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，空氣利用冷卻塔內(nèi)風(fēng)機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)化目標在于使在工藝流體放熱完全被空氣吸收時，空氣在出塔時也恰好為飽和狀態(tài)，這種理想狀態(tài)中，在考慮制造與運行成本時，能得到最低的造價。

1）閉式冷卻塔的優(yōu)化應(yīng)從強化管外側(cè)傳熱著手。實現(xiàn)強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現(xiàn)。

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

3 閉式冷卻塔換熱計算方法

3.1 熱力計算原理

計算思路: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)計參數(shù)算出。根據(jù)設(shè)計目標選擇造價最低或運行成本最低、壽命期內(nèi)最經(jīng)濟，塔體體積最小的方案。

3.2 計算步驟

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，噴淋水實質(zhì)上充當(dāng)了媒介。工程設(shè)計所需條件有：大氣壓P，被冷卻介質(zhì)進口溫度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、進風(fēng)風(fēng)速、淋水密度及管內(nèi)流速的經(jīng)驗取值，初步選擇風(fēng)量Q，進風(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)平均焓差法計算，為方便計算可先給賦初值，代入式(4)計算，直到所得填料體積與假定的填料體積大致相等，可認為相對于成立。

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：

因為噴淋水得到的熱量分兩部分，一是經(jīng)盤管得到被冷卻水的熱量，二是在盤管壁外與空氣進行對流及蒸發(fā)時的散熱，實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，便認為ts相對于tm成立。所設(shè)定盤管的表面積計算如下：

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)，但換熱過程的細節(jié)完全得到展示，不過除部分靠資料或經(jīng)驗值外，相關(guān)的換熱系數(shù)還需配套試驗獲得。在模擬塔的多個工況中，通過實測和，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的熱力計算中用到這些參數(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，同時采用預(yù)冷卻技術(shù)。

閉式冷卻塔時吸取了開式冷卻塔和干式冷卻塔的優(yōu)點后的產(chǎn)物，既達到了冷卻水水質(zhì)要求又保證了冷卻負荷，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)在的研究要達到能夠制定規(guī)范的標準還差很遠；

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

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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