湿球温度与闭塔蒸发冷却能力关系的研究

湿球温度与闭塔蒸发冷却能力关系的研究
摘要：蒸发冷却技术广泛应用于冷却塔，冷却塔有开式和闭式之分。

环境湿球温度对开式冷却塔性能的影响基本是明确的，但对闭式冷却塔的性能影响尚不十分明确。

本文即以探究环境湿球温度对闭式冷却塔蒸发冷却能力的影响为研究目的，以理论模型闭塔、实际产品闭塔以及开式冷却塔为比较对象，给出了不同闭塔塔型以及同一塔型在不同管材、管径、壁厚等设计细节时环境湿球温度与被冷却水出口温度间的对应关系，并与开塔作了比较。

关键词：蒸发冷却；闭式冷却塔；湿球温度
0 前言
蒸发冷却是利用水与空气的之间的热湿交换来完成的，其主要应用场合之一是冷却塔。

冷却塔根据水与空气的接触方式分为开式冷却塔和闭式冷却塔。

当工艺水与空气直接接触进行热湿交换时，就称之为开式冷却塔；当工艺水与空气不接触，即工艺水在盘管内流动，其与空气的换热是通过其与管内壁的对流换热、管壁热传导、管外壁与管外喷淋水的对流换热、管外喷淋水与空气的对流和蒸发换热完成的，由于工艺水在工艺过程的冷却系统中封闭循环，故称之为闭式冷却塔。

冷却塔与一般换热器的最大区别是：其运行工况随环境湿球温度的变化而变化是其运行的常态。

对开式冷却塔，由于水与空气直接接触，根据焓差法，其冷却能力与环境湿球温度的关系是明确的。

文献[1]阐述了开式冷却塔的各种参数对塔性能的影响，文献[2]也研究了开塔的相关设计参数和空气参数对开塔性能的影响，文献[3]研究了开塔进出口水温对出塔空气温度的影响，文献[4][5]分别研究了环境湿球温度和空气相对湿度对蒸发损失的影响，文献[6]研究了空气质量流量对开塔冷却能力的影响。

对闭式冷却塔，文献[7]研究了喷淋水量、空气流量、湿球温度对该文所述闭塔冷却效率[7]的影响，文献[8]研究了气水比、环境湿球温度对全盘管逆流闭塔冷却温差的影响，而对于不同的闭塔塔型和同一塔型下不同设计参数，湿球温度与闭式冷却能力关系的比较，尚无相关资料或文献报道，所以本文即以探究环境湿球温度对闭式冷却塔蒸发冷却能力的影响为研究目的，以理论模型闭塔、实际产品闭塔以及开式冷却塔为比较对象，给出了不同闭塔塔型以及同一塔型在不同管材、管径、壁厚等设计细节时环境湿球温度与被冷却水出口温度间的对应关系，并与开塔作比较。

1闭式冷却塔的热力计算模型和参与比较的各塔塔型
闭式冷却塔的传热过程为热量从管内流体经过壁面传递到喷淋水中，再从喷淋水传给空气。

喷淋水向空气的传热是依靠水的蒸发传热（即潜热传热）和水与空气之间的接触传热（即显热传热）两种方式进行的。

闭式冷却塔热力计算的三个基本方程为[9]：
（1）
（2）
（3）以上各式中：（1）式代表管内流体失去的热量，（2）式代表喷淋水失去的热量为喷淋水传给空气的热量与由管内流体那里所得到的热量之差，（3）式代表空气得到的热量。

为微元高度段的传热面积；、、分别代表喷淋水的流量、管内流体的流量和干空气的流量；、分别代表管内流体的温度和喷淋水的温度；、分别代表与喷淋水温度相对应的饱和湿空气的焓和空气的焓）；、分别代表管内流体和喷淋水的比热容；代表从传热管内直至喷淋水的传热系数（以管外表面积为基准）；代表喷淋水向空气流的传质系数。

对一个全盘管的逆流闭塔，如图1，依据上述方程和的边界条件，可以设计出各种工况条件下符合冷却能力要求的一系列闭塔，本文称之为理论模型塔。

表1给出了以环境湿球温度为27℃、空气干球温度为33℃、进水温度为37℃、出水温度为32℃、管内水流量为100m3/h、大气压力为99.4kPa 时采用不同管材、不同管径、不同壁厚的四个相同冷却能力的理论模型塔（塔一、塔二、塔三、塔四），四个塔的水平管间距均为0.046m，垂直管间距均为
0.0398m ，截面风速均为2.3m/s ；与其对比的逆流开塔 （塔五）如图2，也是在
相同设计参数下与闭塔有相同的冷却能力。

图1 理论模型塔结构图 图2 逆流开式冷却塔结构图
表1 塔形说明表
从以上设计计算可知，闭塔的换热模型有两个过程，一是管内流体被管
外喷淋水冷却，换热驱动力为温差，管的作用为间壁式换热器；二是喷淋水与空
气换热，换热 驱动力为空气中水蒸汽的分压差，管外壁的作用相当于开塔的填
料。

需要多少管数，取决于管表面上所形成的喷淋水膜向空气的散热与同一面积
下管内流体向管外喷 淋水传热之间的热量平衡。

对被冷却的流体是水来说，当
管内流态为旺盛湍流（Re>104）时,管内侧换热的界膜导热系数很大，换热的瓶
颈主要在管外 侧水气的热质交换上，故全盘管塔型的管数不少为管外侧水膜的
蒸发面积所需。

如用填料部分替代这些管面积，即在喷淋水循环过程中加入一个
喷淋水在填料中的预 冷却过程，可使所需管数大为减少，从而有效地节省了塔
的成本，突破了闭塔价格居高不下的局面，在系统的综合技术经济性上增强了闭
塔相对于开塔的优势。

因此，闭塔除图1这种塔型外，还有盘管与填料叠合的各种塔型，并根据喷淋水与空气的流向不同，也有逆流、横流和混合流等多种形式。

图3即为韩国京仁闭式冷却塔结构图，系横流有填料预冷却形式，其性能数据在其公开的网站上可以录取，本文作为比较的塔型之一，称之为京仁塔型；图4为一逆流型有填料预冷却的闭式冷却塔结构图，我们有部分实测数据，该塔在本文中称之为实验塔，可用理论模型塔在实验工况下与其比较。

图3 京仁闭式冷却塔结构图图4 实验塔结构图
2 环境湿球温度对出塔水温的影响
冷却塔的设计中，进塔水温与出塔水温之差称为冷却温差，出塔水温与环境湿球温度之差称为逼近度（或称为冷幅），逼近度的高低对冷却塔的性能具有重要影响。

图5显示了在相同进塔水温和不同湿球温度下，理论模型塔的塔一至塔四的出塔水温的变化规律，并与开塔（塔五）相比较。

从图中可以看出，所有的塔，随着逼近度的增大，冷却温差随之增大，但就变化规律，闭塔和开塔并不一致。

至于该闭塔塔型的冷却温差比开塔还大，与闭塔风系统和淋水系统相对管内被冷却水系统独立有关。

在较低环境湿球温度时，由于喷淋水的进口温度与环境湿球温度之差小于相应开塔进口水温与环境湿球温度之差，喷淋水能达到更低的逼近度，所以管内水也可能达到更低的逼近度。

另外，表1所列四个闭塔的设计差异，对环境湿球温度与闭塔性能关系并不敏感，源于其为同一塔型。

图6是理论模型塔的塔一和京仁塔及开塔进行比较，这是不同塔型间的比较。

从图中可以看出，京仁塔型由于有填料预冷却，反而与开塔更接近，并且随着湿球温度的降低，该塔型的温差比开塔要小。

显然理论模型塔的塔一与京仁塔有明显的差别。

由于实验条件限制，难以复现设定工况，因此图7是以实验塔的实验工
况为基础，将与实验塔相同设计能力的理论模型塔、京仁塔和开塔倒过来复现以
上相同的实验工况（即同一台塔的变工况），其实验工况见表2。

图5 开塔和各理论模型闭塔的出塔水温 随环境湿球温度变化的曲线
图6 开塔和两种闭塔塔型对应的出塔
水温随环境湿球温度变化的曲线
图7 四种塔在实验工况下的比较
此四种塔型设计工况的湿球温度为28℃、进塔水温为37℃、出塔水温
为32℃、循环水量为27.2m3/h。

从图7中看到，四种塔型的环境湿球温度和进塔水温越接近设计工况，出塔水温的相差就越小，实验工况水流量的大小在一定范围内时对四种塔型出塔水温差影响不大。

四种塔型出塔水温有差别的原因主要并不是实验工况流量的大小导致的，而可能是由于环境湿球温度和进塔水温不同于设计工况而产生的。

3 结论
1）与开塔不同，闭塔的塔型和设计参数均影响环境湿球温度与蒸发冷却能力的关系。

2）环境湿球温度对闭式冷却塔的出塔水温影响显著，在相同进塔水温下，出塔水温随着环境湿球温度的升高而稳定升高。

对全盘管逆流形式的闭式冷却塔，管材、管径、壁厚等设计参数对环境湿球温度与冷却能力的关系有影响但不明显。

3）相同设计冷却能力的几种不同闭塔塔型，其运行工况越接近设计工况，相应的实际冷却能力越接近。

相同设计冷却能力的开塔和闭塔随着逼近度的增大，冷却温差随之增大，但就变化规律，闭塔和开塔并不一致，各闭塔间也不一致。