湿式冷却塔白烟现象分析与解决方案

朱文杰

【摘 要】湿式冷却塔在一定气象条件下运行时,会出现\"白烟现象\".该现象的发生对建筑景观、周边道路交通安全将会产生一定的影响,且易使人产生火灾的错觉.本文对湿式冷却塔\"白烟现象\"的发生条件及发生原因进行了分析,提出相应的解决方案,并针对各解决方案的优缺点进行了对比分析. 【期刊名称】《发电技术》 【年(卷),期】2010(031)004 【总页数】5页(P20-23,35)

【关键词】冷却塔白烟现象;气象特点;产生原因;产生条件;湿空气焓湿图 【作 者】朱文杰

【作者单位】华东建筑设计研究院有限公司,上海200002 【正文语种】中 文 【中图分类】TU831

湿式冷却塔是民用建筑制冷空调的常用设备（本文针对湿式冷却塔进行白烟现象分析，以下内容中的“冷却塔”均专指湿式冷却塔）。

冷却塔实际运行时，其风筒顶部有时会出现白烟缭绕现象。图1为某项目冷却塔出风口处出现的白烟现象。这种现象不仅影响建筑景观，在寒冷的冬天，冷却塔的白烟飘沉至周边路面结冰易引发交通事故；同时，白烟现象易使人产生建筑物着火冒烟的错觉，常因此引起火灾误报警。

本文利用湿空气焓湿图，对冷却塔白烟现象产生条件和原因进行分析，提出了相应的解决方案，并对各方案的优缺点作了简要总结。 1.1.1 冷却塔结构

冷却塔由风系统部件、水系统部件、换热部件、结构件等组成。风系统部件一般有进风百叶、风机、电动机、风筒等；水系统部件有管道、散水槽或喷淋头、收水器、集水盘或集水池等；换热系统部件有填料及附件。 1.1.2 冷却塔工作原理

冷却塔外低焓值的空气经过风机的抽风或鼓风后，自进风百叶进入冷却塔；高温空调循环冷却水通过位于冷却塔上部的布水系统，自上而下喷洒在填料表面，空气与水滴充分接触并进行热湿交换。空气与冷却水在塔内的换热过程分为两部分： （1）接触换热：当水滴和空气接触时，由于相对低温的空气与相对高温的水之间存在一定的温差，水与空气间发生接触换热（传导换热和对流换热），热量由相对高温的循环冷却水传至相对低温的空气；

（2）蒸发换热：由于水滴表面形成饱和空气，饱和空气中的水蒸气与空气中水蒸气之间存在分压力差，在分压力差的作用下冷却水产生蒸发，将水的汽化潜热传至空气。

冷却塔运行时，进入冷却塔的空气与冷却水在塔内进行热湿交换，冷却水的温度降低，并由于蒸发现象丧失部分水分；空气温度升高并吸收蒸发的水蒸气，达到或接近饱和状态。

通过对冷却塔发生白烟现象的观察及相关气象资料的查询，冷却塔白烟现象多发生于温度较低、相对湿度较大的天气（相对湿度甚至达到95%），如冬季降雨前后、长江中下游地区“黄梅季节”。在其它气候条件下则较少发生此类现象。 白烟产生现象的原因分析如图2所示。通过进风百叶进入冷却塔内的空气（图2中点O）进入冷却塔填料与冷却水直接接触。经热湿交换，空气被加热和加湿，

以高温高湿空气从冷却塔出风口处排出，其状态接近饱和曲线（图2中I点）。 冷却塔排风与冷却塔附近的空气混合后，混合空气状态点应位于状态O与状态I连线中的某点M。

状态点O与I的连线与湿空气饱和曲线（相对湿度为100%的等相对湿度曲线）相割形成线段，该线段位于湿空气饱和曲线的下部，即湿空气过饱和区。当冷却塔排风与塔外空气的混合点M位于湿空气过饱和区，则会产生冷凝现象。其表现为：在冷却塔风筒出风口附近的空气中，产生许多细小的水珠，形成“白烟”。该白烟现象一般发生在距冷却塔出风口上方5～6m的高度处，超过此高度，则由于周边大气的质量相对于冷却塔排气几乎接近无穷大，经充分接触并混合，冷却塔排气与大气的混合点状态无限接近于大气的状态点，即白烟现象消失。

白烟现象形成的理论条件是：混合过程线I-O与湿空气饱和曲线相交，位于湿空气饱和曲线之下并具有一定长度。冷却塔白烟现象一般在下列三种情况下出现： （1）冷却塔周围空气的相对湿度较大，温度较低；

（2）冷却塔运行正常，内部气水热湿交换充分，出风相对湿度较大； （3）冷却塔风筒附近空气流速较小，冷却塔排气与大气混合均匀且充分。 对冷却塔产生白烟现象条件及原因的分析，可以发现消除白烟现象的关键在于避免空气焓湿图中混合过程线I-O与湿空气饱和曲线相交。只要混合过程线I-O斜率发生改变，不与湿空气饱和曲线相交，即可避免白烟现象的产生。

如图2所示：冷却塔排气状态点为I，外界空气状态点为O，混合点为M，则不产生白烟现象的极限条件为混合过程线I-O恰好与饱和空气曲线相切。在D-T坐标上，混合过程线I-O直线方程为： 式中 T—混合点温度，℃；

D—混合点绝对湿度，g/kg干空气； to—室外空气计算温度，℃；

ti—冷却塔排气温度，℃；

do—室外空气绝对湿度，g/kg干空气； di—冷却塔排气绝对湿度，g/kg干空气。

在标准大气压力B（101325 Pa）下，湿空气饱和曲线表示为在D-T坐标上的曲线，即湿空气饱和曲线方程近似可表示为：

式中 T—湿空气饱和曲线上某点对应的干球温度，℃； D—湿空气饱和曲线上某点对应的绝对湿度，g/kg干空气。

当混合过程线I-O恰好与饱和空气曲线相切时，由方程（1）与（2）组成方程组，且有唯一解，可得：

若状态点I与O的参数满足方程（3），则冷却塔处于不产生白烟现象的临界状态；若方程组有多个根则会产生白烟现象；若方程组无根则不会产生白烟现象。 因此，解决冷却塔白烟现象主要从改善冷却塔性能着手，通过在冷却塔内部采取一些措施，改变混合过

设等式右侧为m，则：程线I-O斜率避免与湿空气饱和曲线相交，一般有以下几种方案。

设置“干段填料”后的冷却塔结构示意图如图3所示。改变冷却塔内部结构，采用干段填料及湿段填料组合的形式。仅有空气通过而不与冷却水接触的填料区域称为干段填料区（简称干段），使空气及冷却水直接接触的填料区域称为湿段填料区（简称湿段）。可通过在标准湿段填料的顶部加装顶盖，可有效防止冷却水淋入填料区，从而形成干段填料。

设置“干段填料”后的空气处理过程如图4所示。从干段通过的空气，与湿段填料区进行显热交换被加热，绝对湿度不变，即干段空气经等湿加热后由状态点O变为状态点B；从湿段通过的空气与冷却水热湿交换后形成高湿高温空气，达到状态点A。经冷却塔风机的抽风及鼓风作用，通过干段的空气和通过湿段的空气在塔

内进行混合，达到状态点I并排出风筒。混合出风与周边大气进行充分混合。在此过程中，混合过程线I-O位于湿空气饱和曲线上部，不再与湿空气饱和曲线相交，状态点I的空气与状态点O的空气充分混合后形成的混合点不在“过饱和区域”，故无凝结水析出，从而避免白烟现象产生。

该方案的重点在于合理布置通过干段与湿段空气的比例，求解干湿空气的混合比ω。

状态点A的空气与状态点B混合后，点I的状态方程为式（4）、式（5） 式中 tA—从湿段通过后的空气温度，℃； tB—从干段通过后的空气温度，℃；

dA—从湿段通过后的空气绝对湿度，g/kg干空气； dB—从干段通过后的空气绝对湿度，g/kg干空气； ω—干湿空气的混合比。

将式（4）、式（5）代入式（3），整理得：

设置“热水翅片盘管”后的冷却塔结构如图5所示，在冷却塔原布水系统上部设置热水翅片盘管，冷却水首先进入热水翅片盘管，再进入布水系统。塔外空气分别由上部及下部进风百叶进入冷却塔。上部空气与相对高温的热水翅片盘管进行等湿加热达到状态点B，过程类似方案一中的空气经过干段填料的换热过程。下部空气在淋水填料中与冷却水热湿交换后形成高湿高温空气，即达到状态点A。其后的空气处理过程与方案一的类似，从而防止白烟现象产生。

设置“热水翅片盘管”后解决方案的计算过程同2.1节，均为求解干湿空气的混合比ω，见式（6）。其空气处理过程如图4所示。

设置“电加热装置”后的冷却塔结构示意图如图6所示。在冷却塔出风筒内设置电加热装置。从冷却塔填料中出来的湿空气（状态点A），经电加热装置加热后温度升高，而湿度无变化（此过程为等湿加热过程），达到状态点I后从冷却塔风筒

排出，在风筒外部与位于状态点O的周边大气进行充分混合。在此过程中，状态点I与状态点O形成的直线位于湿空气饱和曲线上部，不再与湿空气饱和曲线相交，状态点I的空气与状态点O的空气充分混合后形成的混合点M不在“过饱和区域”，故无凝结水滴析出，从而避免了白烟现象的发生。设置“电加热装置”后的空气处理过程如图7所示。

本方案的重点在于确定电加热器的再加热量，即求解湿空气通过电加热器后达到I点的温升Δt。若温升过高，则会空耗大量电能造成浪费，若温升过低，则无法消除白烟现象。

状态点A经电加热器加热后变为状态点I，此时

式中 di′—经电加热器加热后的空气绝对湿度，g/kg干空气； dA—从湿段通过后的空气绝对湿度，g/kg干空气； ti′—经电加热器加热后的空气温度，℃； tA—从湿段通过后的空气温度，℃； Δt—经电加热器加热后的空气温升，℃。 将式（7）、式（8）代入式（3），整理得：

上述三种防止白烟产生的冷却塔设计方案各有特点，各自的优缺点详见表1： 以上分析了白烟产生的气象条件、产生原因和条件，初步提出相应的解决方案，并进行了比较。为冷却塔防白烟设计提供参考。

在理论分析中，只需保证焓湿图内混合过程线I-O不与湿空气饱和曲线相割，即可防止冷却塔出口发生白烟现象。但由于环境大气在不同时刻，其状态是动态变化的，冷却塔出口空气的状态也受到环境空气状态及空调负荷变化的影响而发生变化。故冷却塔出口的空气经与环境大气混合后，回归至环境大气状态的实际过程是一条不断上下波动的曲线，混合点有可能出现在“过饱和区域”。故上述的三个方案不

能完全消除白烟现象，但一般可使消雾率达到50%～80%。

【相关文献】

[1]陆耀庆.实用供热空调设计手册（下册）[M].第二版.北京：中国建筑工业出版社，2008.2053～2060.

[2]赵振国.冷却塔[M].第一版.北京：中国水利水电出版社，1996.248～287.

[3]唐韵，夏再忠，王如竹.冷却塔白烟防止技术[A].制冷空调新技术进展-第四届全国制冷空调新技术研讨会论文集[C].2006.