冷却塔淋水填料性能的理论和试验研究

3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.24MB 79 页 15积分

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第一章绪论

§1.1 课题研究背景

§1.1.1 水冷却应用背景

我国是一个水资源比较贫乏的国家，淡水资源总量为 28000 亿立方米，占全

球水资源的 6%，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，名列世界第四位。但是，我国的

人均水资源量只有 2300 立方米，仅为世界平均水平的 1/4，是全球人均水资源最

贫乏的国家之一[1]。然而，我国又是世界上用水量最多的国家。1949 年后，全国

的用水结构发生了变化，农业用水比例逐步下降，工业、城镇生活用水比例逐步

提高。调查发现，工业用水中最主要是冷却用水。例如，某些大型和特大型石化

企业的用水量都在 100000m3/h 以上，年用水量达 800000000m3，若冷却水不循环

利用，相当一个千万人口的大城市的生活用水量。但这些企业利用循环水冷却，

年取水量降低为 0.75 亿m3（循环使用率以 95%计）[2]。另外，高效的循环水冷却

技术能够带来巨大的经济和社会效益，可使电厂发电量增加（循环水温每下降 1℃，

机组效率提高 0.4％[3]），冷冻空调机组效率提高，耗电减少等。冷却塔作为最有效

的冷却循环水的设备，让带走废热的冷却水在塔内与空气进行热交换，使废热传

给空气的同时，降低冷却水的温度。截止到 1988 年底，全国就有大中小型冷却塔

24000 多座，冷却塔风机配套电机总装机容量达 120000 千瓦，年用电量 2.3 亿度

以上。

§1.1.2 水冷却技术背景

水冷却技术可以追溯到古代，那时水资源丰富，冷却水使用之后就直接排放

到江河湖泊中[4]。后来，出现了用较大的蓄水池或沟渠来容纳、冷却、再循环或排

放工艺冷却水的方法，一般占地面积很大。为了减少占地面积并提高冷却效率，

出现了在蓄水池中装设喷雾系统的冷却方法，这个就是现代冷却塔的雏形。世界

上第一座简单的自然通风冷却塔于 1912 年诞生在荷兰。随后，1920 年第一座锥形

混凝土冷却塔出现在法国。第一座双曲线冷却塔于 1938 年在德国建成。随着对机

械力学及流体动力学更完善的理解，人们在设计中又引入了淋水填料，以减慢水

滴的重力沉降速度，并提供更大的水－空气接触面积，此时的冷却塔结构基本成

形。近代世界能源危机使冷却塔的发展从机械通风塔转向自然塔，而自然塔从小

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冷却塔淋水填料性能的理论和实验研究

型转向更高更大型。与此同时，通风筒和风机联合使用的混合式冷却塔应运而生。

工业塔得到长足发展的同时，由于不断增长的新型工业及空调的需要，小型机械

通风塔也大量发展起来。

目前，冷却塔技术的研究一般侧重在对冷却塔性能和效率的提高方面。从设

计角度来看，主要是改善塔内的空气和淋水分布、设计更为高效的淋水填料和喷

淋部件、采用新型的耐腐蚀材料等等。

值得一提的是，近年来出现的一种冷却塔供冷技术。该技术是在常规空调水

系统上增设部分管路设备，在室外温度低于一定值后，关闭制冷机组，用冷却塔

直接供冷。该项技术因其显著的经济效益受到广泛关注[4,5]。

§1.2 课题来源及意义

§1.2.1 课题来源

本课题来源于上海金日冷却设备有限公司 KF1200 型冷却塔淋水填料性能研

究课题。课题研究的主要手段为理论分析计算和多工况交错实验研究。本人自 2007

年1月至 2008 年1月，在城建学院老师们和金日冷却设备有限公司工程师们的指

导下顺利地完成了淋水填料性能研究模拟塔的设计、搭建、调试和实验。

淋水填料性能研究模拟实验塔系统与 HVAC 人工环境实验系统相结合，能够

准确地模拟各种空气和冷却水工况，可对影响淋水填料性能的多个因素完成多组

实验。通过监测冷却塔进塔空气的干、湿球温度（θ，τ），塔内通风量 Ga，进出塔

水温 t1、t2和循环水量 Qw，以及淋水填料前后的压差ΔP，可以分析整理出淋水填

料的性能特性，例如：

1）冷却塔通风量对容积散质系数的影响；

2）淋水密度对容积散质系数的影响；

3）进塔热水温度对冷却温差的影响；

4）进塔空气干球对冷却温差的影响；

5）进塔空气湿球对冷却温差的影响；

6）配水均匀性对冷却温差的影响；

7）冷却塔通风量和淋水密度对淋水填料阻力降的影响。

§1.2.2 课题意义

冷却塔从最初的开放式发展到风筒式之后，形状也从最初的圆柱形、多边锥

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冷却塔

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2007

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全程参与了淋水填料性能研究模拟塔的研制，

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暖通所

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本

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实验

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实验室

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实现

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的

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（辅助风机变频调节）

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（旁通水阀调节）

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（加热功率调节）

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（变风量空气处理箱加热量调节）

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（变风量空气处理箱露点温度调节）

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配水均匀性

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（配水管正常转动与停止转动）

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第一章绪论

形发展到双曲线形，再到矩形、多边形、锥形，随后又根据建筑物的形态，有了

矮塔、高塔、方塔、三角塔、畸形塔等建筑式冷却塔[6]。当然还有一些特殊的喷流

式冷却塔，例如由美国贝尔其莫尔·艾尔伊科尔（Baltimore Aircoil）公司设计的。

本文研究的KF1200 型淋水填料主要用于小型机械通风逆流式冷却塔。该种冷

却塔一般由塔体、淋水填料、配水装置、收水器、集水池、百叶窗、风机、风筒

和其他辅助结构组成。淋水填料是其重要的组成部分，它产生的温降可达到整个

冷却塔温降的 60％－70％[7]。但是对淋水填料的性能研究一直依赖于室内模拟实

验，作为载体的冷却塔和淋水填料很难分割，因此本文研究得到的淋水填料性能

与进行模拟实验的模拟塔息息相关。

冷却塔的设计工作，除了塔体本身的结构设计以外，主要是对淋水填料和配

水装置的选择。配水装置在保证循环水水量的同时，也肩负着改善淋水密度均匀

性的任务。准确地掌握淋水填料的性能特性，了解各影响因素的作用，可以指导

冷却塔的设计和冷却水系统的运行管理。由于淋水填料段占据着整个冷却塔 70％

的冷却负荷，其性能的优劣会直接影响整个冷却水系统的优劣。在制冷系统中，

冷却水的流量和温度变化，直接影响到制冷机组的冷凝压力值和制冷机组的冷量。

过高的冷凝压力会引起机组报警，严重的情况会出现停机。因此，良好的冷却水

系统，是空调系统和工业设备稳定、高效运转的基础。

§1.3 国内外研究现状

§1.3.1 淋水填料的型式

在淋水填料被引入冷却塔之后，出现过许多不同类型的填料型式。早期的冷

却塔采用木质的淋水填料，但是由于木质材料的缺乏和腐烂问题无法解决，转而

使用石棉材料。后来，石棉材料被发现会对人体产生危害而停止使用。上世纪七

十年代，国内的冷却塔淋水填料开始采用水泥板条及水泥格网板[8]，在同一时期的

冷却塔中也采用较轻型的油浸纸蜂窝淋水填料。但油浸纸蜂窝存在易燃的问题，

致使该种淋水填料的使用受到很大的限制。上世纪八十年代，随着我国塑料工业

的发展，电力工业的冷却塔开始采用 PVC 淋水填料[9]。同时期使用的冷却塔淋水

填料还有竹制淋水填料、陶土淋水填料等[9]。

目前，世界上比较常见的淋水填料主要分为薄膜式（FILIM ）和点滴式

（SPLASH）两大类。点滴式填料最开始在逆流塔中应用，但是因其阻力大，热效

率低，渐渐被薄膜型填料取代。但在大型横流塔内还使用，因具有其对横向气流

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主要

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的PVC 淋水填料。

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对

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本课题研究的淋水填料的性能在一定程度上

实际上也是该模拟实验塔的性能。

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，从而影响

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，还能起到节能的效果

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冷却塔淋水填料性能的理论和实验研究

有阻力小、单位体积耗材料少、允许淋水密度大等优点。典型的点滴式淋水填料

的换热能力是薄膜式的一半。本文研究的 KF1200 型淋水填料属于薄膜式淋水填

料，采用亲水性材料，使水在淋水填料表面形成水膜，缓慢流下，有着充分的换

热时间，提高散热效率。其国内外的分类如表 1－1。

表1－1薄膜型淋水填料的分类

国

内

折波型

包括折波、人字波、斜梯波淋水填料，开发于 1985 年后[8]

斜波型

在斜交错淋水填料的基础上改进而设计的，它包括斜波、斜

折波、S波等[9]

复合型

吸收国内外冷却塔淋

水填料的特点而设计

的

板型板面结构为直通道，包括复合波

（ANCS 型）、差位正弦波、双向波等；

版面结构为斜通道，包括双斜波、TJ-100

型波等

国

外

Cross-fluted fills（斜交错）

Vertical-offset fills（斜通道复合型）

Vertical-flow fills（直通道复合型）

目前常用的淋水填料的物理和热力、阻力性能的比较可见附表一[10]。

§1.3.2 淋水填料性能的模拟实验研究

淋水填料应用在冷却塔中，其性能的实验研究和模拟塔不可分割。国内外众

多学者和研究机构研制了很多模拟实验塔，也得到了很多宝贵的结论，如表 1－2

所示。

表1－2国内外淋水填料性能实验研究结果

序号

研究人员或机构

研究手段和部分成果

手冢俊一等[11]

在0.6m×0.6m 的逆流塔上做试验，发现当风速 v≈

1.7m/s，淋水密度 q＝15t/(m2·h)时，气流阻力突然

上升，形成堵塞现象。所以薄膜式淋水填料的淋水

密度不能太大。

N·W·凯里[13]

（Kelly)、葛冈常雄[14]、

田中康雄[15]、

手冢俊一等 [16,17]

淋水填料散质系数不受大气湿球温度变化的影响

目前，世界上比较常见的淋水填料主要分为薄

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淋水填料

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由表 1－1可知，国内外市场上淋水填料的种

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冷却塔

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、

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第一章绪论

J·李钦斯特[12]（lichtenstien）

1943 年，拟合出淋水填料试验中常用的关系式

手冢俊一、中村隆哉[17]

中国水科院冷却水研究所[18]

进水温度对淋水填料散质系数影响的试验

凯里[13]

大田了介、葛冈常雄[19]

S·脱汝考（Tozuka）[20]

中国水利水电科学研究院

冷却水研究所[18]

淋水填料高度对散质系数影响的试验。水利水电科

学研究院冷却水研究所试验塔试验段断面为正方

形（0.6m×0.6m）

目前，人们对淋水填料的研究主要还是对其热力和阻力特性的研究，包括对

热质传递总系数 Ka 值[21,22,23]、不同淋水填料高度的热力和阻力性能 [24,25,26,27]。当

然，为了降低冷却塔的造价，淋水填料的单位体积重量也是一个研究的课题。其

次还要对淋水填料组装块的承载能力、通道尺寸、搁置要求等多种物理性能研究。

除此之外，国外学者对运行中的淋水填料性能也有所研究，如污垢（fouling）对淋

水填料的热力和阻力性能的影响[28]。

§1.3.3 淋水填料性能研究的理论基础

1925 年，麦克尔[29]在他的论文中，引入了焓的概念，把显热交换和潜热交换

统一在焓中。他以水面饱和空气层的焓

和湿空气中的焓

之差，作为水面向空气

热质传递的推动力。实际应用于冷却塔的热力计算时，由于冷却塔内淋水填料形

状一般较复杂，其接触换热的总表面积不易计算，所以，常用淋水填料的体积代

替其接触面积，利用容积散质系数代替表面传热系数。麦克尔公式可以写为：

dQ0＝Ka

（

－

）dV 1－1

其中：dQ0－总的换热量；

dV－淋水填料的体积。

麦克尔公式虽然被广泛应用，但其精确性仍待商榷[30,31]。因为麦克尔在公式推

导中，引用了刘易斯（lewis）关系式[32]，所以麦克尔公式的误差与刘易斯关系式

的近似性相关。根据麦克尔公式计算所得到水温差Δt 偏大，偏于不安全，误差一

般在 10％以内。但是，麦克尔公式（1－1）中的容积散质系数 Ka，通常是通过模

拟实验求得。而实际计算冷却塔水温时又使用了该系数，所以实际的误差并不像

理论认为的那么大。

将通过模拟实验求得的热力和阻力特性结果用于工业塔时，应乘以一折减系

数[6]。折减系数的大小，要根据工业塔测试结果与模拟试验进行比较而定。原则上，

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附表一为目前常用的淋水填料的物理和热力、

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冷却塔淋水填料性能的理论和实验研究

在确定淋水填料的热力特性时，应把配水装置至淋水填料段、淋水填料段以及雨

区分开计量，这样才能准确地反应各部分的热力特性。但国目前还都没有这么做，

而是将上述三部分混在一起。所以本文给出的淋水填料的热力特性，实际上是上

述三个部分的共同结果。但阻力特性仅为淋水填料的阻力。热力性能和阻力性能

的不对应，也是该模拟实验塔的一个不足。

部分

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地

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然而，我

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缺

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点

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第二章淋水填料热力性能计算模型

淋水填料广泛应用于冷却塔中，是冷却塔的重要组成部分。在冷却塔中，淋

水填料段的温降不等于整个冷却塔的温降，淋水填料段的阻力也不等于整个冷却

塔的阻力。但是淋水填料的性能测试依赖于冷却塔这个载体，因此在模拟塔中进

行实验时，常在冷却塔进出水管上布置水侧温度测点，测得冷却塔进出塔水温度；

在淋水填料的上下沿布置压力测点，测得淋水填料的阻力降。下文计算模型中参

数的测量也如上文所述。

§2.1 淋水填料冷却原理

§2.1.1 热质交换原理

机械通风逆流式冷却塔属于湿式冷却塔。冷却过程中，水和空气直接接触。

因为塔内热水的温度高，流过水表面的空气的温度低，水将热量传给空气，由空

气带走，散到大气中去。在此过程中，水向空气散热有三种形式[6]：①接触散热；

②蒸发散热；③辐射散热。冷却塔中前两种散热为主，辐射散热量很小，可忽略

不计。

①接触散热

接触散热定义为：两种不同温度的物质接触，热量从温度高的一方传向温度

低的一方，即有温差就有接触散热。当低温空气，通过高温水面时，水面就会通

过接触散热，把热量传给空气。单位时间，通过面积

，水传给空气的热量

，

可用公式（2－1）表示：

( )

dQ t dF

 

 

2－1

式中：

－传热量，KJ/h



－散热系数，KJ/(m2.℃.h)

－水表面温度，℃



－空气的干球温度，℃

－水和空气的接触面积，m2

②蒸发散热

蒸发散热通过物质交换完成，即通过水分子不断扩散到空气中来完成。水分

子有着不同的能量，平均能量由水温决定。在水表面附近，一部分动能大的水分

子，克服邻近水分子的吸引力，离开水面进入空气中，成为水蒸气。由于能量大

因此

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模拟

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假设冷却塔进水的温度是淋水填料的进水温

度，冷却塔出水的温度是淋水填料的出水温度；

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的压力差作为

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下文的计算模型也是在以上假设的基础上推

导的。

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过程

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右

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而

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冷却塔淋水填料性能的理论和实验研究

的水分子逃离，使得水面附近的水体能量变小，因此水温降低，这就是蒸发散热。

一般认为蒸发的水分子，首先在水表面形成一层薄的饱和空气层，其温度和水面

温度相同(此概念由 Langmuir 于1912 年提出)[7]。然后水蒸气从饱和层向大气中扩

散，扩散的快慢取决于饱和层的水蒸气压力和大气的水蒸气压力差，即道尔顿

(Dolton)定律。可用图 2－1表示此过程，P0为大气压。单位时间通过水表面积

，

蒸发的水量

为：

( )

p v v

dW p p dF



 

2－2

式中：

－蒸发水量，Kg/h



－以水蒸气分压力差为基准的散质系数，Kg/(m2.h.Pa)

－薄饱和层的蒸汽压力，Pa

－湿空气中的水蒸汽分压力，Pa

－水、气接触面积，m2

图2－1蒸发过程

上式（2－2）也可以用含湿量表示为：

( )

dW x x dF



 

2－3

式中：

－蒸发水量，Kg/h



－以水蒸气含湿量为基准的散质系数，Kg/(m2.h)

－薄饱和空气层的含湿量，Kg/Kg

－湿空气的含湿量，Kg/Kg。

§2.1.2 冷却塔内热质交换过程

如上文所述，在冷却塔中辐射传热可以忽略不计，只计蒸发散热和接触散热。

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( )

p v

dW p p dF



 

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第一章绪论1第一章绪论§1.1课题研究背景§1.1.1水冷却应用背景我国是一个水资源比较贫乏的国家，淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6%，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，名列世界第四位。但是，我国的人均水资源量只有2300立方米，仅为世界平均水平的1/4，是全球人均水资源最贫乏的国家之一[1]。然而，我国又是世界上用水量最多的国家。1949年后，全国的用水结构发生了变化，农业用水比例逐步下降，工业、城镇生活用水比例逐步提高。调查发现，工业用水中最主要是冷却用水。例如，某些大型和特大型石化企业的用水量都在100000m3/h以上，年用水量达800000000m3，若冷却水不循环利用，...

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