閉式冷卻塔結(jié)構(gòu)介紹及熱力計(jì)算分析

黃莉萍，劉自力

(中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)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(fēng)機(jī)、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(dòng)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(fēng)機(jī)的類型可分為抽風(fēng)式閉式塔、鼓風(fēng)式閉式塔。按水氣的流動(dòng)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(fēng)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(fēng)逆流式閉式塔，外界冷空氣由進(jìn)風(fēng)柵進(jìn)入閉式塔內(nèi)，與淋水、換熱盤管上的水膜進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，經(jīng)過淋水裝置和收水器由風(fēng)機(jī)排出塔外；熱水由換熱盤管的入口進(jìn)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(dòng)補(bǔ)水閥門，當(dāng)自循環(huán)的集水箱因蒸發(fā)水位下降至某位置時(shí)，閥門開啟自動(dòng)補(bǔ)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(jì)算

2.1 閉式冷卻塔的熱交換流程

閉式冷卻塔熱力計(jì)算的難點(diǎn)主要集中在換熱盤管區(qū)域的熱力計(jì)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(dǎo)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(jì)算

為推導(dǎo)逆流式閉式冷卻塔換熱盤管的總傳熱系數(shù)計(jì)算時(shí)需進(jìn)行如下假定：

以水膜在整個(gè)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(gè)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(jì)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(jìn)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(dǎo)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(jì)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(shí)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(dǎo)，否則不僅會(huì)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(yùn)動(dòng)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(jì)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(shí)際上在進(jìn)行閉式冷卻塔選型時(shí)，還要通過噴淋水水膜到空氣的散質(zhì)系數(shù)Km計(jì)算出的盤管換熱面積進(jìn)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(fēng)速、風(fēng)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(yàn)及經(jīng)驗(yàn)獲得。

3 某工程設(shè)計(jì)案例

某電廠輔機(jī)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(bǔ)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(shí) 4 000～5 000 mg/L，最大到7 000 mg/L。

設(shè)計(jì)條件見表1。

表1 設(shè)計(jì)條件

利用式（1）計(jì)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(xué)上分析各熱阻的影響要素，計(jì)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(yàn)和經(jīng)驗(yàn)，為閉式冷卻塔的選型設(shè)計(jì)提供參考。