利用过硫酸铵（APS）作为热性能添加剂来提高冷却塔的效率

《SSM - Health Systems》：Enhancing Cooling Tower Efficiency Using Ammonium Persulfate (APS) as a Thermal Performance Additive

本研究考察了不同浓度的氨态过硫酸盐（APS）溶液对逆流冷却塔热性能的影响，实验表明APS显著提升冷却效率，使冷却范围增加25%，温差降低3°C，热效率最高达85.69%。机理包括表面张力降低、蒸发增强及APS分解产生的自由基抑制结垢。模型验证显示计算值与实测值误差小于0.9°C，证实APS作为高效添加剂的可行性。

　　
该研究聚焦于新型添加剂——硫酸铵（APS）对逆流冷却塔热性能的优化作用，通过实验与数值模拟相结合的方式，系统揭示了APS在提升蒸发效率、改善传热机制及抑制结垢方面的协同效应。研究采用实验室级逆流冷却塔装置，在控制空气流速（2 m/s）、水流量（0.024 kg/s）和APS浓度（0.1-2.0 mol/L）的条件下，对冷却塔出口水温、空气吸热量、湿度梯度分布等关键参数进行量化分析，发现APS的添加可显著突破传统水冷却系统的性能瓶颈。

在热力学性能方面，APS浓度达到1.0 mol/L时，冷却塔热效率提升幅度达17.6%（从72.81%升至85.69%），最大冷却范围扩展25%，回冷温度降低3°C。这种提升源于多重协同机制：首先，APS通过释放硫酸根自由基（SO?•?）破坏生物膜结构，同时其分解过程产生的微酸性环境（pH 5.8-6.2）抑制了水垢的沉积，使换热表面保持清洁状态，有效热交换面积提升约18%。其次，APS的离子化特性显著降低水的表面张力（从纯水的72.0 mN/m降至65.9 mN/m），促进更细小的雾滴形成（直径≤50 μm），单位体积雾化表面积增加3.2倍，从而增强蒸发传热效率。第三，APS分解过程中的吸热反应（ΔH≈-12.5 kJ/mol）为系统提供额外的热力学驱动力，实测表明在50-45°C温差区间，该效应可使潜热吸收量提升19%。

实验数据表明，当APS浓度超过1.0 mol/L时，系统热效率增长趋于平缓。这主要与离子浓度过高导致的溶液黏度上升（0.5-2.0 mol/L时黏度增加12-23%）有关，黏稠流体阻碍了雾滴与空气的充分接触。通过建立包含能量守恒、质量传递和流体力学特性的三维模型，研究发现：在塔高1.4米、分段100个微单元的数值模拟中，APS溶液的湿度梯度分布较纯水提升42%，最大值出现在塔中段（高度500-600 mm），该区域水滴与空气接触时间最长的特性使其成为热性能优化的关键区域。

值得注意的是，APS的添加并未显著改变系统的传质推动力。通过对比热力学模型与实测数据的偏差（±0.5°C），验证了理论假设的有效性。特别是当环境湿球温度达到20.2°C时，APS溶液的冷却效率提升幅度最大（达29.7%），这归因于高湿度环境下表面活性剂对气液界面润湿性的改善。此外，研究揭示了环境温度的二次效应：当环境温度超过25°C时，APS的氧化分解速率加快，产生更多自由基干扰生物膜形成，但同时也导致溶液电导率上升（从纯水的8 μS/cm升至2.0 mol/L时的42 μS/cm），这可能对长期运行产生潜在影响。

经济性分析显示，APS的添加成本（2.28-22.8 USD/L）虽高于传统化学药剂，但通过热效率提升带来的能耗节约可抵消成本。以50°C进水为例，采用1.0 mol/L APS时，冷却塔能耗降低12.7%，年运行成本可减少约$3200（按8000小时/年计算）。但研究同时指出，当APS浓度超过1.5 mol/L时，溶液的离子强度过高导致雾化效率下降，此时经济性优势不再显著。

实验装置采用透明丙烯酸材质塔体（150×150×700 mm），配备热电偶阵列（精度±0.5°C）和电容式湿度传感器（±2%相对误差）。通过对比表3中纯水与APS溶液的效率数据（65.11% vs 80-92.34%），结合图5中不同浓度下的冷却范围变化曲线，可明确APS的浓度依赖性优化规律。在45-50°C进水温度区间，0.5-1.0 mol/L的APS浓度范围能获得最佳性能平衡，此时单位质量水的冷却能力（q=318.7 kJ/kg）较纯水提升23.6%。

研究创新性地提出APS的三重作用机制：1）物理作用：降低表面张力（降幅达9.3%），改善雾化效果；2）化学作用：分解产生的自由基抑制微生物生长，维持换热表面清洁；3）热力学作用：分解过程吸收热量（ΔT≈1.2°C）形成局部温度梯度，促进传质。通过数值模拟与实验验证的结合，首次建立了APS浓度-冷却性能-环境参数的映射模型，为工业冷却塔的添加剂选择提供了量化依据。

在应用推广方面，研究特别强调APS的适用条件：当进水温度超过45°C、环境湿球温度低于20°C时，效果最为显著。对于现有的工业冷却塔改造，建议采用分阶段添加策略（0.5-1.0 mol/L作为基础浓度，2.0 mol/L作为极限浓度），并结合在线监测系统动态调整浓度。此外，研究建议后续工作应关注APS的降解周期（当前实验周期≤100小时）和离子残留对后续循环系统的影响，特别是在高盐度工业冷却水中的长期稳定性验证。

该成果为解决高温高湿环境下冷却塔效率衰减问题提供了新思路，特别在石化、电力等重工业领域具有广阔应用前景。据估算，在夏季工况下，采用APS添加剂可使单台冷却塔年节电达15-20%，按全国现有工业冷却塔总装机容量计算，年节能潜力超过100亿千瓦时，具有显著的经济和环境效益。