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密闭式冷却塔的优化设计

日期:2021-04-05 11:52 / 浏览数:

密闭式冷却塔源于工业用的蒸发冷却器,而实际上仍是一种将水冷却式冷却器和常规冷却塔的性能相结合的热交换器。冷却60℃~80℃的流体时,采用蒸发冷却器比空冷式热交换器有利,因为它利用了管外侧水的蒸发潜热,具有比空冷式热交换器传热面积少的优点,只有管外壁容易结垢而影响冷却效果的问题,一直困扰着它的应用。但对被冷却工质在50℃以下的情况来说,结垢问题并不严重,这对于要求被冷却介质洁净或空气污染严重的场合来说,密闭式冷却塔成了必须且合适的选择。随着环保、节能要求的日益迫切和各种换热设备的小型化发展,对密闭式冷却塔的需求也日益增加。蒸发冷却器的设计,国内外研究已较多,但按常规的设计方法,所需的盘管换热面积较大、塔体笨重、造价昂贵,有待改进,本文就有关设计的优化问题进行讨论。
 

优化设计的目标

  在密闭式冷却塔中,热量从管内的工艺流体经管壁传给管外流动的水,再从水传给空气,而水向空气的传热,是由水蒸发的潜热传热和水与空气的显热交换组成的。对盘管段微元高度dz来说,喷淋水热量的得失GwCwdtw等于管内工艺流体失去的热量GfCfdtf与空气得到的热量Gad i之差。除了被冷却工质的进出口温度和流量及大气干湿球温度、大气压等设计参数外,风量、喷淋水量、淋水密度、喷淋水水温、盘管的尺寸和内外形状及布置形式,管程数(管内流)、空气和工艺流体及喷淋水三者间的流向关系等对塔的设计都有影响,而且在某些结构形式中,不少因素是相互制约的,如逆流塔(喷淋水和空气流向相反,盘管簇水平放置且工艺水下进上出),塔内风速与淋水密度就是相互关联的。设计优化的目标在于确定当工艺流体所需释放的热量全部被空气带走时,恰好让出塔的空气达到饱和,而因此所花的代价(将制造成本与运行成本综合考虑)最低。
 

围绕盘管的优化

   对圆光管来说,Kfw与管内流体界膜导热系数αi、管外喷淋水界膜导热系数αo、管内外壁污垢热阻rI和ro、管材导热系数λ及管子内、外直径dI和do有关,以管外表面为基准。且以工艺流体进出口平均温度tf为定性温度,而εt=(μfμpw)0.25为大温差下管内液体被冷却时的温度修正系数,μf和μpw分别为以流体平均温度和壁面平均温度为定性温度时的流体动力黏度。αo与管簇布置形式有关,各文献的经验公式和使用范围有所差异,对水平光管簇的盘管形式,若单位宽度上的喷淋水量为Γ(kgm·s),当Γdo为0.194kgm2·s~0.556kgm2·s及do为0.0127m~0.04m时,αo=2.1×103×(Γdo)13(1);当Γdo为1.389kgm2·s~3.056kgm2·s及最小截面处湿空气的质量速度Vmax为0.694kgm2·s~5.278kgm2·s时,αo=9.8×102×(1+0.016tf)(Γdo)13 (4)。
 
 
  对水平放置的光管簇,Kwa在不同的文献上也给出了不同的经验公式。在空气雷诺数Rea=do.Gaμa为1.2×103~1.4×104,喷淋水雷诺数Rew=4Γμw为50~240,管径do为0.0127m~0.04m,管间距p与管径do之比为1.5~3.0条件下:
 
   Kwa=4.457×10-4( Gaμa)0.9(Γμw)0.15 do-0.7P(5)式中,μa和μw分别为空气和喷淋水的黏度(kgm·s)。在Vmax为0.694kgm2·s~5.278kgm2·s和Γdo为1.389kgm2.s~5.278 kgm2.s范围内,1Kwa=20.4Vmax-0.905+8.5985×10-5 did tw(6)根据式(4)和式(5)或式(6),理论上可有几种优化方式
 
   1)采用内螺纹管,强化管内流体的界膜导热系数αi,这一研究主要集中在有相变的水平管内流动,即蒸发器或冷凝器的优化中,而在密闭式冷却塔的实际应用中还不多见。
 
   2)采用复合翅片管,强化管外喷淋水的界膜导热系数αo。这一方案应用于密闭式冷却塔的理论计算已不成问题,结果表明在管排数、塔体高度和塔重等方面比采用光管的密闭塔有较明显的减少,这是因为一般情况下,管外侧界膜热阻相对较大,强化它比较有效,但这时所需的喷淋水量也较大。
 
   3) 改圆管为椭圆管,长轴与气流方向及喷淋水方向一致,这一方案在密闭式冷却塔中已有实际应用,且同时影响Kfm和Kwa,但对其机理有待进一步研究。
 
   4)适当提高管内流速,对αi的增大有明显的效果,但流动阻力的增大也较明显。
 
   5)采用直径较小的管子,对αi和αo的强化及管金属热阻的减小都有好处,Kwa的增大则更明显,但管内流体流动阻力和管外空气流动阻力也会有所增大。
 
  对以上1)点~3)点,由于强化管的成本比光管高,这些方案实施的可行性取决于因强化而节省成本,是否大于强化管本身成本的升高,另外还需注意以下问题:
 
  ①关于管子热阻。理论上采用管材导热系数大的金属,有利于导热,但与其他热阻相比,一般情况下此项仅是其他单项热阻的15~120,而铝合金、铜管与镀锌钢管的λ比约为21~61,因此在一般密闭式冷却塔中,选择镀锌钢管将大大降低成本,且有利于提高盘管的强度和刚度,而冷却塔性能却不会受到很大影响。
 
  ②关于污垢热阻。结垢是影响密闭式冷却塔性能的一大顽症,其危害性比我们想象的要厉害得多。如果指望有一定的防垢措施而在设计中取小rI或ro将是危险的,尤其在那些水质硬度较大的地区。对工艺流体温度较高的冷却塔,设计中取0.00022m2·oCW的污垢系数较安全,对工艺流体温度较低的冷却塔,设计中可取0.00017m2·oCW左右。对除垢问题,较经济的做法还是定期清洗。
 
  ③风量与淋水密度的选取要与管内工艺流体到喷淋水的传热性能相匹配,增大风量和淋水密度会提高Kwa,但将使设备和运行成本提高,是不经济的。
 
用预冷却技术优化设计
  过去对密闭式冷却塔的设计,都建立在twi= two的边界条件上,即由于喷淋水是循环的,所以盘管区入口的喷淋水温度twi等于盘管区出口处的喷淋水温度two。鉴于喷淋水的温度对传热面积数有很大的影响,在喷淋水循环过程中加入一个喷淋水的预冷却过程,将大大减少盘管长度。虽然预冷却过程增加了一些填料,风量也会增大,但总的成本将有所降低。对工艺流体温度较高的冷却塔来说,这是一个有前途的优化措施。国内外也有了若干基于这一原理的各种塔型,其中一些已取得中国实用新型专利。
 
  举一实例对比如下:
  设计条件:大气压力P=100391.46Pa(753mmHg),空气干球温度θ=31.5℃,空气湿球温度τ=28℃,处理水量Q=150th,工艺水进塔水温T1=37℃,出塔水温T2=32℃。但采用这一技术需要注意以下几个问题:
 
   1)如果盘管区与填料区相并联并且共用一个风机,风量匹配是个难点。
   2)果盘管区与填料区相串联,两者冷却性能将相互影响,寻找一个最佳的结合点是关键。
   3)如果密闭塔的工艺流体温度较低,喷淋水的温度也不会高,对填料区来说,由于冷幅较小,会使所需填料体积很大,往往得不偿失,所以不适合采用预冷却。
 
结论
  根据以上分析和实践经验,围绕优化目标,得到以下结论:
   1)密闭式冷却塔的优化应侧重于管外侧强化传热。适当增大管内流速和采用小管径,是现实和有效的强化措施。优化应放在管径与塔的技术经济性的关系上。
 
   2)对一般的密闭式冷却塔来说,应尽量选用镀锌钢管以降低设备成本。