閉式冷卻塔結(jié)構(gòu)介紹及熱力計算分析

黃莉萍，劉自力

(中國能源建設(shè)集團湖南省電力設(shè)計院有限公司,湖南長沙 410007)

前言

帶閉式冷卻塔的循環(huán)水系統(tǒng)是一種成熟的循環(huán)冷卻水工藝系統(tǒng)，國內(nèi)外帶閉式冷卻塔的循環(huán)水系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于航天、電子、儀表、紡織、化工、鋼鐵等行業(yè)。閉式冷卻塔又叫蒸發(fā)式冷凝器、蒸發(fā)冷卻器等，它是集濕冷、空冷于一身，具有兩種散熱功能，冬季循環(huán)水介質(zhì)經(jīng)過換熱盤管表面將熱直接傳給空氣;其它季節(jié)換熱盤管表面自循環(huán)噴水，循環(huán)介質(zhì)將熱由換熱盤管傳給其表面的噴淋的水層，噴淋的水層與空氣接觸，通過傳熱與蒸發(fā)將熱量傳給空氣。

1 閉式冷卻塔的結(jié)構(gòu)及種類

閉式冷卻塔結(jié)構(gòu)如圖1所示，一般由風機、換熱盤管、自循環(huán)水泵、配水系統(tǒng)（噴淋水系統(tǒng))、收水器、塔體結(jié)構(gòu)、填料（有的塔沒有填料）和閘閥等組成。循環(huán)冷卻水在換熱盤管內(nèi)流動換熱，與空氣不接觸，與污染源隔離，能保證循環(huán)冷卻水的水質(zhì)。

閉式冷卻塔按有無填料可以分為兩種：一種是塔內(nèi)布置有淋水填料,另一種是塔內(nèi)無淋水填料。按冷卻塔的外殼材質(zhì)可分為鍍鋅鋼板閉式冷卻塔、鍍鋁鎂板閉式冷卻塔、不銹鋼閉式冷卻塔、玻璃鋼閉式冷卻塔和混凝土閉式冷卻塔。按換熱盤管的材質(zhì)可分為銅管閉式塔、不繡鋼管閉式塔、碳鋼管閉式塔、鈦管閉式塔和鋁管閉式塔。按風機的類型可分為抽風式閉式塔、鼓風式閉式塔。按水氣的流動方式又可分為橫流式閉式塔和逆流式閉式塔。

常用的無淋水填料的閉式塔的換熱盤管和通風布置也有兩種方式，一種是水氣為逆流式，另一種是橫流式。一般常常采用無填料抽風逆流式閉式塔，外界冷空氣由進風柵進入閉式塔內(nèi)，與淋水、換熱盤管上的水膜進行傳熱傳質(zhì)，經(jīng)過淋水裝置和收水器由風機排出塔外；熱水由換熱盤管的入口進入將熱量由換熱盤管傳給淋水和空氣后從出口流出；塔內(nèi)的淋水由自備水泵將水送入淋水裝置，淋水裝置將自循環(huán)的水噴灑在換熱盤管上，經(jīng)過與換熱盤管的傳熱以及空氣的傳熱傳質(zhì)后落入集水箱供自循環(huán)使用。集水箱安裝有自動補水閥門，當自循環(huán)的集水箱因蒸發(fā)水位下降至某位置時，閥門開啟自動補水。

圖1 閉式冷卻塔結(jié)構(gòu)圖

2 閉式冷卻塔的熱力分析計算

2.1 閉式冷卻塔的熱交換流程

閉式冷卻塔熱力計算的難點主要集中在換熱盤管區(qū)域的熱力計算。閉式冷卻塔傳熱模式如圖2所示。

圖2 閉式冷卻塔傳熱模式圖

閉式冷卻塔換熱盤管的換熱主要過程為：換熱盤管中流體的熱量對流換熱到換熱盤管圓管內(nèi)壁，再導熱傳遞到換熱盤管圓管外壁。自循環(huán)噴淋水在換熱盤管圓管外壁形成水膜，換熱盤管圓管外壁熱量經(jīng)水膜傳遞到冷卻塔內(nèi)部的對流空氣，并通過空氣將熱量帶出。

2.2 閉式冷卻塔的換熱盤管熱力計算

為推導逆流式閉式冷卻塔換熱盤管的總傳熱系數(shù)計算時需進行如下假定：

以水膜在整個換熱器中為平均的水膜溫度，并保持不變；

水膜的表面積近似等于盤管的表而積，盤管可視為薄壁管；

自循環(huán)水被平均地分布于不同的換熱盤管管排上，每一根盤管的表面都存在水膜。

換熱盤管的換熱性能直接影響整個換熱的工作效率，而總傳熱系數(shù)K是影響換熱性能的重要參數(shù)，總傳熱系數(shù)由管內(nèi)側(cè)換熱熱阻、管壁和污垢換熱熱阻以及管外側(cè)水膜換熱熱阻等串聯(lián)組成，其大小直接影響閉式冷卻塔盤管換熱面積的選擇。

（1）根據(jù)熱平衡方程式計算換熱盤管的換熱量

式中：W——換熱量，kW；

Q——盤管內(nèi)的熱水的流量，kg/s；

CW——水的比熱，4.187 kJ/(kg·℃)；

t1——換熱盤管出口水溫，℃；

t2——換熱盤管進口水溫，℃。

（2）總傳熱系數(shù)

式中:k——總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

a0——換熱盤管外壁與管外水膜之間傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

r0——換熱盤管外的水垢熱阻力，(m2·℃)/W；

δ——換熱盤管的的厚度，m；

λ——換熱盤管的導熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

di、d0——分別為換熱盤管圓管內(nèi)徑、圓管外徑，m；

dm——換熱盤管圓管平均直徑，m ；

ri——換熱盤管內(nèi)的水垢熱阻力，(m2·℃)/W；

ai——換熱盤管內(nèi)流體與管內(nèi)壁之間傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

（3）總傳熱系數(shù)的主要影響要素a0、a i的計算及r0、ri取值。

a）盤管內(nèi)流體與管內(nèi)壁之間傳熱系數(shù)ai

式中：Nuf——努謝爾數(shù)，Nuf=0.023Re0.8Prn；

大齡單身男女最怕被問的不是事業(yè)，而是婚姻；老人最惦記的不是自己，而是兒女啥時候結(jié)婚生娃。人與人之間應(yīng)該有心理邊界，父母過問兒女婚事要適度，盡量正面引導，否則不僅會破壞親情，還可能起反作用，影響兒女理性選擇。

V——水在管內(nèi)的流速，m/s；

μ——流體的運動粘度，Pa.s；

ρ——水的密度，kg/m3；

b）盤管外壁與管外水膜之間傳熱系數(shù)a0

式中：twr——自循環(huán)噴淋水的平均溫度，℃；

Γ——自循環(huán)噴淋水的密度，kg/m2·s。

c）盤管內(nèi)外的水垢熱阻力r0、ri

（4）計算換熱盤管的換熱面積

式中：F——換熱盤管換熱面積，m2；

B——水垢系數(shù)，汽水換熱取0.9～0.85，水水換熱取0.8～0.7；

Δtpj——對數(shù)平均溫差，℃,

Δta、Δtb——盤管內(nèi)外入口及出口處的最大、最小溫度差值，℃。

利用式（5）初步得到閉式冷卻塔的換熱盤管換熱面積。實際上在進行閉式冷卻塔選型時，還要通過噴淋水水膜到空氣的散質(zhì)系數(shù)Km計算出的盤管換熱面積進行修正得到最終的換熱面積。噴淋水水膜到空氣的散質(zhì)系數(shù)Km其值與水膜的狀態(tài)和厚度有關(guān)，也與自循環(huán)水量、風速、風量、盤管直徑、盤管布置形式等參數(shù)有關(guān)，一般由生產(chǎn)廠家通過試驗及經(jīng)驗獲得。

3 某工程設(shè)計案例

某電廠輔機循環(huán)水系統(tǒng)采用帶閉式冷卻塔的循環(huán)水系統(tǒng)，盤管內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)的補充水為除鹽水，自循環(huán)噴淋水水水質(zhì)為pH值：6.5～8.5；懸浮物（SS）：≤20 NTU；氯離子（Cl-）：平時 4 000～5 000 mg/L，最大到7 000 mg/L。

設(shè)計條件見表1。

表1 設(shè)計條件

利用式（1）計算W=QC(t2-t1)=2361 kW；利用式（2）K=885 W/(m2·℃)；利用式（5）得F=850.7 m2。經(jīng)過修正得到最終的換熱面積取值F=860 m2。

4 結(jié)論

通過閉式冷卻塔換熱盤管熱交換理論分析，從數(shù)學上分析各熱阻的影響要素，計算出閉式冷卻塔換熱盤管面積，同步考慮盤管生產(chǎn)廠家試驗和經(jīng)驗，為閉式冷卻塔的選型設(shè)計提供參考。