機械通風冷卻塔冷凝節水消霧特性的耦合研究

李 森 楊玉杰 劉忠超 趙元賓

(1.國能寶清煤電化有限公司,黑龍江 雙鴨山 155600;2.山東大學能源與動力工程學院,山東 濟南 250061;3.濟南藍辰能源技術有限公司,山東 濟南 250101)

0 引言

冷卻塔廣泛用于冶金、電力、化工等領域工業用水的冷卻[1-2]。在以傳熱傳質形式將熱量釋放至環境過程中,出塔濕空氣遇冷凝結形成可沉降霧羽,即造成大量的循環水損失,還對周圍環境產生不利影響[3-5],因此,冷卻塔消霧節水研究成為近年來的研究熱點。

目前,冷卻塔消霧節水方式主要有干濕聯合消霧和冷凝消霧2種。其中,干濕聯合消霧節水冷卻塔,在冷卻塔頂部增加翅片管換熱器或者在冷卻塔填料上部側面增加翅片管換熱器[6-7]。通過干區散熱,減少水蒸發,達到節水消霧的目的[8]。陳鐵峰等[9]與胡少華等[10]綜合評價了干濕聯合冷卻消霧冷卻塔的消霧節水性能、冷卻性能。干濕聯合消霧冷卻塔干段換熱器對防腐要求較高,且易發生堵塞等問題,影響換熱器的性能,并大大地減弱其消霧節水性能[11-13]。

而冷凝式消霧節水冷卻塔,則在冷卻塔收水器上方氣室中安裝一種板式交叉氣-氣換熱器消霧模塊,設計冷熱通道,利用塔外干冷空氣對塔內濕熱空氣進行間壁式冷凝。王為術等[14-15]構建了冷凝收水裝置設計計算流程。賈明曉等[16]則對冷凝式消霧節水冷卻塔的出塔空氣參數及節水率進行了試驗研究,在估算蒸發量的基礎上計算了試驗工況下節水率。DEZIANI M 等[17]則對冷凝消霧節水進行了實驗室試驗,節水率可達35%左右。蔡虹等[18]對2種消霧節水技術方案進行了對比。袁小偉等[19]綜合評價了常見消霧節水技術方案,指出采用消霧節水裝置需權衡增加泵或風機功耗帶來的耗電量與節水收益。

針對冷凝消霧型機械通風冷卻塔核心冷凝模塊,本文建立了其內冷熱空氣間接換熱過程的熱力計算模型并進行了驗證;結合成熟的機械通風冷卻塔熱力計算模型,通過出塔空氣參數的精確計算及機械通風冷卻塔消霧節水特性的耦合研究,系統分析了冷凝模塊關鍵尺寸如冷通道長度、熱通道長度、通道間距及冷凝模塊進風口高度等對其消霧節水性能產生的耦合影響,為帶冷凝模塊的機械通風冷卻塔的設計優化及運行優化等提供了重要的參考。

1 計算模型

1.1 帶冷凝模塊的機械通風冷卻塔

冷凝模塊位于機械通風冷卻塔收水器上方,其冷通道進風口即冷凝模塊進風口位于塔側,冷凝模塊進風口高度為H,冷凝模塊位于其進風口上方一邊邊長定義為冷通道長度Lc;其熱通道與機械通風冷卻塔進風口相通,流經吸熱吸濕的熱濕空氣;冷凝模塊進風口側熱通道的邊長定義為熱通道長度Lh。圖1為一種冷熱通道長度可調的機械通風冷凝消霧節水冷卻塔[20]。

圖1 帶冷凝模塊的機械通風冷卻塔

冷凝模塊為間壁式換熱器,在熱力計算時,利用復合換熱系數作為總傳熱系數[21]。濕熱空氣通過冷凝模塊向干冷空氣傳遞熱量,采用復合傳熱準則[15]關聯式,其濕熱空氣側表面復合換熱系數計算如下,

式中:Nuh為復合努塞爾數;λh為濕熱空氣導熱系數;Deh為熱通道的當量直徑,m。

在冷凝模塊內,既有顯熱交換又有潛熱交換,濕熱側空氣放出的熱量為

式中:qh為濕熱空氣的干空氣質量流量,kg/s;Δh為換熱比焓差,kJ/kg;Δd為濕熱空氣在消霧裝置中的凝水量,kg/s;hw為凝結水的比焓,kJ/kg。

冷空氣側表面換熱系數k c計算如下,

式中:Dec為冷通道的當量直徑,m。

干冷側空氣吸收的熱量為

式中:qc為干冷空氣的質量流量,kg/s;Cc為干冷空氣的比熱,kJ/(kg·K);t'、t″為干冷空氣進出口溫度,℃。

通過冷凝模塊總的換熱量為

式中:k為總傳熱系數;A為換熱面積,m2;ΔTm為對數平均溫差,℃;

冷凝模塊的溫差采用傳熱平均溫差計算,

式中:Ψ為小于1的修正系數;ΔTlm,c為對流平均溫差。

1.2 冷凝消霧評價

機械通風冷卻塔消霧性能評價方法,多基于CTI冷卻塔驗收測試規程[22]和中國工程建設協會有關消霧節水型冷卻塔驗收測試規程[23],其評價參數有出塔空氣最大相對濕度、成霧頻率、塔霧指數等。其中冷卻塔出塔空氣最大濕度曲線是以出塔空氣最大相對濕度為縱坐標,進塔空氣干球或濕球溫度為橫坐標繪制給出;成霧頻率曲線,則取在某一進塔空氣干球溫度對應出塔空氣最大相對濕度等于100%時的進塔空氣相對濕度,在圖上擬合曲線繪制給出;塔霧指數則根據出塔空氣最大相對濕度曲線計算得到所設計的出塔空氣最大相對濕度Rhgc,在實測大氣壓與濕空氣焓圖對應的大氣壓不一致時對實測空氣相對濕度進行修正得Rhc,并定義塔霧指數TPI為兩者之比,即TPI=Rhgc/Rhc。

2 模型驗證

基于表1驗證性冷凝模塊的結構及其設計參數[24],對所建冷凝模塊的熱力計算模型進行了計算驗證。表2為該冷凝模塊文獻數據與所建模型計算結果的對比值。

表1 驗證性冷凝模塊結構及設計參數

表2 針對驗證性冷凝模塊的計算分析

由表2可知,在設計冷熱通道長度、冷熱通道片距下,給定冷通道進口冷空氣參數和熱通道進口熱濕空氣參數時,計算熱通道出口空氣溫度為13.52 ℃,與文獻值14.05 ℃偏差0.53 ℃,誤差-3.77%;計算冷通道出口空氣溫度3.04 ℃,與文獻值2.96℃偏差0.08℃,誤差2.70%;阻力方面,冷熱通道壓降計算值和文獻值偏差分別為1.96%和2.04%。這表明所建冷凝模塊的熱力計算模型,可實現其冷熱通道中冷熱空氣傳熱過程的準確計算。結合已驗證的機械通風冷卻塔熱力計算模型[25]建模方法及表3所示某帶冷凝模塊的機械通風冷卻塔數據[16],計算分析帶冷凝模塊的機械通風冷卻塔的消霧節水特性。

表3 環境空氣參數及冷卻塔運行狀態參數

3 冷凝模塊尺寸對消霧節水性能的影響

3.1 冷熱通道長度對消霧節水性能的影響分析

3.1.1 冷熱通道長度相等

以表3所述某帶冷凝模塊的機械通風冷卻塔參數為研究對象,其冷通道長度Lc和熱通道長度Lh均為1.61 m。同時改變冷凝模塊的冷熱通道長度分別為1.81 m、1.61 m、1.41 m、1.21 m、1.01 m,對比分析其對機械通風冷卻塔消霧節水性能的影響。經計算得到各冷熱通道長度下的成霧頻率曲線、最大相對濕度對比曲線、塔霧指數、節水率等如圖2所示。由圖2可知,消霧性能隨著冷熱通道長度增加逐漸增強,所研究范圍內冷熱通道長度均為1.81 m 時消霧性能最佳,且在空氣干球溫度大于3 ℃后,成霧頻率曲線對應進塔空氣相對濕度可到100%,表明在空氣干球溫度大于3°C后,0～100%環境空氣相對濕度范圍內,所研究熱負荷下冷卻塔出口均無霧羽現象。

圖2 相同冷熱通道長度對消霧節水性能的影響

由圖2(a)可知,隨著冷熱通道長度變小,同等環境空氣干球溫度下,成霧頻率曲線所對應的進塔空氣相對濕度相應減小;在同等進塔空氣相對濕度下,成霧頻率曲線所對應的空氣干球溫度則隨冷熱通道長度的減小而增加。以干球溫度3 ℃為例,冷熱通道由1.81 m 依次減小至1.61 m、1.41 m、1.21 m、1.01 m,每減少0.2 m 則進塔空氣相對濕度依次減少4%、2%、1%、2%。表明冷熱通道長度越小,冷卻塔出口成霧概率越大。

由圖2(b)可知,隨著冷熱通道長度減小,同一進塔空氣干球溫度下,出塔空氣最大相對濕度逐漸增加。以進塔空氣干球溫度8 ℃為例,冷熱通道由1.81 m 依次減小至1.61 m、1.41 m、1.21 m、1.01 m,每減少0.2 m 則出塔空氣最大相對濕度依次增大3.27%、0.75%、1.91%、2.83%,這表明冷熱通道長度越小,冷卻塔出口成霧概率越大

由圖2(c)可知,所研究工況不同,冷熱通道長度對應的塔霧指數均大于100%,滿足消霧要求,且隨著冷熱通道長度的增加塔霧指數逐漸增大。

由圖2(d)可知,隨著冷熱通道長度的增加,冷凝消霧冷卻塔的節水效果越好,這表明冷熱通道長度越長,帶冷凝模塊機械通風冷卻塔的消霧性能越強,節水性能越好。

3.1.2 冷熱通道長度不相等

冷熱通道長度越大,相應通風阻力越大,機械通風冷卻塔風機功率越大。如何同時實現機械通風冷卻塔的節水消霧性能和冷卻性能,楊玉杰[18]提出了一種冷熱通道長度可調的節水消霧冷卻塔。以表3所示某帶冷凝模塊的機械通風冷卻塔參數為基礎,按照表4改變冷熱通道長度。

表4 冷熱通道長度

圖3為各方案下冷熱通道尺寸對機械通風冷卻塔成霧特性的影響。由圖3(a)可知,當熱通道長度一定時,依次減小冷通道長度,冷凝消霧冷卻塔的消霧性能逐漸下降:以空氣干球溫度-2 ℃為例,冷通道長度由1.41 m 依次減小至1.31 m、1.21 m、1.11 m、1.01 m,每減小0.1 m 則成霧頻率曲線所對應進塔空氣相對濕度依次下移2%、2%、3%、2%。由圖3(b)可知,當進塔空氣干球溫度相同時,冷通道長度越長對應的出塔空氣最大相對濕度越小,說明消霧性能越好。當熱通道長度不變,增加冷通道長度,即增加了冷凝模塊中濕熱空氣的換熱面積,同時減小了冷空氣的進風阻力,機械通風冷卻塔的冷凝節水性能增強。由圖3(c)可知,冷通道長度由1.01 m 依次增大至1.11 m、1.21 m、1.31 m、1.41 m,每增加0.1 m 則節水率依次增加0.47%、0.59%、0.69%、0.5%。由此,可根據實際需要,設計冷凝模塊冷通道長度和熱通道長度,滿足消霧和節水需求。

圖3 冷通道長度對節水性能的影響

3.2 冷熱通道間距對消霧節水性能的影響分析

以表3所示某帶冷凝模塊的機械通風冷卻塔參數為研究對象,保持冷熱通道長度相等,均為1.61 m,改變冷熱通道間距,分析冷熱通道間距對消霧節水性能的影響。計算分析時,共設置了5組冷熱通道間距,分別為20.7 mm、18.7 mm、16.7 mm、14.7 mm、12.7 mm,進行消霧節水性能的計算分析,計算結果如圖4所示。

圖4 通道間距對機械通風冷卻塔消霧節水性能的影響

由于冷凝模塊尺寸不變,冷熱通道間距增大,則冷凝模塊單元片數減少,導致冷凝模塊總的換熱面積減小,相同的換熱量下,冷凝模塊冷凝降溫效果減弱。由圖4可知,隨著冷熱通道間距增大,冷卻塔的消霧節水性能逐漸減弱:由圖4(a)可知,以環境干球溫度2 ℃為例,冷熱通道間距由12.7 mm 依次增大至14.7 mm、16.7 mm、18.7 mm、20.7 mm,每增加2 mm 則成霧頻率曲線所對應進塔空氣相對濕度分別下移3%、2%、3%、1%;由圖4(b)可知,以環境干球溫度2 ℃為例,冷熱通道間距由12.7 mm 依次增大至14.7 mm、16.7 mm、18.7 mm、20.7 mm,每增加2 mm,則出塔空氣最大相對濕度依次增加1.17%、1.25%、1.53%及1.68%。由圖4(c)可知,冷熱通道間距由12.7 mm 依次增大至14.7 mm、16.7 mm、18.7 mm、20.7 mm,每增加2 mm,則節水率依次降低1.6%、1.22%、0.84%、1.06%。

3.3 冷凝模塊進風口高度對消霧節水性能的影響分析

以表3所示某帶冷凝模塊的機械通風冷卻塔實測工況為研究對象,改變冷凝模塊進風口高度,計算分析冷凝模塊進風口高度對消霧節水性能的影響,計算結果如圖5所示。

圖5 冷凝模塊進風口高度對機械通風冷卻塔消霧節水性能的影響

由圖5可知,當空氣干球溫度小于2 ℃時,隨著進風口高度的增加,冷卻塔的消霧性能有所提高,成霧頻率曲線所對應進塔空氣相對濕度小幅增大。以空氣干球溫度-5 ℃為例,由圖5(a)可知,進風口高度由2 m 依次增大至2.5 m、3 m、3.5 m、4 m,每增加0.5 m 則成霧頻率曲線所對應環境空氣相對濕度均依次上升1%。當空氣干球溫度大于2 ℃后,改變冷凝模塊進風口高度對消霧性能幾乎無影響。對比圖2(a)與圖3(a)、圖4(a)、圖5(a)發現,改變冷凝模塊進風口高度對冷卻塔成霧頻率曲線的影響最小。

由圖5(b)可知,隨著進風口高度的增加,同一進塔空氣干球溫度下,出塔空氣最大相對濕度逐漸減小。以進塔空氣干球溫度6 ℃為例,進風口高度由2 m 依次增大至2.5 m、3 m、3.5 m、4 m,每增加0.5 m 則最大空氣相對濕度依次減小1.22%、0.17%、1.14%、0.36%,由此可以看出進風口高度對出塔空氣最大相對濕度影響較小。

由圖5(c)可知,隨著進風口高度的增加,冷卻塔的節水效果越來越好。進風口高度由2 m 依次增大至2.5 m、3 m、3.5 m、4 m,每增加0.5 m 則節水率依次增加0.64%、0.34%、0.51%、0.27%。

4 結論

本文建立了冷凝模塊的熱力計算模型,并結合成熟機械通風冷卻塔熱力計算模型,分析了冷凝模塊冷通道長度、熱通道長度、冷熱通道間距及冷凝模塊進風口高度等對其冷凝節水消霧性能的耦合影響,主要結論如下。

(1)結合文獻實測數據,驗證了所建帶冷凝模塊的機械通風冷卻塔熱力計算模型的準確性,為機械通風冷卻塔冷凝節水消霧特性的耦合研究提供了理論模型。

(2)冷熱通道長度相等時,通道長度越大,冷凝節水消霧性能越佳。所研究工況,冷熱通道長度由1.01 m 依次增大至1.21 m、1.41 m、1.61 m、1.81 m,每增大0.2 m 則成霧頻率曲線所對應進塔空氣相對濕度相應上移2%、1%、2%、4%;節水率依 次增加1.56%、1.11%、0.44%、2.07%。

(3)固定熱通道長度不變,隨著冷通道長度的增加,冷凝節水消霧性能增強。所研究工況,冷通道長度由1.01 m 依次增加至1.11 m、1.21 m、1.31 m、1.41 m,每增加0.1 m,則成霧頻率曲線所對應進塔空氣相對濕度依次上移2%、3%、3%、2%;節水率依次增加0.47%、0.59%、0.69%、0.5%。

(4)隨著冷熱通道間距的增大,冷凝模塊的冷凝節水消霧性能下降。所研究工況,冷熱通道間距由12.7 mm 依次增加至14.7 mm、16.7 mm、18.7 mm、20.7 mm,每增加2 mm 則成霧頻率曲線所對應進塔空氣相對濕度分別減小3%、2%、3%、1%;節水率依次降低1.6%、1.22%、0.84%、1.06%。

(5)冷凝模塊進風口高度對成霧頻率曲線的影響,在低溫時相對較大,在高溫時相對較小。以進塔空氣干球溫度-5 ℃為例,冷凝模塊進風口高度每增加0.5 m,成霧頻率曲線對應進塔空氣相對濕度依次上升約1%;在進塔空氣干球溫度大于2 ℃時,進風口高度對其成霧頻率曲線影響較小;所研究工況冷凝模塊進風口高度由2 m 依次增加至2.5 m、3 m、3.5 m、4 m,每增加0.5 m 則研究工況出塔空氣最大相對濕度依次減小1.22%、0.17%、1.14%、0.36%;節水率依次增加0.64%、0.34%、0.51%、0.27%。

本文針對帶冷凝模塊的機械通風冷卻塔消霧節水特性的耦合研究,可為機械通風冷卻塔冷凝節水消霧特性的設計優化和運行優化提供理論參考。