随着社会、经济的发展, 能源短缺问题越来越严重.循环冷却水在工业用水中普遍使用, 是能源消耗的重点域.据不完全统计, 我国循环水每年耗电约300~450亿kW·h[1].冷却塔是冷却水循环的关键设备, 也是循环水耗能的重要部件.在要求节能减排的大背景下, 冷却塔自身的节能刻不容缓.我国冷却塔行业起步比发达国家晚, 但发展迅速, 与国外相比差距逐渐缩小, 特别是近年来由于计算机数值模拟技术在填料、散水装置及风机开发设计中得到越来越多的应用, 使得冷却塔的研究创新方面得到较快发展, 这也为冷却塔的节能提供了保障.本文从以下几个方面分析冷却塔节能中仍有待加强的工作:通过的科技手段如数值模拟方法推动冷却塔节能优化设计; 对已有冷却塔中影响换热能力的零部件进行挖潜改造或替换; 加强冷却水循环系统的科学管理, 如冷却塔的控制及循环水系统的水质处理等, 优化配置, 着眼长远, 实现整个循环水系统的能源节约.1 依靠数值模拟技术推动冷却塔节能近年来, 随着科学技术的迅速发展, 数值模拟与计算机技术的不断进步, 许多冷却塔生产厂家已开始或尝试采用计算机流场模拟手段对冷却塔开展分析和计算, 并在冷却塔的诸多细节中考虑采用节能措施, 提高冷却塔效率.比如, 针对动能回收风筒、气室导流、均匀布水系统 (包括喷嘴的筛选)、低能耗高效率填料的筛选、佳进风高度的确定、水泵扬程的优化选择以及降低湿空气回流率以提升冷却塔运行效果等进行研究.采用微观研究方法可快速、直观地描述研究对象的状态, 包括温度场、速度场、压力场、分子扩散轨迹等.这样就可以针对性地采取各种方法, 促进冷却塔节能.1.1 确定高效率填料及其运行的合适区间淋水填料是冷却塔的核心部件, 是冷却塔中空气与热水进行热质交换的主要场所, 其热力性能和阻力性能直接影响冷却塔的冷却效果, 也是间接体现能耗高低的关键部件, 因此要充分掌握高效填料的应用条件.一般来说, 高效填料的散质系数大, 比表面积大, 但是其阻力小, 能耗低.对比国内外同类填料的热力特性发现, 虽然它们都是薄膜式填料, 单位体积的密度相近, 比表面和孔隙率也相近, 仅细节部分的构造有所区别, 但热力特性相差较大.性能高的填料完成相同的设计任务, 所需的气水比小, 风机耗功少.除了继续开发新的填料品种外, 也要注重开发现有填料的潜力, 改进试验装置及方法.在进行热力测试的同时, 对不同淋水密度和风速下的填料特性给予区分, 并针对不同的气象条件与不同的运行区间加以论证, 这样填料的特性才能在实践中得到充分有效的运用.不应在冷却塔的设计时不顾其运行的边界条件和气象条件、进出水水温等, 将热力特性方程βxv=Bgmqn, Ω=Aλm1[2]中的系数A和B均作为常数考虑, 其中:βxv为容积散质系数; m、m1、n均为试验常数, 不同冷却塔均有各自的常数; g为空气质量流量; q为冷却塔的淋水密度; Ω为冷却数; λ为气水比.另外, 实际冷却塔中的配水条件和配风条件与实验室的条件不尽相同, 所以设计出的冷却塔不能充分发挥出填料特性, 结果导致冷却塔在运行中难以达到节能效果.1.2 研究并模拟散水系统冷却塔的散水系统通常包括主管、支管、喷嘴等.研究散水系统除了追求喷嘴的均匀性外, 还要考虑复合布置时喷嘴布水的均匀性, 以及喷嘴的散水压力.目低压力喷嘴的工作水压一般在1.0~3.0 m.改善冷却塔布水的均匀性, 对喷嘴的合理布置设计特别重要.冷却塔良好的热力特性和布水均匀性密不可分.布水均匀性不好, 复合分布的评价系数均方差σ就大, 那么冷却塔高效与节能就无从谈起.目可以利用计算机CFD (computational fluid dynamics) 模拟和试验相结合的手段, 提高喷嘴分布的均匀性, 从而明显缩短布水均匀性的验证时间, 提升效率.1.3 采用模拟手段改善冷却塔流场冷却塔内空气流动时经过的通道十分复杂, 如气流经过入口转弯、淋水填料入口与出口的突然收缩和扩大、收水器中气流转折及气液分离、风筒入口和出口的转弯变化等过程.气流的急剧变化使得流动的阻力加大, 冷却塔风机静压增大, 还有流速的骤变更易引起气流分离等问题.这种现象使得冷却塔耗能增加, 塔内风速分布不均匀.比如, 模拟研究发现, 一定条件下气流在冷却塔流场中的压力比在5~8时, 就要设计导流檐[3], 否则入口气流的涡流, 有时会造成通过塔壁周围填料的风速仅为整个冷却塔填料平均风速的20%, 而这部分填料面积约占整个填料面积的10%~20%.于是这些填料难以充分发挥散热作用, 热力性能就达不到设计要求.流场模拟时可以通过模拟流体的流动、换热等物理现象, 在较短的时间内预测冷却塔内的流场, 为实验提供指导, 并为设计提供参考.模拟后通过较少的实验验证, 即可获得更为准确的设计依据, 使得空气流在冷却塔内的流道合理紧凑, 零部件的阻力进一步减小, 使冷却塔节能技术的发展更迅速.为了使冷却塔的节能技术得到健康有序地发展, 相关机构拟定了节能冷却塔的标准, 如CQC 3136—2012[4], 使冷却塔节能的量化指标有了评价与遵循的依据.2 挖潜改造推动已有冷却塔的节能由于受技术条件等限制, 冷却塔可能在零部件和各部件匹配优化等方面存在诸多需要挖潜改造之处, 比如散水系统、高效填料以及气流通道中易造成气流绕流分离和脱流的零部件等.通过挖潜改造可提高冷却塔运行效率, 降低能源消耗.下面对此进行简要论述.2.1 散水系统选用压力低、均方差小的喷嘴减小循环水的供水压力, 降低循环水水泵的扬程时, 节能效果显著.例如, 系统循环水量为1 000 m3·h-1时, 扬程降低2 m, 可节能7.8 kW.按每年运行4 000 h计, 可节电31 200 kW·h, 节能量十分可观.另外, 入风口高度降低也可以降低冷却塔供水扬程, 但是要与冷却塔入风口风速一并考虑.入风口高度降低, 入风面积随之减小, 入口风速则会增加, 风机运行的全压增大, 反而使风机耗能增加, 达到一定程度时气流分离的涡流现象严重, 又会使冷却塔性能降低.2.2 改善气流通过构件时的通道冷却塔入风口、风机下缘、风筒入口支撑梁、散水系统及其支撑架等, 通常会影响气流通过.将一些支撑梁或支撑架的直角改造成圆弧, 以减少支撑梁或支撑架后气体绕流分离和涡流区域, 可降低系统运行的空气阻力.目已有许多这方面的工程改造案例, 并取得了很好的效果.