自然通风海水冷却塔在国外已有多年应用业绩,主要在美国和欧洲,比如美国Hope Greek核电站三号机组和比利时DOEL核电站四号机组。国内已运行海水冷却塔的核电站主要是天津北疆电厂和浙江宁海电厂,在建的海水冷却塔工程包括大唐乌沙山电厂二期工程和沧州华润渤海新区热电厂。因环境保护要求和厂址条件限制,目前国内核电站的循环水系统正在尝试采用海水冷却塔的二次循环冷却方式。核电站的冷却塔为超大型冷却塔,一般情况淋水填料面积都在18 000m²左右,由于其淋水填料面积大,所以采用海水或者淡水作为冷却介质对其冷却效果的影响将更加明显。

　　 为了能更好地服务于核电站,保证冷却塔的换热效果,本文通过试验手段了解海水作为冷却介质条件下淋水填料的性能参数与淡水介质条件下的差异及变化规律,并分析造成这种差异的主要机理与原因。

　　 相比淡水,海水悬浮物含量较高且易于结垢,因此不宜选择片距较小的填料,以防止污物堵塞等问题造成冷却塔的换热效率降低。目前国内外冷却塔淋水填料多采用塑料薄膜填料,塑料薄膜填料具有散热效率高、质量轻、耐防腐、便于加工等优点,代表性填料型式有双斜波、双向波、S波,其详细规格尺寸见表1。

　　 海水塔物理模型试验研究内容主要包括2 个方面:

　　 (1)测试淋水填料在淡水及不同浓度或浓缩倍率海水介质条件下的热力特性及其变化规律。

　　 (2)测试海水对淋水填料阻力特性影响及其变化规律。

　　 试验用淋水填料采用表1所列的填料型式,用黏合剂分别粘结成截面积为0.6m×0.6m规格的试验样品。试验中的填料试验高度分别为1.50m,1.75m和2.00 m,各层之间采用交错布置。试验时喷淋高度约0.80m。

　　 为确定海水冷却塔淋水填料的热力阻力特性随海水盐度的变化规律,试验模拟的水样盐度变化范围较大,从淡水到含盐量约85g/kg的模拟水。该核电站海域的海水平均盐度约为29g/kg,试验水样的配制采用由核电站当地所产海盐经自来水稀释的方法进行,试验水样与该海域海水水样的各主要离子成分及相对比例基本一致。

　　 试验在室内抽风式逆流冷却塔模拟测试装置中进行,装置系统见图1。塔体试验段高3.0m,淋水面积0.36m²(0.6m×0.6m),淋水密度调节范围4.0~20.0 m³/(m²·h),淋水断面风速调节范围0.5~3.5m/s。

　　 填料的热力阻力性能试验目的是获得填料冷却性能参数,供冷却塔设计计算使用。试验通过改变填料断面淋水密度和风速来调节不同气水比,每个工况试验调节3 种淋水密度[约7 m³/(m²·h),10m³/(m²·h),13 m³/(m²·h)]和4 个断面风速(1.0m/s,1.5m/s,2.0m/s,2.5m/s)。完成各组试验后,求出每一组试验的特性参数,进而求出该填料热力阻力特性表达式及曲线。测试参数包括进塔干湿球温度、出塔干湿球温度、进出塔水温、进塔空气流量、进塔水量和大气压等。当各参数相对稳定后进行数据采集并作热平衡计算,控制热平衡误差在±5%以内。

　　 热力特性表达式N=A_nλ^c中系数A_n为主要特性常数,其数值大小决定了淋水填料在此工况下运行的热力性能即冷却体系数大小;而各工况热力性能表达式中系数c变化不大,对热力性能影响较小。因此,填料热力性能的比较可以通过比较系数A_n确定。对于填料阻力特性表达式,由于试验常数较多,单一常数无法代表整体阻力性能情况,因此其阻力特性可以通过比较某一相同淋水密度及风速下的阻力大小来间接反映其阻力特性。

　　 根据已有研究资料表明^[1~5],与淡水相比,海水中的高浓度盐离子成分改变了水的热力学性质,使淋水填料热力性能较淡水有所下降。如果不进行海水塔与淡水塔的热力性能研究,则会造成核电站无法满发及正常运行,影响核电站的经济效益。本次试验通过比较淡水与不同盐度海水水样下填料热力阻力性能的变化,总结海水含盐量对填料热力阻力性能的影响规律。

　　 根据同种填料型式不同安装高度及不同盐度情况下的试验结果整理出热力性能随盐度变化规律,见图2。

　　 从图2中可以看出,随着海水盐度增加,各种填料热力性能呈线性逐渐降低,且斜率基本相同,说明海水填料热力性质的降低与填料型式关系不大,是海水自身性质决定的。

　　 将各填料热力特性参数A_n与淡水条件该值相比较降低的百分数汇总于图3中,可见线性变化规律较明显。海水盐度为30g/kg时填料热力特性较淡水降低约6%,85g/kg盐度时约降低17%。

　　 据此近似归纳出海水含盐量与冷却性能降低的近似关系式,如式(1)所示:

　　 式中A_s———冷却数系数A_n降低百分数,%;

　　 C_s———海水盐度,g/kg。

　　 用此近似公式可以定量计算不同盐度海水对填料热力性能影响程度。

　　 填料在同一淋水密度10m³/(m²·h),同一风速2.0m/s下,阻力大小随海水盐度变化情况见图4。由图4可知,各种填料阻力大小随盐度增加变化不大,说明海水盐度对填料阻力没有明显影响。

　　 冷却塔内的热交换主要通过两种途径进行,分别为接触传热与蒸发传热^[6]。还有一类热量的传递方式为辐射传热,但这部分传热在冷却塔热交换中所占比例较小,可忽略。海水主要成分是水、氯化钠及钙镁离子组成的盐类,其中盐类以氯化钠为主。在开阔海洋中,海水的盐分总含量约为35 000mg/L,随地域不同及与岸边相距长短不同,盐分含量也不同。

　　 图5~图7 显示了海水、浓缩海水与淡水的密度、比热及导热系数的关系。 与淡水相比,海水及浓缩海水的物理特性有以下几方面的不同:1海水及浓缩海水比重比淡水大,不同浓缩倍率的海水的密度见图5;2 海水及浓缩海水的比热较淡水低,不同浓缩倍率的海水的比热见图6;3海水及浓缩海水的传热系数较淡水低,见图7;4海水及浓缩海水的粘性较淡水低,表面张力较淡水小。

　　 与淡水相比,海水中的一部分表面被盐离子所占,阻碍了水分子的蒸发,因此,海水的蒸发量比淡水小,也就是说海水的蒸汽压力比淡水低。按照Raoult定律^[7],“在一定温度下,难挥发非电解质稀溶液的蒸气压下降与溶质的摩尔分数成正比或稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压与溶剂摩尔分数的乘积”。 对于海水可表示如式(2)所示:

　　 式中p″_s———海水的饱和蒸汽压力,MPa;

　　 p″_n———淡水的饱和蒸汽压力,MPa;

　　 X_n———水在海水中的摩尔分数。

　　 由式(2)可看出,在相同条件下,海水的饱和蒸汽压力比淡水低,海水的蒸发量比淡水少,散热能力比淡水低。蒸汽压力的降低与海水中的含盐量成正比,海水中含盐量越高,蒸汽压降低就越大,散热能力也就越低。

　　 在冷却塔计算中,海水的蒸汽压已经用与海水水温相应的饱和焓代替,海水的蒸汽压力降低,在计算中反映为邻近水面的饱和空气焓的降低。在标准大气压下,不同水温的盐水液面近处的饱和空气焓计算结果见图8。计算结果表明,含盐量大的盐水焓降低大于含盐量小的盐水,相同含盐量的盐水温度高时焓降低的幅度大。

　　 冷却塔内的热交换主要通过两种途径,接触传热与蒸发传热。总散热量可表示为:

　　 式中H ———总散热量,kJ/h;

　　 β_x———以含湿量差为基准的散质系数,kg/(m²·h);

　　 β_xv———填料的容积散质系数,kg/(m³·h);

　　 F———水气接触面积,m²;

　　 V ———填料体积,m³;

　　 i″———与水温对应的饱和空气焓,kJ/kg;

　　 i———湿空气的比焓,kJ/kg;

　　 Q———水的流量,t/h;

　　 C ———水的比热,kJ/(kg·℃);

　　 dt———冷却塔的进出塔水的温差,℃。

　　 考虑盐水的效应,式(3)可写为:

　　 式中C(t)为海水影响的修正系数(或折减系数),其表达式如式(5)所示:

　　 式中Δi″———温度为t时的盐水与淡水的饱和焓差,kJ/kg。

　　 将式(4)积分,并引用柯西定理有:

　　 式中t′ 为水温(介于t₁与t₂之间,t₁为进塔水温,t₂为出塔水温,℃),N_s即为表征海水冷却塔热力特性的冷却数,V为总填料体积(m³),与淡水塔冷却数N比较^[8],海水冷却塔的冷却数增加了一项修正系数,相互关系如式(7)所示:

　　 不同的含盐量的修正系数不同,水温低时冷却塔热力特性降低的幅度比水温高时大,修正系数随水温的变化可以准确地用二次曲线表示,如图9所示。对于冷却塔的热力计算可以近似地以进出塔水温的平均值t_m点的热力特性修正系数来代替。式(7)可写为式(8)形式:

　　 通过上述对海水冷却塔与淡水冷却塔的理论分析,给出了海水冷却塔的修正计算公式(8);通过海水、淡水模拟塔填料热力阻力性能比较试验,给出了海水冷却塔的热力特性折减修正公式(1)。按式(8)计算结果与式(1)关系曲线绘于图10中进行比较,可见理论计算与试验结果相比,二者总体变化规律基本一致,即随着盐度增加,热力性能呈线性逐渐降低。经比较当盐水浓度达到100 000mg/L时,二者偏差约5%。偏差不大,说明理论估算与试验结果基本一致。

　　 通过对海水冷却塔淋水填料热力阻力性能试验研究及海水与淡水热力性能差异的理论分析,得出如下结论:

　　 (1)海水冷却塔不宜选择片距较小的填料,防止发生污物堵塞等问题造成冷却塔的换热效率降低。

　　 (2)海水介质下淋水填料的热力性能低于淡水介质,随海水盐度增加基本呈线性降低趋势。不同盐度海水介质填料热力性能较淡水降低幅度可按近似公式(1)计算。

　　 (3)与淡水介质相比,试验变化范围内的海水盐度对填料的阻力性能无明显影响。

　　 (4)海水冷却塔较淡水冷却塔热力特性降低的主要原因是海水的比热、蒸汽压力、导热系数比淡水低,影响了散热效果。

　　 (5)根据上述研究结论,可为海水冷却塔在核电站的应用提供技术支持。