噴射式冷卻塔試驗管理論文

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提要根據實驗臺上完成的噴射式冷卻塔的噴霧引射和噴霧冷卻實驗，探討了不同噴嘴排列、不同噴壓下，塔的引射誘導空氣能力以及塔在不同塔長、不同噴壓、不同的進塔空氣參數和不同的進塔水溫熱工性能，并得出了一些有意義的結論。

關鍵詞噴射式冷卻塔噴霧引射傳熱傳質噴霧冷卻

AbstractBasedonaseriesofexperiments,studiestherelationshipofairinductioncapacitywitharrangementofspraynozzlesandpressureofspraywater,theeffectsoftowerlength,pressureofspraywater,inletairpropertiesandwatertemperatureonthethermalperformanceofthetower,andgivessomeimportantconclusions.

Keywordsspraycoolingtowersprayinductionheatandmasstransferspraycooling

1概述

隨著國民經濟的迅速發展和人民生活水平的提高，工業及民用建筑的用水量急劇增加，其中用量比較大的是冷卻用水。設置冷卻塔實現冷卻水的循環使用是一項經濟有效的節水節能措施，有巨大的經濟效益和社會效益。

冷卻塔有濕式和干式兩種。在干式冷卻塔中空氣與水不直接接觸，只有熱交換，沒有質交換。而濕式冷卻塔中空氣與水直接接觸發生熱質交換，因而冷卻效果更好。在濕式冷卻塔中，過去廣泛使用的是逆流式和橫流式機械通風冷卻塔，其主要部件為通風機和淋水填料，因而這種塔噪聲高、振動大、維護管理麻煩。

70年代初，在國外出現了另一種型式的冷卻塔--噴射式冷卻塔。它的構造與窗戶工程中的用的噴水室類似，但是它不用風機作動力，也沒有淋水填料，而是靠噴射水流的誘導作用將周圍空氣吸入塔內，與噴霧水滴接觸發生熱濕交換而達到使水冷卻的目的。圖1是噴射式冷卻塔的構造原理圖。

圖1噴射式冷卻塔的構造圖

1分水器2噴管和噴嘴3出塔水管4過濾器5集水槽6收水器

由于噴射式冷卻塔沒有風機，也沒有填料，所以構造簡單，使用維護方便，噪聲和振動較小，而且它的外形與建筑物也比較協調。

最早的噴射式冷卻塔是由美國BAC公司研制出來的，目前已有12種規格的產品，冷卻水量為3.9～663m3/h。

在我國1977～1980年間也有人做過這方面工作，但研制出來的樣機沒有達到預期效果。1988～1990年間中國電子工程設計院研制了噴射式冷卻塔，并與清華大學環境系合作，對噴嘴的選型做了大量試驗工作，并且以日本產品為樣機研制出CE-1-PL型噴射式冷卻塔。在研制過程中，他們對空氣入口穩流裝置和出口的氣水分離裝置還作了改進。

然而，盡管噴射式冷卻塔的發展已有20余年歷史，但是國內外對它的機理研究得不夠，多年來對噴射式冷卻塔的改進很

少，因此有必要對這種塔型進行更深入的研究。

從1992年起清華大學熱能系和北京市節能辦公室合作，對噴射式冷卻塔開展了試驗研究和數學模擬，取得的成果對噴射式冷卻塔的改進有指導意義，本文主要介紹試驗研究工作。

2試驗用噴射塔的結構和實驗臺

為了研究噴射式冷卻塔的空氣動力性能（噴霧引射性能）和熱工性能（噴霧冷卻性能），在清華大學空調試驗室建成了一個實驗臺。該臺由試驗用噴射塔、空氣處理系統、水系統和量測儀表組成。

試驗用的噴射塔斷面尺寸可以改變，塔中噴嘴布置可能有若干方案，噴射塔長可以調整，噴射水壓、進塔空氣參數和進塔水溫都可以控制。

圖2噴嘴布置及邊界尺寸

圖3空氣處理系統

圖2是試驗用噴射塔斷面示意圖。塔共有3排噴管，每排噴管上可布置5～7個噴嘴。圖3是空氣處理系統，可將室外新風及一部分回風的混合物處理到試驗要求的參數，該系統有送風機、回風機、加濕器和加熱器。圖4是水系統原理圖，水系統則向噴射塔供應溫度一定的熱水，水溫由電加熱控制，電加熱熱量不足時還可以啟動水系統中的燃油熱水鍋爐。

圖4水系統流程圖

1噴射塔2浮子流量計3電加熱器4水泵5混水箱6燃油熱水鍋爐

試驗中使用的儀表主要有：分度值為0.1℃的玻璃水銀溫度計；通風干濕球溫度計；LZB-40型轉子流量計；QDF-2型熱球式風速儀；銅-康銅熱電偶及UJ31電位差計；Y-150型彈簧管壓力表，量程0～0.4MPa。

3試驗內容和試驗工況

3．1空氣動力試驗

為了分析影響噴射塔內誘導空氣能力的諸因素，進行了各種工況的試驗。每種試驗工況下都測出了進塔空氣量L及同一時間的噴水量Q，進而求出氣水比λ，λ=L/Q

試驗工況中下：

①噴水壓力p變化了7次，分別為0.05、0.075、0.1、0.125、0.15、0.175、0.2MPa；

②噴嘴水平方向間距S變化了4次，分別為40、50、60、70mm

③噴嘴豎向間距K變化了4次，分別為200、230、250、280mm

④邊界尺寸相應變化，距離A分別為70、90、105mm；距離B分別為125、150、175、205mm

3.2熱工性能試驗

為了尋找影響塔內水溫降的諸因素，進行了各種工況的試驗，在每種工況下都測出了進、出水溫度tw1和tw2，.求出水溫降Δt，同時測出進塔空氣的干球溫度t和濕球溫度ts。

試驗工況如下：

①進塔水溫變化3次，分別為37、40、45℃；

②進塔空氣濕球溫度ts在23～29℃之間變化；

③塔長XL變化3次，分別為1700、2060、2500mm；

④噴壓p變化5次，分別為0.05、0.075、0.1、0.125、0.15MPa；

⑤塔的邊界尺寸變化兩次，分別為A=110、60mm，B=125mm和B=125、155mm，A=90mm。

4試驗結果及分析

4．1空氣動力試驗

4．1．1噴嘴間距及邊界條件相同時，噴射塔的氣水比隨噴壓變化而變化的情況如圖5-7所示，其中邊界尺寸A保持不變。

由這些圖中可以看出兩點：一是氣水比隨噴嘴間距K及S的增大而增大；二是氣水比隨噴壓的增大而增大，達到一定值后不再變化。

雖然氣水比λ的增加將會改善冷卻效果，但是投資增加，而過大地增加噴壓還會增加能耗。另外，從圖5～7可看出，K×S由250×50（mm）增至280×60（mm）時，λ的增幅已經下降，而且噴壓p增至0.15MPa后，λ的增勢已不明顯。所以在噴射塔的設計中宜取K×S=280×60（mm），運行中宜取p=0.1～0.15MPa。

圖5氣水比與噴壓的關系

S=60mm，K=280、250、200mm

圖6氣水比與噴壓的關系

S=60mm，K=280、250、230、200mm

圖7氣水比與噴壓的關系

S=40mm，K=280、250、230、200mm

4．1．2邊界尺寸不同時，噴射塔的氣水比隨噴壓變化而變化的情況如圖8所示。圖8是在K=250mm，S=60mm，A值不變（90mm），B值變化了兩次（155、125mm）條件下得得到試驗曲線。該圖說明，當噴射塔斷面尺寸一定及噴壓相同時，邊界尺寸大者，氣水比也大。不過從圖8可見，當噴壓p由0.1變化至0.2MPa的范圍內，氣水比的增幅快慢明顯減小，亦即這時增大A或B，λ值的增加量不會很大，因為尺寸A或B過大時，噴射水流的誘導能力不起作用。所以無需加大A或B。

圖8氣水比與噴壓的關系

4．2熱工性能試驗

4．2．1水溫降隨噴壓變化而變化的情況如圖9所示。圖9同時也說明了塔長變化對水溫降的影響。

由圖可見，在塔長、進塔水溫及進塔空氣濕球溫度一定的條件下，水溫降值隨噴壓增加而略有減小，這與噴壓增加時，氣水比增大而有利于熱濕交換的結論似有矛盾。不過隨著噴壓增高、液滴速度加快，空氣與液滴接觸的時間縮短，確實可能抑制水溫降增加的趨勢，使水溫降不但不再增加，反而有減小。

圖9水溫降與噴壓的關系

4．2．2水溫降隨進塔空氣濕球溫度變化而變化的情況如圖10、11所示。

圖10水溫降與進塔空氣濕球溫度的關系

XL=2060mm，p=0.075MPa，tw1=37℃

圖11水溫降與進塔空氣濕球溫度的關系

XL=2500mm，p=0.05MPa，tw1=37℃

由圖可見，在塔長、噴壓和進塔水溫一定的條件下，水溫降隨進塔空氣濕球溫度的升高而減小。這一現象的理論解釋如

下。

由于噴射式冷卻塔為順流換熱模型，塔內熱濕變換的推動力就是液滴表面飽和空氣層的焓值與進塔空氣焓值之差，而進塔空氣的焓值主要取決于其濕球溫度。當進塔空氣濕球溫度增高時，其焓值增大，因而上述焓差就減小，塔內空氣與水熱濕交換推動力也減小，因而水溫降變小。反之水溫降就變大。

一般地說，進塔空氣的干球溫度對水溫降影響不大，但當時塔空氣干、濕球溫度接近時，即進塔空氣接近飽和狀態時，塔內水溫降也不大，這是因為在這種情況下只存在溫差散熱而不存在蒸發散熱的緣故。試驗過程中多交出現過這種情況。由此可見，噴射塔用在空氣相對濕度較小的地方比用在潮濕的地方更有利。

4．2．3塔內水溫降隨進口水溫變化而變化的情況如圖12所示。由圖可見，在塔長、噴奔和進塔濕球溫度一定的條件下，隨著進塔水溫升高，水溫降也加大。這是因為，水溫高時，水滴周圍的飽和空氣層溫度也高，因而水蒸氣分壓力也大，所以它與進塔空氣之間水蒸氣分壓力差加大，這就有利于水分蒸發及散發熱量。

圖12水溫降與進塔水溫的關系

因此，噴射式冷卻塔對冷卻高溫或中溫的熱水更有利。

4．2．4塔長對水溫降的影響從圖9及圖12中都可以看出。總的說來塔越長，水溫降越大。但是，試驗表明，塔長由2060增至2500mm時，水溫降增幅已明顯地低于塔長由1700增至2060mm時的增幅，所以塔長不宜超過2500mm。

4．2．5由于現有噴射塔的分水器（中間還有水過濾網）均位于塔體一側，無法實現模塊化組合，因此如能將分水器布置在塔頂，使分水排管變成垂直布置則可為不同容量噴射塔按標準模塊組合創造條件。為了研究該做法的可能性，將噴嘴排管改成了垂直布置并保持間距280mm，此時噴嘴的縱向間距仍保持60mm，在tw1=37℃和tw2=27℃條件下進行了熱工試驗，結果表

明，水溫降不但未減小，且略有增大，均達5℃以上。

5結論

5．1影響噴射式冷卻塔氣水比大小的主要因素是噴嘴間距和噴壓，氣水比越大，越有利于塔內空氣與水的熱濕交換，水溫降也截止大。但是，過分增大噴嘴間距及噴壓并無好處，將帶來塔尺寸的增大、初投資及能耗的增加。綜合試驗結果，建議噴射塔的K×S值取280×60（mm），噴壓取0.1～0.15MPa。

5．2塔長對噴射塔內水溫降有一定影響，塔長不夠時，空氣與水來不及進行熱濕交換，所以水溫降不大；而塔太長則水溫降增加不明顯，且初投資及占地面積都將增加。試驗表明，塔長不超過2500mm為宜。

5．3對結構尺寸一定的噴射塔而言，影響水溫降的主要因素是進塔空氣參數、進塔水溫及噴壓。當進塔水溫及噴壓一定時，進塔空氣濕球溫度越低，水溫降越大。所以，為得到足夠大的水溫降，不能將噴射塔用于室外空氣濕球溫度太高的地區。試驗表明，進塔空氣濕球溫度最好不要超過28℃，否則水溫降將達不到設計要求。

5．4試驗表明，對于結構尺寸一定的噴射塔來說，在一定范圍內，只要調節噴壓就可滿足各種負荷（冷卻水量）的變化要求，而水溫降變化仍可滿足要求。噴射塔的這一特性，使其具有較大的使用靈活性。在特殊情況下，為了減小塔的尺寸及占地面積，可以使用更高的噴壓。噴射塔的這個特性又叫"等效擴容性"。

5．5試驗表明，可以將分水器放在塔頂，以便做成模塊組合式噴射冷卻塔。