密闭式冷却塔_密闭式冷却塔的优化设计.docx

密闭式冷却塔_密闭式冷却塔的优化设计密闭式冷却塔的优化设计1.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Gadi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。2.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=（μf/μpw）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（kg/m·s），当Γ/do为0.194kg/m2·s~0.556kg/m2·s及do为0.0127m~0.04m时,αo=2.1×103×（Γ/do）1/3（1）；当Γ/do为1.389kg/m2·s~3.056kg/m2·s及最小截面处湿空气的质量速度Vmax为0.694kg/m2·s~5.278kg/m2·s时，αo=9.8×102×（1+0.016tf）(Γ/do)1/3(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.Ga/μa为1.2×103~1.4×104，喷淋水雷诺数Rew=4Γ/μw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)0.15do-0.7P(5)式中,μa和μw分别为空气和喷淋水的黏度(kg/m·s)。在Vmax为0.694kg/m2·s~5.278kg/m2·s和Γ/do为1.389kg/m2.s~5.278kg/m2.s范围内，1/Kwa=20.4Vmax-0.905+8.5985×10-5di*dtw(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1/5～1/20，而铝合金、铜管与镀锌钢管的λ比约为2:1～6:1，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·oC/W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·oC/W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