干湿式冷却塔研究现状及发展前景

能源研究与信息第25卷第4期EnergyResearchandInformationVol.25No.42009收稿日期：2008-06-02作者简介：沙战(1983-)，男(汉)，硕士研究生，[e-mail]文章编号:1008-8857(2009)04-0192-06干湿式冷却塔研究现状及发展前景沙战,周亚素(东华大学环境科学与工程学院,上海201620)摘要:随着我国国民经济的发展，国民经济对水的需求量以惊人的速度增长，然而我国的水资源有限，许多城市缺水。为了有效解决目前经济发展和水资源短缺的矛盾，对国民经济提出了节水的要求。工业及城市用水的循环使用，就是一个很好的办法。在整个国民经济的用水中，冷却水使用占很大比例，因此如何解决冷却水的循环使用和冷却水的循环使用效率问题就破在眉睫。传统的干式冷却塔虽然解决了水的循环使用问题，但是其往往满足不了工艺的冷却要求。湿式冷却塔能够满足工艺的冷却要求，但是其水质难以得到保障。而干湿式冷却塔既解决了水的循环使用问题和水质问题，又满足了工艺的冷却要求，是一种新型冷却设备。关键词:水资源;水循环;干湿式冷却塔中图分类号:TB657.5文献标识码:A我国水资源和能源的供应非常紧张，城市缺水、缺电现象比较严重。据统计，我国水资源约为30000亿m3[1]，总储量居世界第5位，人均水资源约2304m3⋅人-1，1984年在世界排名为88位，1996年降为109位[2]，人均拥有量只有美国的1/5，日本的1/2，世界的1/4，而且分布很不平衡[3]。我国666座城市中有333座城市缺水，108座城市严重缺水[4]。因此我国人均水资源占有量呈下降趋势，农业缺水量大，城市供水不足，地下水位严重下降。进入21世纪，随着我国经济建设的飞速发展和人口的增加，水资源和经济发展的供需矛盾将进一步加剧。建设节约型社会，构建资源节约的循环经济是我国国民经济和社会发展的总体规划[5]。水的循环使用在一定意思上讲是贯彻、执行这种战略规划的典型范例，是最直接、最简单、最易行、见效最快的节约水资源的技术路线。在节水的同时，还能取得保护水资源的效果。在城市及工业用水中，冷却水量占较大的比例。这些冷却水直接排放不仅造成热污染，还会造成较大的经济和资源浪费，所以，需要将这些冷却水循环重复利用，以提高水的有效利用率，缓解当前水资源短缺的状况。目前，我国水的循环使用率约为51.7%[6]，发达国家水的循环使用率达75%~85%[7]，美国工业用水的循环率高达92%~95%[8]。同国际水平相比，我国水的循环使用率尚不高，特别是五大高用水行业，还有进一步提高水的循环使用率的很大空间。要提高循环使用率，除国家制定一系列节水政策外，还应进一步研究节水技术的开发与推广。循环水技术第4期沙战,等:干湿式冷却塔研究现状及发展前景193空气水蒸气出口挡水板喷淋水冷却水进冷却水出进风进风循环水排水图1干湿式冷却塔结构Fig.1Schematicofthewet-drycoolingtower空气和水蒸气出口冷却水冷却水进风进风排水循环水泵就是其中之一。冷却塔是水循环使用的关键设备，深入研究冷却塔传热传质及耗水的根源，采取相应的节水技术，对扩大循环水的使用范围，降低循环水的运行成本，既有战略意义，又有可观的经济效益。1干湿式冷却塔的结构和技术特点1.1冷却塔分类目前市场上使用的冷却塔种类繁多，型号多种多样。按照不同的分类方式主要可以分为以下几种形式：(1)按通风方式分：自然通风冷却塔、机械通风冷却塔、混合通风冷却塔；(2)按热水和空气的接触方式分：湿式冷却塔、干式冷却塔、干湿式冷却塔(图1)；(3)按热水和空气的流动方向分：逆流式冷却塔、横流式冷却塔、混流式冷却塔；(4)其他形式的冷却塔：喷流式冷却塔和用转盘提水冷却的冷却塔[9]。1.2干湿式冷却塔构造干湿式冷却塔由盘管、风机、管道泵、喷嘴、排管、挡水板、填料等部分组成。有的干湿式冷却塔里面带有填料，有的没有，其结构见图1。从冷凝器、吸收器或工艺设备等出来的温度较高的冷却水，由冷却水泵加压输送到干湿式冷却塔的冷却盘管中。另一方面，利用管道泵将冷却塔底池中的水抽吸到喷淋管中，然后喷淋在冷却盘管的外表面上，吸取冷却水的热量，从而使冷却水的温度得以降低。与此同时，靠安装在挡水板上面风机的抽吸作用，使空气自下而上流经冷却盘管，这样不仅可以强化冷却盘管外表面的放热，而且还可以及时带走蒸发形成的水蒸汽，以加速水的蒸发，提高冷却效果。盘管内的冷却水以对流的形式将热量传给内表面，这部分热量再靠导热传给盘管的外表面。喷淋循环水落到盘管外表面上，利用对流和蒸发将这部分热量散到空气中去[10]。1.3干湿式冷却塔的技术特点冷却塔的作用是将挟带废热的冷却水在塔内与空气进行热交换，使废热传输给空气并散入大气。冷却塔按冷却水和空气的接触方式分有湿式冷却塔和干式冷却塔两种形式。在湿式冷却塔中，水与空气相接触，运行一段时间后，空气中的污染物如灰尘、杂物、可溶性气体以及细菌等，均可进入循环冷却水系统。随着冷却水的不断循环、蒸发，水中的营养源随之增加，促使藻类微生物迅速繁殖，不仅使工艺水水质恶化，而且还和其它杂质掺混形成粘垢，同时还会出现盐分的浓缩现象，冷却水的硬度增大，使循环设备管道腐蚀、结垢，造成换热器传热效率降低，过水断面减小，甚至使循环设备中的管道腐蚀穿孔，从而降低制冷设备的使用寿命。能源研究与信息2009年第25卷194在干式冷却塔中，冷却水在盘管内流动，避免了水与空气直接接触，管内水质较好，有效地保护了制冷设备，提高了制冷设备的工作效率，延长了制冷设备的使用寿命。但是其冷却效果较差，往往满足不了工艺的制冷要求。随着生产的发展，人们对冷却塔提出了更高的要求，干湿式冷却塔结合以上两种冷却塔的优点，同时对传统冷却塔的内部结构加以改进优化，既满足了工艺的制冷要求，又保证了管内水质的纯净。同时干湿式冷却塔用途广、对环境的适应能力强、可冷却高温水、安全防火等，在过渡季节，还可以与冷冻水系统实行切换，为建筑物实行免费供冷，节省了制冷机的运行费用。可见干湿式冷却塔在空调领域也有着广阔的应用前景[11]。湿式冷却塔中，空气与冷却水直接接触，通过接触传热和蒸发散热把水中的热量传输给空气。湿式冷却塔的热交换效率高，冷却的极限温度为空气的湿球温度。但是，水因蒸发而造成损耗，且蒸发又使循环的工艺水含盐度增加。为了稳定水质，要时常加药过滤并且及时排污，其中排污法的投资及运行费用低，因而应用广泛，其处理方法即排掉一部分含盐度较高的工艺水，依靠补充新水来降低含盐度，因此存在排污损失；飘水就是工艺水和空气直接接触时，一部分工艺水因蒸发散热而蒸发到空气中变成水蒸气，随着空气跑到外面去，这就存在飘水损失。干式冷却塔中，其空气与工艺水的热交换是通过由金属管组成的散热器表面传热完成的，将管内的水热量传输给散热器外流动的空气，故干塔没有水的蒸发损失，也无飘水损失和排污损失；但干塔的热交换效率比湿塔低，冷却的极限温度为空气的干球温度。且干塔需要大量的金属管，因此造价为同容量湿式塔的4~6倍。而干湿式冷却塔则综合了以上两种塔的优点，既避免了水的损失又提高了冷却塔换热效率，其材料造价也大大降低[12]。2干湿式冷却塔的换热过程2.1干湿式冷却塔的换热模型干湿式冷却塔内冷却水的冷却主要靠蒸发散热，冷却水在盘管内流动放热，在盘管的外表面喷淋循环水。在空气和喷淋水接触的界面上有一极薄的饱和空气层，由于饱和空气层的水蒸气分压力大于周围空气层的水蒸气分压力，在水蒸气压力差的作用下，喷淋的循环水有一部分吸取管内冷却水的热量而蒸发，使冷却水的温度得以降低。蒸发换热计算参照普通湿式塔换热计算方法，利用焓差理论采用冷却数法对其进行换热计算。现取冷却盘管的微元高度段dx来讨论热量的传递情况。为了简化问题，做以下假设：(1)空气和冷却盘管中的循环水是理想的交叉流，且流动稳定；(2)盘管表面被充分湿润，传热传质界面相同；(3)热质交换过程仅在冷却塔内进行，与壳体外无传热传质，即将闭式冷却塔的壳体看作绝热；(4)喷淋水不承担负荷，只是冷却水和空气间的传热介质[13]。根据热平衡，可以得到干湿式冷却塔的联立方程组[14]：管内流体失去的热量为()t0wtttddtKttxMc=⋅−⋅(1)喷淋水失去的热量为()()*w0Mwt=−−−⋅⋅(2)第4期沙战,等:干湿式冷却塔研究现状及发展前景195空气吸热量为()*MaddKiiixM=⋅−(3)其中，i*是喷淋水温度的函数，即()*wift=(4)由于喷淋水是循环的，所以入口处的喷淋水温度twi等于出口处的喷淋水温度twowiw0tt=(5)式中，dx为微元高度段的传热面积，m2；Mw为喷淋水的流量，kg⋅s-1；Mi为管内水体的流量，kg⋅s-1；Ma为空气的流量，kg⋅s-1；tt为管内流体的温度，℃；tw为喷淋水的温度，℃；i*为与喷淋水温度相对应的饱和湿空气的焓，kJ⋅kg-1；i为空气的焓，kJ⋅kg-1；ct为管内流体的比热，kJ⋅kg⋅℃-1；cw为喷淋水的比热，kJ⋅kg⋅℃-1；K0为从盘管内直至喷淋水的传热系数，kJ⋅m2⋅s⋅℃-1；KM为喷淋水向空气流的传热系数，kg⋅m-2⋅s-1。2.2总传热传质系数的确定盘管的整个传热过程分为四个阶段：管内被冷却水的热量首先经对流换热传给盘管的内表面，再经管壁的导热传到管壁的外表面，然后由管壁的外表面经对流换热传给管外流动的水膜，最后再从水膜经蒸发和对流换热传给空气。总的传热系数用K0表示，其表达式为[10]：oosoi00iiimf111DDtDrrKhDDDhλ⎛⎞⎛⎞⎛⎞=++++⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠(6)式中，hi为管内流体的换热系数，W⋅m-2⋅℃-1；hf为管外壁和管外冷却水之间换热系数，W⋅m-2⋅℃-1；D0为传热管外径，m；Di为传热管内径，m；Dm为对数平均直径(Do-Di)/ln(Do/Di)，m；r0为管外侧污垢系数，m2⋅℃⋅W-1；ri为管内侧污垢系数，m2⋅℃⋅W-1；λ为管材导热系数，W⋅m-1·℃-1；ts为管壁厚度，m。根据式(6)可知，干湿式冷却塔盘管的热阻主要有管内侧热阻、内侧污垢热阻、管壁热阻、外侧污垢热阻和管外侧热阻。通过实验研究，找出影响热阻大小的因素，比较各个热阻的大小，忽略数量级小的热阻，关注数量级大的热阻，进而采取适当方法降低主要热阻，提高盘管的换热效率。不仅要从微观上提高盘管的换热效率，还要从宏观上优化盘管的结构，减小盘管的制造工艺和管内冷却水温度分布对盘管换热效率的影响，这也是今后提高盘管换热效率的一个方向。3干湿式冷却塔研究现状及展望3.1干湿式冷却塔的发展、研究及存在的问题冷却塔热力特性的理论研究开始于20世纪20年代。1925年，Merkel首次用焓差法阐述了冷却塔的运行机理，并且成为人们分析冷却塔运行的理论基础[15]。Sutherland对冷却塔内的传热传质过程进行了严格的推导，舍弃了Merkel所作的假设。其计算结果与Merkel的计算结果相比，误差降低了5%~15%[16]。Jaber和Webb提出用传热单元数法对冷却塔进行研究，Braun在此基础上得出了更全面的公式[17]。我国的赵振国也提出了用一维方法作二维计算的冷却塔能源研究与信息2009年第25卷196新热力计算方法[18]。焓差热力特性方程、压差法及各种经验公式沿用至今，Merkel方程的解题方法有所改进，但是发展尚未成熟，尤其是干湿式冷却塔更是半经验的[19]。干湿式冷却塔其实就是把开式冷却塔和闭式冷却塔的优点相结合，既保证了冷却水的水质又达到了冷却负荷的要求。干湿式冷却塔在国内发展不到十年，并且由于价格高，管外因喷淋水蒸发积垢等经济、技术原因，发展一度缓慢。近两年来，生产的发展、技术要求和环境保护意识的提高以及干湿式冷却塔行业较高的利润推动了我国冷却塔行业的发展。一个明显的标志是生产厂家数量的增加及生产的专业化。加入WTO后，为了更好地参与国际竞争，和国际接轨，国家有计