循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中逆流濕式冷卻塔的特性研究

王曉紅 田鵬

青島科技大學(xué)化工學(xué)院 （山東青島 266042）

技術(shù)進(jìn)步

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中逆流濕式冷卻塔的特性研究

王曉紅 田鵬

青島科技大學(xué)化工學(xué)院 （山東青島 266042）

以循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的逆流式濕式冷卻塔為研究對(duì)象，詳細(xì)闡述了空氣濕球溫度、水流量和進(jìn)塔水溫對(duì)冷卻塔熱力學(xué)性能的影響。水溫降低幅度越大,冷卻塔冷卻效能越好。結(jié)果表明：增加進(jìn)口空氣濕球溫度或水與空氣進(jìn)料質(zhì)量比，冷卻塔冷卻效能降低；水進(jìn)口溫度的變化對(duì)塔冷卻效能影響較??；水與空氣進(jìn)料質(zhì)量流量比高時(shí)，沿塔高顯熱交換潛力降低，質(zhì)量流量比低時(shí)，沿塔高顯熱交換潛力增加。

冷卻塔 數(shù)學(xué)模型 特性研究

1 冷卻塔

循環(huán)水的冷卻是靠冷卻塔內(nèi)接觸散熱和蒸發(fā)散熱實(shí)現(xiàn)的。冷卻塔是以水為循環(huán)冷卻劑，從一系統(tǒng)中吸收熱量排放至大氣中以降低水溫的裝置，其冷卻方法是將熱水噴灑至散熱材料表面，通過與移動(dòng)空氣相接觸，熱水與冷空氣之間產(chǎn)生顯熱作用，部分熱水被蒸發(fā)，同時(shí)溫度降低的循環(huán)水重新應(yīng)用于循環(huán)水系統(tǒng)中。

按冷卻方式，冷卻塔可分為濕式冷卻塔和干式冷卻塔。干式冷卻塔又稱空冷塔，是用空氣作為冷卻介質(zhì)的冷卻塔，根據(jù)傳熱載體的不同可分為直接空冷塔和間接空冷塔兩種。濕式冷卻塔是空氣與水直接接觸進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)，達(dá)到降低循環(huán)水溫度的目的，分為逆流式濕式冷卻塔和橫流式濕式冷卻塔。逆流式是指水由上而下、空氣由下向上流動(dòng)，在水氣作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過程中進(jìn)行熱質(zhì)交換;橫流式則指水由上而下流動(dòng)，空氣流動(dòng)方向與水流呈90°夾角[1]。Williamson N等[2]通過建立二維模型分析優(yōu)化填料和水的分布來提高自然通風(fēng)濕式冷卻塔的性能；Fisenko S P等[3]建立了一種新的冷卻塔數(shù)學(xué)模型，該模型表達(dá)了常微分方程系統(tǒng)的一個(gè)邊界問題，首次描述了冷卻塔內(nèi)水滴半徑的分布函數(shù)；Qureshi B A等[4]應(yīng)用物性數(shù)據(jù)軟件EES同時(shí)模擬了冷卻塔的噴霧區(qū)和雨區(qū)，研究了污垢模型，該模型與傳統(tǒng)的熱交換中典型的污垢模型基本一致；韓琴等[5]基于質(zhì)量守恒和能量守恒的原理，以出塔水溫作為冷卻塔冷卻性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了大型冷卻塔熱力學(xué)計(jì)算的濕差模型，分析了不同模型的計(jì)算結(jié)果差異以及淋水面積等參數(shù)對(duì)冷卻塔出塔水溫的影響；鄭偉業(yè)等[6]分析了閉式冷卻塔的傳熱傳質(zhì)機(jī)理，建立了數(shù)學(xué)計(jì)算模型，該模型可用來預(yù)測(cè)不同流速和不同室外空氣狀態(tài)下閉式冷卻塔的出口水溫和噴淋水水溫。

本課題基于能量守恒定律，以逆流式濕式冷卻塔為研究對(duì)象，從塔單獨(dú)運(yùn)行的角度出發(fā)，考察了不同操作參數(shù)對(duì)塔熱力學(xué)性能的影響。推導(dǎo)了微分方程來描述空氣溫度、濕度和水溫沿塔高方向的變化，應(yīng)用C語言編程，采用龍格庫塔法，實(shí)現(xiàn)冷卻塔模型的計(jì)算。分析了空氣濕球溫度、水流量和進(jìn)塔水溫對(duì)于冷卻塔中空氣干球溫度、空氣濕度、水溫和顯熱交換潛力（水與空氣溫差）的影響。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 模型的建立

冷卻塔中，水從上向下流，空氣從塔底向上移動(dòng)，水將熱量傳遞給空氣，自身溫度降低。傳熱方式主要是接觸傳熱和蒸發(fā)傳熱，不考慮輻射傳熱。接觸傳熱是由于水與空氣之間存在溫度差而產(chǎn)生的，蒸發(fā)傳熱是由水分子的運(yùn)動(dòng)引起的。冷卻過程如圖1所示。圖中m為質(zhì)量流量、h為焓、Q為傳熱速率；下標(biāo)a表示空氣，下標(biāo)w表示水，下標(biāo)S表示顯熱，下標(biāo)L表示潛熱。

圖1 冷卻塔參數(shù)

理論上，水與空氣接觸時(shí)，若水面溫度等于空氣的濕球溫度，水溫將停止下降，這時(shí)蒸發(fā)傳熱量與空氣傳給水的熱量處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，水面溫度達(dá)到極值。但是冷卻塔的實(shí)際運(yùn)行不可能達(dá)到極限。為便于簡(jiǎn)化和計(jì)算，作如下假設(shè)[7]：

（1）傳熱傳質(zhì)變化過程僅考慮垂直方向；（2）忽略冷卻塔向環(huán)境的散熱；（3）忽略塔與空氣和水的傳熱；（4）傳熱系數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)取常數(shù)；（5）路易斯數(shù)取常數(shù)；（6）忽略風(fēng)吹引起的水損失；（7）各斷面水溫一致；（8）填料面積沿垂直方向不變。

根據(jù)以上假設(shè)結(jié)合冷卻過程的質(zhì)量和能量平衡，依照文獻(xiàn)[7]確定求解方程：

冷卻水流率沿塔高的變化率如（6）式所示[7]：

沿塔高方向，由于水分蒸發(fā)引起的空氣濕度變化如式（9）所示：

2.2 模型的求解

（1）出口空氣的熱力學(xué)性質(zhì)很大程度上依賴于進(jìn)口空氣的飽和程度，因此選擇低、中、高三種不同進(jìn)口空氣干球溫度（見表1）來考察外界環(huán)境對(duì)塔內(nèi)空氣熱力學(xué)性質(zhì)的影響；

表1 空氣物性℃

（2）蒸發(fā)過程依賴于水與空氣的質(zhì)量流量比，選取mw/ma為0.5和1，考察不同流量比下塔內(nèi)的熱力學(xué)性質(zhì)；

（3）水的蒸發(fā)與進(jìn)口水溫也有密切的聯(lián)系，進(jìn)塔水溫超過50℃容易引起塔內(nèi)結(jié)垢和腐蝕[8]，故選取進(jìn)口水溫30℃、35℃、40℃和45℃為研究對(duì)象。

對(duì)式（12）、式（13）及式（14）三個(gè)方程進(jìn)行求解，根據(jù)冷卻塔工況數(shù)據(jù)，以0.1 m填料層高度為步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，如圖2所示，應(yīng)用C語言編程，由塔底到塔頂采用龍格庫塔法對(duì)方程進(jìn)行求解。

圖2 填料層劃分

3 冷卻塔特性分析

3.1 空氣濕球溫度的影響（水進(jìn)塔溫度為40℃）

如圖3（a）所示，在空氣濕球溫度為6.3℃和20.8℃時(shí)，沿塔高空氣干球溫度升高,在空氣濕球溫度為27℃時(shí)，空氣干球溫度在塔底略增加，隨后沿塔高基本不變。在空氣濕球溫度為6.3℃時(shí)，空氣干球溫度上升的幅度最大，即濕球溫度越低，沿塔高空氣干球溫度增加幅度越大。由圖3（b）可知,沿塔高空氣的濕度增加，不同空氣濕球溫度下增加趨勢(shì)基本一致。在塔底部，空氣濕度增加明顯，沿塔高空氣濕度變化曲線斜率降低，即空氣濕度增加的幅度降低。

圖3 不同濕球溫度下空氣干球溫度和濕度沿塔高的變化趨勢(shì)

如圖4所示，從塔頂?shù)剿?，三種不同空氣狀態(tài)下水溫均降低，其中濕球溫度為6.3℃的空氣狀態(tài)下水溫下降幅度最大。這是由于空氣濕球溫度的降低會(huì)導(dǎo)致冷卻塔內(nèi)水汽化分率增加，因此使冷卻溫差增大，即冷卻效果增強(qiáng)。

3.2 水與空氣進(jìn)料質(zhì)量流量比的影響（水進(jìn)塔溫度為40℃）

從圖5（a）可以看出，隨著水與空氣質(zhì)量流量比的增加，空氣出口干球溫度增加；由圖5（b）可以看出，水與空氣質(zhì)量流量比對(duì)空氣濕度的影響與對(duì)空氣干球溫度的影響基本一致，水與空氣質(zhì)量流量比越大，空氣濕度增加幅度越大，因此在空氣流量一定的情況下，通過增加水的質(zhì)量流量能夠加熱和增濕空氣。

圖4 不同濕球溫度下水溫沿塔高變化

圖5 不同質(zhì)量流量比下干球溫度和濕度沿塔高的變化趨勢(shì)

3.3 進(jìn)口水溫的影響（空氣干球溫度22.84℃，濕球溫度20.8℃，水與空氣質(zhì)量流量比為1）

如圖6所示，不同進(jìn)口水溫下空氣干球溫度和濕度變化趨勢(shì)一致。增加進(jìn)口水溫，空氣與水的傳熱溫差增大，使得空氣干球溫度升高幅度增大。同時(shí)，增加進(jìn)口水溫，水表面的飽和蒸汽壓增大，而空氣中水蒸氣的分壓力并沒有變化，水與空氣分壓差增大，蒸發(fā)水增多，空氣濕度升高幅度增大，即隨著水進(jìn)口溫度的升高，空氣出口溫度和濕度也相應(yīng)升高。

圖6 不同進(jìn)塔水溫下空氣干球溫度和濕度沿塔高的變化趨勢(shì)

進(jìn)塔水溫升高，熱水與冷空氣之間的傳熱溫差增大，接觸散熱量增加，因此水溫降低幅度略增大。從圖7可以看出，在塔底部水溫下降幅度較大，到0.7 m塔高時(shí)，水溫變化幅度減小。

4 結(jié)論

對(duì)冷卻塔進(jìn)行模擬，分別得出空氣干球溫度、空氣濕度、冷卻水溫度和顯熱交換潛力在塔內(nèi)沿填料層的變化情況：

圖7 不同進(jìn)塔水溫下水溫沿塔高的變化趨勢(shì)

（1）降低進(jìn)口空氣濕球溫度，濕空氣的干球溫度上升幅度增大，同時(shí)空氣對(duì)蒸發(fā)水的吸收量增大，增加了水溫降低的幅度，提高了塔的熱力學(xué)性能。

（2）進(jìn)口水溫度的增加使得空氣干球溫度和濕度增加，塔內(nèi)的接觸散熱與蒸發(fā)散熱增強(qiáng)，冷卻塔內(nèi)的換熱增強(qiáng)，冷卻水的進(jìn)出口溫差略增大。

（3）增加水與空氣的質(zhì)量流量比使得空氣干球溫度增加，由于空氣吸收蒸發(fā)水的量增加，空氣濕度增大。

[1] 程艷花.自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔性能評(píng)價(jià)及環(huán)境側(cè)風(fēng)影響的試驗(yàn)研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2007.

[2] Williamson N,Behnia M,Armfield S W.Thermal optimization of a natural draft wet cooling tower[J].International. Journal ofEnergyResearch,2008,32(14):1349-1361.

[3] FisenkoS P,Brin A A,Petruchik A I.Evaporative coolingof water in a mechanical draft cooling tower[J].International Journal ofHeat and Mass Transfer,2004,47(1):165-177.

[4] Qureshi B A,Zubair S M.A complete model of wet cooling towers with fouling in fills[J].Applied Thermal Engineering, 2006,26(16):1982-1989.

[5] 韓琴,劉德有,陳負(fù)山,等.大型冷卻塔熱力計(jì)算模型[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,37(5):591-595.

[6] 鄭偉業(yè),朱冬生,宋進(jìn),等.閉式冷卻塔的計(jì)算模擬[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào),2012,26(2):216-221.

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Characteristics Study of Counter-current Wet Cooling Tower for Circulating Cooling Water System

Wang Xiaohong Tian Peng

Counter-current wet cooling tower is treated as the research object to elaborate the effect of wet bulb temperature of air,mass flow rate of water and inlet water temperature on the thermodynamic performance of the cooling tower.The greater decrease in water temperature,the better cooling capacity the tower performs.The results show that the cooling capacity decreases with increasing the wet bulb temperature of inlet air or the mass ratio of water to air.The change in the inlet water temperature does not seriously affect the cooling effect of the cooling tower.The sensible heat exchange potential decreases along the height of the tower with a higher mass flow ratio of water to air while increases with a lower ratio.

Cooling tower;Mathematical model;Characteristic study

TK124

2014年8月

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2011BL010）；山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目（J11LB65）

王曉紅女1968年生副教授研究方向：化工系統(tǒng)工程