逆流闭式冷却塔的热力设计计算.doc

中国工程热物理学会 传热传质学学术会议论文 编号：103575 逆流闭式冷却塔的热力设计计算 王兴超、吴晓敏、魏兆福、张良、王维城 清华大学 热能工程系 热科学与动力工程教育部重点实验室 北京 100084 Tel: 0106277-3413 Email: 摘要：本文介绍了闭式冷却塔整塔的热力计算和设计方法，编写了整塔模拟计算软件，并对逆流闭式冷却塔性能的主要影响因素进行了模拟计算分析和讨论，结果表明空气湿球温度对闭式冷却塔的换热面积影响最大，当湿球温度上升 0.5时换热面积增加幅度约为 5-15；对于盘管区截面风速，当被冷却流体流量一定，其对于塔体的阻力增大的影响远大于对换热的贡献；对于其余几个影响闭冷却塔设计的因素本文也做了模拟计算和分析。关键词：逆流闭式冷却塔、热力计算、影响因素0 引言 冷却塔被广泛地应用于国民经济的许多方面，如电力、石油、化工、钢铁、纺织等。冷却塔主要有两种形式：开式冷却塔和闭式冷却塔。闭式冷却塔如图 1 所示，是管内走工艺流体，管外由喷淋水蒸发带走管内流体的热量，并通过强制排风方式带走蒸发潜热的一种冷却设备，适用于对水质要求较高的工艺流体的冷却。而开式冷却塔则适用于对水质要求不高的工艺流体的冷却。 图 1 闭式冷却塔示意图 无论是闭式冷却塔或是开式冷却塔都存在着水资源浪费、水雾污染及寒冷冬季冻堵 1，2等问题。本课题组针对开式冷却塔研发出了环保节水型冷却塔 ；本文是针对逆流闭式塔设计软件的开发研究。基金项目：科技部NO. 2009GJD000011 闭式冷却塔整塔的设计计算 国内外学者对于闭式冷却塔整塔的计算方法研究较少，而对于闭式冷却塔的设计基本上靠试验和设备厂家的经验进行的；而这样会使得设计的周期较长，而且比较耗费财力物力。因此，提出一套闭式冷却塔整塔的计算方法对于闭式冷却塔的设计和生产都有着重要的意义。1.1 闭式冷却塔的计算方法 对于闭式冷却塔整塔的计算方法，难点主要集中在盘管区的热力计算以及对各部分阻力计算最后进行风机的耦合匹配。因此计算方法主要介绍盘管区的热力计算以及风机的性能曲线相匹配的方法。 盘管区的换热主要分为两部分：从管内冷却水到管内壁的对流换热；管外壁和管外喷淋水之间的对流换热。以管外表面为基准，对于圆光管，盘管内冷却水到盘管外的喷 4淋水的总传热系数 K0 的表达式 为： 1 1 d do do 1 o ri ro 1 K 0 i di di d m o 其中，管内冷却水与管内壁之间的对流换热系数 i 的表达式为： w i 0.0023 0.3 Re0.8 Prw w 2 di 管外喷淋水与管外壁的对流换热系数 o 的表达式为： 1 3 o 551 0.016tf 3 do 在进行盘管区的热力计算时，喷淋水到空气的传质系数 KM 也是一个比较重要的参 5数。当盘管为常见的正三角形错排时计算 KM 的一个经验公式 ： 4 Ga d o0.7 K wa 4.457 10 0.9 0.15 4 a w P 利用以上计算得到的管内冷却水到喷淋水的总传热系数、管外喷淋水到空气的总传 3质系数，计算蒸发冷却器需要的换热面积 ，对进塔干空气量、喷淋水量、管内冷却水流量、进出塔液温以及一些环境和物性参数进行设定，通过对喷淋水温度的迭代（计算中认为进出盘管的喷淋水温度相等），可以得到一个满足换热要求的计算换热面积，从而完成盘管区的热力计算。 6 对于整塔的阻力计算，采用总阻力系数法 ，计算塔体各个部分的阻力系数，最后得到整塔的阻力大小。在选定风机的情况下，得到风机性能曲线的拟合公式，得到在前述计算风量的情况下风机提供的压降，并最终通过盘管截面风速的迭代使得风机提供的压降和整塔的压降收敛。1.2 闭式冷却塔计算软件的编写 运用 VB 编写了全盘管逆流式闭式冷却塔设计与评价程序。程序的计算框图如图 2所示。程序由用户输入一些环境、工况参数，纯水和空气的物性参数，盘管设计的初参数（管径、管间距、管材种类等），然后进行整塔的热力设计计算；此时可以得到盘管区满足换热需要的换热面积，同时根据用户输入的盘管的设计参数计算得到一个和计算面积相近的设计换热面积，此时盘管区的结构参数就确定了。 开始 输入冷却水参数，环境参数，物性参数；输入初步选 定的盘管结构参数（管材、管径、壁厚和管间距） 假设盘管的迎面风速 对盘管区进行换热计算 喷淋水蒸发量和补水量，盘管出口空气状态（即 ，计算盘管空气侧阻力 风筒进口空气状态） 增大盘管 减小盘管 迎面风速 迎面风速 计算出风筒部分（圈梁进口、风筒进口渐缩段、风筒出口扩散段） 的空气压降，其与盘管区空气压降之和即为混合塔总体空气压降 Y N P P gt 计算出风机空气性能曲线中，混合塔空气流量所对应的风机提 供的理论压降 P ，将其与冷却塔总空气压降 P 比较 N P P lt Y 系统所有参数稳 定，输出数据 结束 图 2 逆流式闭式冷却塔设计程序框图 随后进行塔体尺寸的确定，各通风面、风筒尺寸的确定，进行整塔的阻力计算，整体总空气阻力与总空气流量应当与所采用风机的性能曲线相匹配。对于整塔计算来说，需要塔内换热及阻力计算需要对各部分进行耦合匹配、迭代计算。 图 3 为计算软件的主界面，主要分为环境工况参数确定、物性及设计参数确定、盘管与换热器设计、阻力特性参数确定、塔体局部尺寸确定、整塔模拟计算及计算结果显示与输出几个按钮。 图 3 逆流闭式冷却塔设计与评价软件主界面2 计算结果及闭式塔性能因素影响的分析 采用编写的全盘管逆流闭式冷却塔计算软件进行计算。选取的热力计算基本初参数值如表 1 所示： 表 1 热力计算的基本初参数 设计进塔水温 设计出塔水温 空气干球温度 空气湿球温度 37.9 32 31.5 28 管内流量 喷淋水量 盘管截面风速 塔体长度 m3 / h m3 / h m/s m 70 130 1.63 3.20 内外壁热阻 换热管材质 换热管外径 换热管壁厚 m K / W 2 m m 0.00017 碳钢 0.022 0.002 盘管流程数 进水管排数 水平管中心距 垂直管中心距 m m 4 2 0.058 0.050 对于闭式冷却塔，一个良好的设计目标在于确定管内的流体的热量被全部带走时，恰好让出塔的空气饱和，此时所花的代价最小。因此，需要的换热面积就是良好设计目标实现的关键所在。而对于各个参数对于需要换热面积的影响的研究就显得十分重要。 对于闭式冷却塔设计的影响较大的几个参数主要有：喷淋水量，进塔空气量，管内流速以及管材，管径，管中心距，壁厚等参数。下面通过模拟计算来研究几个比较重要的对闭式冷却塔换热和阻力有影响的因素。 在不同的空气湿球温度下，计算换热面积随着喷淋水量的变化如图 4 所示： 135 130 Heat Transfer Area m 2 125 120 115 110 105 Wet Bulb Temperature 27.5 100 28.0 28.5 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 3 Spray Water Flowratem /h 图 4 在不同的空气湿球温度下计算换热面积随着喷淋水量的变化 从图 4 中可以看出空气湿球温度越高，所需要的换热面积就越大。当喷淋水的量不是非常大的时候，湿球温度对于换热面积的影响十分大，当湿球温度较高时较小的喷淋水量甚至达不到换热的要求。因此，在明确闭式冷却塔使用地点全年空气湿球温度的变化的前提下进行喷淋水量的选择是必要的。 盘管区采用三角形错排的方式，在不同的管间距下，盘管区的换热面积随着截面风速的变化如图 5 所示。从图中可以看出，盘管截面风速的变化对于换热面积的影响并不是很大，当管间距较小的时候，盘管截面风速，也就是进塔空气量对于换热面积的影响要大于管间距较大时的情况；随着截面风速的增大，盘管区的空气侧阻力是增大的；但是随着水平管间距的增大，盘管区的空气侧阻力随着截面风速的增加的趋势减缓，因此在闭式冷却塔盘管区的设计中，在满足换热的前提下，要使得塔体阻力尽量小，应选择尽可能大的管间距和满足塔体阻力的风机。综合以上的情况，截面风速在能够满足换热的情况下，对换热的贡献远小于它的增加带来的阻力的变化。因此在闭式冷却塔的设计中，在满足换热的前提下，不必要选择太大的盘管截面风速。 51 135 Tube Pitch Tube Pitch 0.056m 48 0.056m 132 0.058m 0.058m 45 0.060m 0.060m Coil Tube Resistance Pa Heat Transfer Area m 129 2 42 126 39 36 123 33 120 30 117 27 114 24 111 21 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 Wind Speed m/s Wind Speed m/s 图 5 不同水平管间距下计算换热面积与盘管区阻力随着盘管截面风速的变化 其余初参数均不发生变化，随着管内流体流量的变化，在不同的喷淋水体积流量下，闭式冷却塔需要的换热面积如图 6 所示： 140 Sprayed Water Flowrate 3 150m /h 3 130 160m /h 3 170m /h Heat Transfer Area m 2 120 110 100 90 80 57 60 63 66 69 72 75 78 81 84 3 Serpentine Water Flowrate m /h 图 6 不同喷淋水量下计算换热面积随着管内流体流量的变化 从图 6 可以看出，