探究高效閉式冷卻塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)及節(jié)能運(yùn)行

梁慧超

（大同煤業(yè)金鼎活性炭有限公司，山西大同 037003）

閉式冷卻塔也被人們稱(chēng)作是蒸發(fā)式冷卻器，在應(yīng)用操作的時(shí)候會(huì)將風(fēng)冷、水冷、傳熱等融合在一起，是水冷式冷卻器和涼水塔等一體化結(jié)構(gòu)的高效冷卻設(shè)備，在應(yīng)用的時(shí)候會(huì)利用水的蒸發(fā)潛熱帶走工藝流體熱量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝流體的冷卻。閉式冷卻塔在應(yīng)用操作過(guò)程中具有節(jié)能、節(jié)水、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、使用費(fèi)用低的特點(diǎn)[1]。在節(jié)能減排發(fā)展要求下，閉式冷卻塔也被提出了高效設(shè)計(jì)的要求，即管內(nèi)工質(zhì)所釋放的熱量在被空氣全部帶走的時(shí)候，空氣恰好達(dá)到飽和狀態(tài)，且在這個(gè)狀態(tài)下所花費(fèi)的制造費(fèi)用和運(yùn)行成本費(fèi)用最低。閉式冷卻塔內(nèi)部傳熱傳質(zhì)性能的優(yōu)劣深刻影響其冷性能和節(jié)能成效[2]。為此，高效閉式冷卻塔的設(shè)計(jì)需要充分考慮冷卻塔內(nèi)部的傳熱性質(zhì)。

1 對(duì)閉式冷卻塔內(nèi)部換熱模型

（1）對(duì)閉式冷卻塔內(nèi)部換熱模型的建立

結(jié)合前人的研究結(jié)果，在考慮水分蒸發(fā)質(zhì)量變化情況下，對(duì)冷卻塔的換熱模型進(jìn)行了優(yōu)化處理。根據(jù)冷卻塔內(nèi)部復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過(guò)程構(gòu)造閉式冷卻塔內(nèi)部換熱物理模型。閉式冷卻塔內(nèi)部換熱物理系統(tǒng)主要包含冷卻盤(pán)管內(nèi)冷卻水與管外噴淋水傳熱過(guò)程、管外噴淋水膜和空氣之間的熱質(zhì)傳遞過(guò)程[3]。在模型建立的時(shí)候做出以下的假設(shè)：第一，在穩(wěn)定的條件下進(jìn)行傳熱傳質(zhì)；第二，在一定的溫度下，物性參數(shù)不會(huì)隨著溫度發(fā)生變化；冷卻水溫度、噴淋水溫度簡(jiǎn)化為一維模型。結(jié)合守恒定律建立了較為準(zhǔn)確的傳熱傳質(zhì)微分方程組?？諝獾牡脽崃坑?jì)算如式（1）所示。管外噴淋水的熱量微分方程如式（2）所示。管外噴淋水質(zhì)量的變化如式（3）所示。管內(nèi)冷卻水失去的熱量如式（4）所示?？諝獗褥手岛秃瑵窳坑伤紫蛩敵尸F(xiàn)出逐漸上升的發(fā)展趨勢(shì)，空氣因?yàn)橄禂?shù)盤(pán)管外噴淋水而使得其含濕量增加。微分方程（1）、（2）、（3）、（4）共同構(gòu)成了閉式冷卻塔的換熱數(shù)學(xué)模型。

其中：Qwa是空氣得熱量（W）；mda是干空氣質(zhì)量流量（kg/s）；hwa是空氣的比焓 （J/kg）；σ是體積質(zhì)傳遞系數(shù)（kg/m3）；f是橫截面積（m2）；z是距冷卻塔塔頂?shù)木嚯x（m）；h＊是管外噴淋水溫度下飽和濕空氣的比焓。

其中：QW是噴淋水得熱量（W）；cw是水的比熱（J/kgK）；tw是噴淋水溫（℃）；mw是噴淋水質(zhì)量流量（℃）；QCW是管內(nèi)冷卻水失去的熱量（W）。

其中：（x″是噴淋水溫對(duì)應(yīng)的飽和空氣的含濕量（g/kg）；x是空氣含濕量（g/kg）。

其中：mcw是管內(nèi)冷卻水的質(zhì)量流量（kg/s）；hcw是冷卻水的比焓（J/kg）；tcw是冷卻水溫度（℃）；k是傳熱系數(shù)（W/m2）；α是單位體積內(nèi)的有效傳熱面積（m2）。

（2）閉式冷卻塔供冷性能分析

閉式卻塔在相同的冷卻水入口溫度下出口溫度越低，證明其冷卻能力和供冷性能越好。對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸一定的閉式冷卻塔來(lái)講，影響其冷性能的主要參數(shù)包含入口空氣干濕球溫度、噴淋水量、空氣流量等[4]。任何一個(gè)參數(shù)的變化在某種程度上都會(huì)影響冷卻塔冷卻水出口溫度和供冷性能。根據(jù)上文構(gòu)造的模型能夠求出空氣濕球溫度。伴隨噴淋水量的增加，冷卻水的出口溫度會(huì)減少，放熱量會(huì)增加，冷卻能力由此提升[5]。

2 高效閉式冷卻塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

（1）熱質(zhì)分析與設(shè)計(jì)計(jì)算

閉式冷卻塔傳熱過(guò)程包括工質(zhì)在管內(nèi)的冷卻、工質(zhì)發(fā)出熱量從管內(nèi)到管外水膜的傳輸、水膜非飽和和蒸發(fā)狀態(tài)下空氣帶走水膜的蒸發(fā)熱，換熱量Q可以表示為Q=Cρpqmp（tpi-tpa）。tpi、tpa是管內(nèi)工質(zhì)的進(jìn)出口溫度（℃）；qmp是工質(zhì)的質(zhì)量流量（kg/s）；Cρp是工質(zhì)的比定壓熱容（kg·℃）。水膜傳質(zhì)系數(shù) hd的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式是hd=0.049?？諝鈧?cè)換熱面積A以及空氣與水膜的接觸面積 Aa分別如（5）、（6）所示。

（2）優(yōu)化方案

通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)過(guò)程中參數(shù)的取值來(lái)降低盤(pán)管換熱面積、換熱部件的壓降，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)能的發(fā)展目的。根據(jù)最優(yōu)化原理，目標(biāo)函數(shù)A、dp、dp，控制變量Vp，由此判斷目標(biāo)函數(shù)的影響程度，得到最優(yōu)化的運(yùn)行參數(shù)。

3 閉式冷卻塔運(yùn)行參數(shù)最優(yōu)化

為了能夠讓設(shè)計(jì)的閉式冷卻塔在滿足換熱要求的同時(shí)能耗消耗降低到最小，需要對(duì)各個(gè)運(yùn)行參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的影響程度進(jìn)行分析。文章選擇應(yīng)用φ25 mm×φ2.5 mm紫銅管，錯(cuò)落有致的安排布置，銅管之間的間距是50 mm，排距是43 mm，管內(nèi)外污垢的熱阻取值是0.000 4 J/（m2s℃），因此確定設(shè)計(jì)換熱量約為1 841 kW[6]。

（1）工質(zhì)流速

管內(nèi)工質(zhì)流速對(duì)管程壓降、管內(nèi)工質(zhì)流速對(duì)外掠管束壓降，dp1會(huì)隨著Vp的增加而增加，和管程壓降同流速的二次方呈現(xiàn)正比關(guān)系[7]。在一定流速范圍內(nèi)，Vp對(duì)dp不會(huì)產(chǎn)生影響。為了滿足盡量以較小的A獲得較大的K，Vp取兩條曲線的相交點(diǎn)，即在1.2 m/s的情況下最為合適。

（2）噴淋密度

Γ對(duì)dp基本不存在影響，在Γ大概等于0.065的時(shí)候，dp1和dp會(huì)突然變小，而出現(xiàn)這種情況的原因是管程數(shù)的變化[8]。

（3）迎面風(fēng)速

dp1會(huì)隨著Va的增長(zhǎng)而出現(xiàn)震蕩減小的情況，出現(xiàn)這種情況的原因是Va的增加加強(qiáng)了空氣的湍流度，提升了換熱效率，對(duì)于確定的K相當(dāng)于減少了流速Vp，dp1也會(huì)因此而減少。dp隨著Va的增長(zhǎng)而振蕩增加，這是因?yàn)閐p和空氣流量qma成正比，對(duì)于確定純的盤(pán)管dp也和Va呈現(xiàn)出正比關(guān)系。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在一定的范圍內(nèi)，為了使設(shè)計(jì)換熱面積和壓降綜合最小，運(yùn)行參數(shù)和推薦數(shù)值分別是：工質(zhì)流速1.2 m3/s、噴淋密度0.12 kg/ms、迎面風(fēng)速3 m3/s、配風(fēng)量150～200 m3（kWh）。在這樣的要求下能夠使閉塔換熱面積和壓降綜合達(dá)到最小，從而有效節(jié)省閉塔投資成本和運(yùn)行綜合費(fèi)用。