水量）的变化要求，而水温降变化仍可满足要求。喷射塔的这一特性，使其具有较大的使用灵活性。在特殊情况下，为了减小塔的尺寸及占地面积，可以使用更高的喷压。喷射塔的这个特性又叫"等效扩容性"。

　　5．5 试验表明，可以将分水器放在塔顶，以便做成模块组合式喷射冷却塔。