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1、冷却塔用于过渡季节供冷的性能研究 上海核工程研究设计院 叶剑云 曹熔泉 摘 要 对过渡季节某冷却塔进行变工况实验研究， 得到传质单元数关于水气质量流量比的关联式，由此得到的计算出水温度与验证实验相对误差在5%以内。在此基础上，理论计算出冷却塔的供冷性能， 结果表明： 在进出水温度分别为 21 和 16 ， 环境湿球温度为 12 时，该冷却塔可提供夏季设计排热 44%的冷量，过渡季节利用冷却塔直接供冷具有可行性。 关键词：冷却塔；节能；过渡季节；传热传质 1 引言引言 随着人类生活水平的提高，空调的使用越来越广泛，能源与环境问题日益突出。同时商业的发展也促使建筑形式向着多元化发展， 具有内外分区
2、的商场、 写字楼等大型公共建筑和内热源较大的建筑日益增多。大部分这种形式的建筑在过渡季节甚至冬季，仍然需要供冷。 如果能够利用过渡季节或者冬季的室外低温低湿环境，直接提供空调房间所需要的冷量，则可以减少空调系统压缩机的运行时间，降低运行成本。如果直接将室外的低温低湿的空气引入室内排除室内的余热余湿， 则需要的送风量较大。 而采用室外新风和冷却塔提供低温冷水相结合的供冷方式，则风机循环风量较小，而且有助于提高系统供冷能力。这样就减少了压缩机的运行时间甚至不需要开启压缩机， 从而在现有传统空调系统的基础之上加以少量的改进，以达到节能的目的。 在过渡季节或者冬季， 利用冷却塔给空调房间提供免费冷量受
3、到国内外不少学者的关注1-3，与辐射供冷等空调末端相结合可大大降低运行费用。华南理工大学朱冬升4探讨了过渡季节闭式冷却塔直接供冷的工况点确定问题， 并对其节能性进行了分析。 也有相当多的学者在冷却塔的传热传质特性方面做了大量的工作5-7。 本文对良机 LBCM-30 型冷却塔进行了变工况实验研究，拟合传质单元数的关联式，以模拟分析不同工况下冷却塔的供冷特性，为冷却塔用于过渡季节直接供冷提供参考依据。 2 逆流冷却塔传热传质数学模型逆流冷却塔传热传质数学模型 空气侧水侧,;w iw iMt,;aa ia iGh,;w owMt;aah;wwMt aadaahdhwwMdMwwtdt,;aaaGh
4、dVV图 2-1 逆流冷却塔物理模型示意图 Fig.2-1 Schematic of physical model for counter-flow cooling tower 在逆流冷却塔中， 冷却水从冷却塔顶部的喷水管喷出， 在重力作用下均匀分布在波纹薄膜式填料上，与自下向上流动的空气直接接触，发生热量、质量的传递。图 1 为逆流冷却塔传热传质物理模型的示意图，对该传热传质过程进行如下假设： 1) 忽略空气、水流动方向的热质扩散，只考虑其垂直于流动方向的传热、传质； 2) 假设该热质交换过程 Lewis 关系式成立； 3) 填料表面完全浸润，与有效传热传质面积一致； 4) 热质交换过程为稳
5、态绝热过程，不计水分损失； 5) 微元体 dV 内，空气和水的热物理状态均一； 对于稳态过程，由控制容积 dV 中质量守恒和能量守恒定律可得以下微分方程， aawG ddM（2.1） ,aap wwwG dhcd Mt（2.2） 其中，Ga、Mw分别为微元体内干空气和水的质量流量，kg/s；a为空气的含湿量，kg kg-1；ha为空气的焓，J kg-1；cp, w为水的定压比热容，J kg-1 -1；tw为水温，。 而对基本的传热、传质控制方程引入 Lewis 关系式及传质单元数 NTU，有， ,aw satadhhhdNTU（2.3） ,aw sataddNTU（2.4） 其中，NTU=hD
6、V V/Ga，V为填料比表面积，m2 m-3；hw, sat为与水热质平衡的饱和空气的焓，J kg-1；w, sat为与水热质平衡的饱和空气的含湿量，kg kg-1。 对由（2.1）（2.4）式构成的微分方程组进行离散化，若已知冷却塔进口空气干、湿球温度 tdb, i和 twb, i、空气流量 Ga、进口水温 tw, i、进水流量 Mw, i以及 NTU 数，经过假设冷却塔出口空气湿球温度 twb, o，则可迭代计算得到出口空气干球温度 tdb, o、含湿量 a, o，及出水温度 tw, o、出水流量 Mw, o；同样，可以由实验测得的数据点，反推出该运行工况下冷却塔所能够达到的 NTU 数。
7、 目前， 包含有冷却塔结构特性的通用传热传质关联式尚未见报导， 典型的则是建立传质单元数与水、空气质量流量比，即水气比之间的关系7, 8， ,bw iaMNTUaG（2.5） 3 冷却塔实验测试系统介绍冷却塔实验测试系统介绍 图 3-1 为实验系统测试原理图，整个系统由制冷机 A、B、C、冷却水环路与测试线路组成。 实验利用制冷机启动制冷模式向冷却水环路排热来模拟冷负荷， 并通过改变制冷机 A、B、C 启动台数来调节负荷大小，通过调节冷却塔供回水旁通阀调节水流量，以实现冷却塔在不同进水工况进行实验测定。 数据采集仪超声波流量计冷却塔冷却水泵旁通阀温度信号采集流量信号采集冷却水环路制 冷 机 A
8、制 冷 机 B制 冷 机 C空气图 3-1 实验测试系统原理图 Fig.3-1 Principle schematic of testing system 实验冷却塔本体为测试主要对象， 主要测量参数有冷却塔底部入口空气的干、 湿球温度，上部出口空气的干、湿球温度，冷却水流量以及进、出口的温度。空气流量难以准确测量，结合样本风量数据及冷却塔高度尺寸可知， 空气在冷却塔内逗留时间很短， 假设传热传质过程绝热，采用热平衡法计算空气流量，并与样本数据相校核。图中所示虚线部分为温度测试线路，采用铠装铂电阻进行测定（实验测温范围内误差为 0.15 ）；水流量的测点布置在冷却塔供水管路，以点划线表示。 本
9、文对良机LBCM-30型冷却塔在过渡季节进行了6组实验， 进水温度在10.7419.28 区间变化，环境干球温度变化范围为 11.5820.82 ，湿球温度在 7.3916.18 范围内，水流量分别为 9.5、12、15.4、18.8、20.5、29 m3h-1，实验结果作为冷却塔传热传质关联式的拟合依据。图 3-2 为由实验数据得到的传质单元数 NTU 关于水气比 Mw，i /Ga的最小二乘法拟合曲线。根据拟合结果，a=1.10638，b=0.32969，相关度为 0.9877，指数 b 在文献8所述范围-0.10.65 之内，稍稍偏离平均值 0.350.45。因此，该冷却塔传质单元数可表达
10、为 0.32969,1.10638w iaMNTUG（3.1） 或者冷却塔特性数9， 0.67031,1.10638w iDVw iaMhVNMG（3.2） 0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.00.60.81.01.21.4实验数据 拟合曲线传质单元数 NTU 水气质量流量比 Mw, i / GaEquation: y = a*xbR2 = 0.9877 a 1.10638 0.00917 b 0.32969 0.0153图 3-2 基于实验数据的 NTU 拟合曲线 Fig.3-2 Fitting curve for NTU based on experimental
11、data 使用关联式（3.1）或者（3.2），结合上述计算方法，可得到不同工况下冷却塔的理论计算出水温度 tw, o*。考虑出口水温对制冷量的影响，定义理论计算结果与实验测量结果相对误差r为 * ,100%w ow o r w iw ott tt（3.3） 式中，tw, i、tw, o分别为冷却塔实验进、出口水温，。图 3-3 为其他工况下，验证实验进出口水温差实验数据与理论计算值的比较，结果表明其相对误差在5%以内。 01234560123456-5%关联式计算温差 tw,i - tw,o* / 实验温差 tw,itw,o / +5%图 3-3 关联式计算供回水温差与验证实验结果比较 Fig
12、.3-3 Comparison of water temp. difference between relation formula and experimental data 4 理论模拟结果分析理论模拟结果分析 根据冷却塔特性数关联式，可以模拟得出不同环境及进口工况下，冷却塔的出口参数，冷却塔的制冷量等性能。其中，进水温度、水气比以及环境湿球温度等运行参数是影响冷却塔供冷性能的主要因素。 分析冷却塔供冷性能的影响因素， 可为冷却塔直接供冷系统的设计与优化提供依据。 4.1 进水温度对冷却塔供冷性能的影响进水温度对冷却塔供冷性能的影响 121416182012.012.513.013.514
13、.014.515.015.516.016.512141618200246810ttw, otw, i - tw, otdb,i = 15 twb,i = 12 Ga = 6.6 kg/sMw,i = 5.56 kg/s进口水温 tw, i / 出口水温 tw, o / 供回水温差 tw, i - w, o / 图 4-1 冷却塔供冷性能随进水温度变化曲线 Fig.4-1 Cooling capacity of cooling tower vs. inlet water temperature 图 4-1 为风量为 6.6 kgs-1、水量为 5.56 kgs-1以及环境干、湿球温度分别为 15
14、 和12 下，冷却塔出水温度 tw, o和供回水温差 tw, i - tw, o随冷却塔进水温度变化的模拟结果。由图可知，随着进水温度的升高，进水温度与环境湿球温度差增大，冷却塔的出水温度以及供回水温差 （或者制冷量） 近似成线性增加。 供水温度为 15.5 时， 供回水温差为 1.44 ；供水温度增加至 19 时，温差为 2.98 ，制冷量翻倍，但是出口冷水温度升高，冷量的品位下降，体现了冷量品位和数量之间的转化与平衡。因而，冷却塔用于过渡季节供冷，如与高温冷水空调末端结合，其供冷能力越强。 4.2 水气比对冷却塔供冷性能的影响水气比对冷却塔供冷性能的影响 0.00.51.01.52.02.
15、51020304050607080水气质量流量比 Mw,i /Ga制冷量 Q / kWtw,i = 17 tdb,i = 15 twb,i = 12 Mw,i = 4.17 kg/s图 4-2 冷却塔制冷量关于水气比变化的模拟曲线 Fig.4-2 Cooling capacity of cooling tower vs. water-air ratio 水气比是冷却塔特性数关联式的主要组成，是冷却塔供冷性能的重要因素。图 4-2 给出了环境干、湿球温度分别为 15 和 12 ，进水温度 17 ，水流量 4.17 kgs-1条件下，冷却塔制冷量随水气比变化的模拟曲线。由图可知，随着水气比增大，冷却塔的出水温度升高，制冷量减小。然而当水气比增加至 1.25 之后，冷却塔出水温度的升高幅度以及制冷量的降低速度开始明显变慢。可见，在水气比小于 1.25 的区间内增大风量，能有效地提高冷却塔的供冷能力，但需要考虑系统运行能耗。 4.3 不同环境湿球温度下冷却数与冷却塔特性数的匹配不同环境湿球温度下冷却数与冷却塔特性数的匹配 对于冷却塔用于直接供冷， 若能在高湿球温度下运行， 则可以更大程度地减少压缩机运行时间，节省能耗。讨论环境湿球温度对冷却塔供冷的影响，有助于探讨冷却塔用于过渡季节供冷的最佳启动环境条件。所谓冷却数，即是在一定运行工况下，水温从进水温度降低至要求的出水温度的特
