【摘 要】
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随着工业水平的提高,工业生产过程中产生的废热大幅增加,这些废热一般由冷却水带走,导致冷却水需求量不断增加。面对淡水资源日益紧缺的形势,对海水资源进行开发利用,特别是以海水代替淡水用作工业循环冷却用水,不仅可以缓解海洋热污染压力,而且对解决淡水短缺问题也具有重要价值。由此发展的海水循环冷却技术已被广泛应用到沿海地区。海水冷却塔作为海水循环冷却系统中重要的换热设备,保证其冷却效果是系统高效运行的关键,
【基金项目】
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国家自然科学基金（51879154）； 山东省自然科学基金（ZR2019MEE77）；
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随着工业水平的提高,工业生产过程中产生的废热大幅增加,这些废热一般由冷却水带走,导致冷却水需求量不断增加。面对淡水资源日益紧缺的形势,对海水资源进行开发利用,特别是以海水代替淡水用作工业循环冷却用水,不仅可以缓解海洋热污染压力,而且对解决淡水短缺问题也具有重要价值。由此发展的海水循环冷却技术已被广泛应用到沿海地区。海水冷却塔作为海水循环冷却系统中重要的换热设备,保证其冷却效果是系统高效运行的关键,因此对海水冷却塔中水气两相的热湿交换特性进行相关研究很有必要。本文以逆流湿式海水冷却塔为研究对象,考虑了含有填料和无填料两种不同塔型。从能量分析和（火用）分析相结合的角度出发,分别建立了两种塔型的热力特性计算模型,阐明了水气两相热湿交换过程中热力参数和（火用）参数的精确计算方法。利用C语言对两种塔型编制了数值求解程序,并结合文献实验数据验证了计算模型的可靠性。在此基础上采用数值模拟的方法,分析了不同盐度工况下塔内参数的分布情况,研究了标准盐度工况及高盐度工况下单因素变化对塔热湿交换特性的影响规律。针对单因素研究的局限性,采用响应面方法分析了各因素间交互作用对塔热湿交换特性的影响程度,在满足散热量需求的前提下,根据当前的气象条件及标准盐度工况条件,以冷却效率最高、（火用）损最低为优化目标,确定了两种塔型性能最优时的工况参数组合。对海水填料塔热湿交换特性的研究表明:（1）塔顶部散热量最大,约为塔底部的1.7倍,即塔顶部的热湿交换大于塔底部。（2）从塔底开始（火用）损先减小后逐渐增大,在塔顶处达到最大。在固定气水比下盐度增加并不改变（火用）损在塔内的分布趋势,但会使总（火用）损增大、（火用）效率降低。（3）在相同冷却任务下,随着盐度增加,海水塔需要补充更多的空气量,且进塔水温和相对湿度越高,空气流量增幅越大。（4）在固定盐度工况下,随着淋水密度增加,（火用）效率和整塔散热量随之增加,但冷却效率有所降低;当热湿交换推动力（空气湿球温度和进塔水温）变化时,（火用）效率和整塔散热量的变化趋势一致;当塔内风速变化时,（火用）效率和整塔散热量的变化趋势相反。水温和湿球温度的合理变化对（火用）损的影响较大,而各参数对（火用）效率的影响程度相当。与其他参数相比,改变空气干球温度对塔热湿交换特性的影响不显著。（5）相较于标准盐度工况,高盐度工况下冷却效率和（火用）效率均有明显降低,且进塔水温越低、湿球温度越高,降低幅度越大。对海水无填料塔热湿交换特性的研究表明:（1）在相同塔规格及工况条件下,上喷式塔的冷却效率、（火用）效率、气相侧热效率和整塔散热量比下喷式塔分别高15.59%、4.89%、8.62%和34.58%。盐度变化对两种喷淋方式中液滴速度分布的影响较小。（2）上喷式塔内的液滴存在临界直径与上升高度限制。液滴临界直径随盐度的增加而减小,且随着空气流速的增加,临界直径减小幅度逐渐增大。盐度变化对液滴上升高度的影响较小。（3）液滴上升高度与液滴初始速度和空气流速成正比,且液滴初始速度越高,空气流速变化的影响越大。随着液滴直径的增加,液滴上升高度增加并逐渐趋于平缓,但液滴初始速度与空气流速比值小于1.8时,液滴直径增加对上升高度没有明显影响。（4）在固定盐度工况下,减小液滴直径、增加液滴初始速度会对上喷式塔热湿交换特性产生积极影响。（火用）损和（火用）效率对液滴直径的合理变化比较敏感,但随着液滴直径的增加敏感程度减弱;（火用）损主要由液滴初始温度和空气湿球温度决定,且液滴初始速度和空气流速对（火用）损的影响程度相当;空气流速、液滴初始速度、液滴初始温度和空气干湿球温度对（火用）效率的影响程度不大。（5）相较于标准盐度工况,高盐度工况下冷却效率和（火用）效率均有所降低,且液滴直径越小,降低幅度越大。采用响应面法对海水填料塔和海水无填料塔热湿交换特性的影响因素进行了优化,得到了冷却效率最高、（火用）损最低且满足散热量需求的工况参数组合。优化结果表明:两种塔型的冷却效率较优化前分别提高了5.80%和14.69%,（火用）损较优化前分别降低了11.17%和37.87%。
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