淺談閉式冷卻塔換熱的一種計(jì)算方法

何彥 于蘇俊 楊柳

（西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院四川成都 610031）

閉式冷卻塔是閉式循環(huán)系統(tǒng)中使用較多的一種設(shè)施，閉式循環(huán)使冷卻水始終在冷卻盤管內(nèi)流動放熱，不與外界接觸，從根本上隔離冷卻水的污染源，保證水質(zhì)。

1 閉式冷卻塔的工作原理

來自設(shè)備的溫度較高的冷卻水，通過余壓送至閉式冷卻塔冷卻盤管的同時(shí)利用管道泵抽吸底池中的水至噴淋排管，并在冷卻盤管外表面反復(fù)噴淋，通過蒸發(fā)吸取熱量來降低冷卻水的溫度。同時(shí)，空氣利用冷卻塔內(nèi)風(fēng)機(jī)具有抽吸作用而在冷卻盤管自下而上的流動，既有助于冷卻盤管外表面的釋放熱量，也能有效吸收蒸發(fā)過程所產(chǎn)生的水蒸氣，冷卻效果更佳。

2 閉式冷卻塔換熱效率優(yōu)化理論基礎(chǔ)及方案

2.1 換熱原理

在閉式冷卻塔中，工藝流體的熱量通過管壁傳遞至管外的噴淋水后再交換給空氣。對盤管段某一微元高度而言，管內(nèi)工藝流體的熱量損失Gf、Cf、dtf與空氣的熱量獲得值之差則分別等于噴淋水熱量的增減Gw、Gw、dtw，溫度特性可以表示為如下的基本方程：

式中，Kfw、Kwa分別為工藝流體至噴淋水的傳熱系數(shù)和噴淋水至空氣的總傳質(zhì)系數(shù)；

Gf、Gw和Ga分別為工藝流體、噴淋水和空氣的重量流量；

Cf、Cw分別為工藝流體和噴淋水的比熱；

tf和tw分別為工藝流體和噴淋水的溫度；

i、i*分別為空氣和與噴淋水溫度相對應(yīng)的飽和濕空氣的焓。

2.2 優(yōu)化方案

優(yōu)化目標(biāo)在于使在工藝流體放熱完全被空氣吸收時(shí)，空氣在出塔時(shí)也恰好為飽和狀態(tài)，這種理想狀態(tài)中，在考慮制造與運(yùn)行成本時(shí)，能得到最低的造價(jià)。

1）閉式冷卻塔的優(yōu)化應(yīng)從強(qiáng)化管外側(cè)傳熱著手。實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化最有效的措施為恰當(dāng)?shù)募涌旃軆?nèi)流速及選擇小管徑。優(yōu)化可側(cè)重于管徑的選擇和塔的技術(shù)成本的關(guān)系。

2）對一般閉式冷卻塔而言，降低成本還可通過使用鍍鋅鋼管來實(shí)現(xiàn)。

3）預(yù)冷卻技術(shù)也可達(dá)到閉式冷卻塔的優(yōu)化目的，但不適用于工藝流體溫度較低的情況。

3 閉式冷卻塔換熱計(jì)算方法

3.1 熱力計(jì)算原理

計(jì)算思路:假定冷卻空氣能全部獲得管內(nèi)工藝流體所放出的熱量，確定風(fēng)量和空氣獲得的總熱量，而被冷卻介質(zhì)所放出的總熱量可根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)算出。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)選擇造價(jià)最低或運(yùn)行成本最低、壽命期內(nèi)最經(jīng)濟(jì)，塔體體積最小的方案。

3.2 計(jì)算步驟

圖1選取的微元是一層填料加一層盤管的模塊結(jié)構(gòu)，管內(nèi)流體熱量經(jīng)管壁傳給管外噴淋水，再交還給空氣。因此，噴淋水實(shí)質(zhì)上充當(dāng)了媒介。工程設(shè)計(jì)所需條件有：大氣壓P，被冷卻介質(zhì)進(jìn)口溫度t1、出口溫度t2、總流量Qn，空氣干球溫度和濕球溫度。

圖1 換熱模塊微元

（1）由冷卻塔氣水比、進(jìn)風(fēng)風(fēng)速、淋水密度及管內(nèi)流速的經(jīng)驗(yàn)取值，初步選擇風(fēng)量Q，進(jìn)風(fēng)面數(shù)ζ，噴淋水量M，盤管的管徑φ，管排數(shù)SP，管程數(shù)SC，管長b和一層填料的體積V；其中，氣水比0.8-1.2，風(fēng)速2.2-3.0m/s，淋水密度15-20 m3/(m2.h)和管內(nèi)流速1.5-2.5m/s。

設(shè)噴淋水進(jìn)填料溫度為，其在填料與盤管間的中間溫度可根據(jù)平均焓差法計(jì)算，為方便計(jì)算可先給賦初值，代入式(4)計(jì)算，直到所得填料體積與假定的填料體積大致相等，可認(rèn)為相對于成立。

式中K為蒸發(fā)水量帶走的熱量系數(shù)；

βxv為淋水填料的容積散熱系數(shù)；

Δim為平均焓差。

(2)根據(jù)tm計(jì)算噴淋水離開盤管后的平均溫度ts。

假設(shè)盤管內(nèi)被冷卻水的熱量完全傳遞給了噴淋水，則：

因?yàn)閲娏芩玫降臒崃糠謨刹糠?，一是?jīng)盤管得到被冷卻水的熱量，二是在盤管壁外與空氣進(jìn)行對流及蒸發(fā)時(shí)的散熱，實(shí)際得熱等于這兩部分熱量之差，即：

式中：qw為一層盤管內(nèi)水量；

tw1、tw2和ta分別為被冷卻水、噴淋水和空氣的對數(shù)平均溫度；

A為盤管表面積；

cw為水的比熱；

K0′為盤管壁面上噴淋水與空氣的對流與相變換熱系數(shù)；

K0為熱量又冷卻盤管內(nèi)流體至管外噴淋水的傳熱系數(shù)。

式中，ai為管內(nèi)流體與管內(nèi)表面之間對流換熱系數(shù)，

a0為管外噴淋水與管外表面之間對流換熱系數(shù)，

r1、r0分別為盤管內(nèi)外徑，

dm為傳熱管的對數(shù)平均直徑。

上述計(jì)算在對賦初值后，通過式(5)和(6)反復(fù)試算，直到盤管表面積等于所設(shè)定的盤管表面積，便認(rèn)為ts相對于tm成立。所設(shè)定盤管的表面積計(jì)算如下：

在一個循環(huán)后，循環(huán)流動的噴淋水的溫度不會變化，所以在穩(wěn)定后，溫度的變化規(guī)律有ts→tm→t0，則：

熱力計(jì)算可通過式(4)—(8)聯(lián)立求解來完成。

以上方法雖沒有分離噴淋水與空氣的對流和相變換熱系數(shù)，但換熱過程的細(xì)節(jié)完全得到展示，不過除部分靠資料或經(jīng)驗(yàn)值外，相關(guān)的換熱系數(shù)還需配套試驗(yàn)獲得。在模擬塔的多個工況中，通過實(shí)測和，便可根據(jù)模擬塔的相關(guān)參數(shù)，如用式(4)獲得βxv，式(5)獲得 K0，式(6)獲得 K0′；再綜合各工況的 βxv、K0和 K0′，便可得到淋水密度、空氣重量流速、管徑、管程和管排等與上述參數(shù)的關(guān)系，且可以日后冷卻塔改進(jìn)的熱力計(jì)算中用到這些參數(shù)。

4 結(jié)論

綜合以上，優(yōu)化方案應(yīng)放在管徑與塔的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系上，可盡量選用鍍鋅鋼管以降低設(shè)備成本，同時(shí)采用預(yù)冷卻技術(shù)。

閉式冷卻塔時(shí)吸取了開式冷卻塔和干式冷卻塔的優(yōu)點(diǎn)后的產(chǎn)物，既達(dá)到了冷卻水水質(zhì)要求又保證了冷卻負(fù)荷，但目前的研發(fā)中依然有不少問題存在：

(1)分散的研發(fā)力量，不健全待完善的管理機(jī)制，監(jiān)督的缺失；

(2)明文規(guī)范的缺失使得現(xiàn)在的研究要達(dá)到能夠制定規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)還差很遠(yuǎn)；

(3)蒸發(fā)冷卻模型過于理論化，不實(shí)用；其數(shù)值模擬缺少符合實(shí)際的有效模型。

閉式冷卻塔在國內(nèi)還處在起步階段，涉足行業(yè)不多。但隨著人們環(huán)保意識的提高和閉式冷卻塔技術(shù)的完善，以及該行業(yè)高利潤的優(yōu)越性，會得到越來越多的行業(yè)選用，也必然有更為光明的市場前景。

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