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          密閉式冷卻塔的優化設計
          2015-06-29 10:34:11|點擊次數:

          閉式冷卻塔閉式冷卻塔源于工業用的蒸發冷卻器,而實際上仍是一種將水冷卻式冷卻器和常規冷卻塔的性能相結合的熱交換器。冷卻60℃~80℃的流體時,采用蒸發冷卻器比空冷式熱交換器有利[1],因為它利用了管外側水的蒸發潛熱,具有比空冷式熱交換器傳熱面積少的優點,只有管外壁容易結垢而影響冷卻效果的問題,一直困擾著它的應用。但對被冷卻工質在50℃以下的情況來說,結垢問題并不嚴重[2],這對于要求被冷卻介質潔凈或空氣污染嚴重的場合來說,閉式冷卻塔成了必須且合適的選擇。隨著環保、節能要求的日益迫切和各種換熱設備的小型化發展,對閉式冷卻塔的需求也日益增加。蒸發冷卻器的設計,國內外研究已較多[1-4],但按常規的設計方法,所需的盤管換熱面積較大、塔體笨重、造價昂貴,有待改進,本文就有關設計的優化問題進行討論。

          1優化設計的目標

          閉式冷卻塔中,熱量從管內的工藝流體經管壁傳給管外流動的水,再從水傳給空氣,而水向空氣的傳熱,是由水蒸發的潛熱傳熱和水與空氣的顯熱交換組成的。對盤管段微元高度dz來說,噴淋水熱量的得失GwCwdtw等于管內工藝流體失去的熱量GfCfdtf與空氣得到的熱量Gadi之差。除了被冷卻工質的進出口溫度和流量及大氣干濕球溫度、大氣壓等設計參數外,風量、噴淋水量、淋水密度、噴淋水水溫、盤管的尺寸和內外形狀及布置形式,管程數(管內流)、空氣和工藝流體及噴淋水三者間的流向關系等對塔的設計都有影響,而且在某些結構形式中,不少因素是相互制約的,如逆流塔(噴淋水和空氣流向相反,盤管簇水平放置且工藝水下進上出),塔內風速與淋水密度就是相互關聯的。設計優化的目標在于確定當工藝流體所需釋放的熱量全部被空氣帶走時,恰好讓出塔的空氣達到飽和,而因此所花的代價(將制造成本與運行成本綜合考慮)最低。

          2圍繞盤管的優化

          對圓光管來說,Kfw與管內流體界膜導熱系數αi、管外噴淋水界膜導熱系數αo、管內外壁污垢熱阻rI和ro、管材導熱系數λ及管子內、外直徑dI和do有關,以管外表面為基準。且以工藝流體進出口平均溫度tf為定性溫度,而εt=(μf/μpw)0.25為大溫差下管內液體被冷卻時的溫度修正系數,μf和μpw分別為以流體平均溫度和壁面平均溫度為定性溫度時的流體動力黏度。αo與管簇布置形式有關,各文獻的經驗公式和使用范圍有所差異,對水平光管簇的盤管形式,若單位寬度上的噴淋水量為Γ(kg/m·s),當Γ/do為0.194kg/m2·s~0.556kg/m2·s及do為0.0127m~0.04m時,αo=2.1×103×(Γ/do)1/3[1];當Γ/do為1.389kg/m2·s~3.056kg/m2·s及最小截面處濕空氣的質量速度Vmax為0.694kg/m2·s~5.278kg/m2·s時,αo=9.8×102×(1+0.016tf)(Γ/do)1/3[4]。

          對水平放置的光管簇,Kwa在不同的文獻上也給出了不同的經驗公式。根據文獻[1],在空氣雷諾數Rea=do.Ga/μa為1.2×103~1.4×104,噴淋水雷諾數Rew=4Γ/μw為50~240,管徑do為0.0127m~0.04m,管間距p與管徑do之比為1.5~3.0條件下:

          Kwa=4.457×10-4(Gaμa)0.9(Γμw)0.15do-0.7P(5)式中,μa和μw分別為空氣和噴淋水的黏度(kg/m·s)。在Vmax為0.694kg/m2·s~5.278kg/m2·s和Γ/do為1.389kg/m2.s~5.278kg/m2.s范圍內,1/Kwa=20.4Vmax-0.905+8.5985×10-5di*dtw(6)根據式(4)和式(5)或式(6),理論上可有幾種優化方式:

          1)采用內螺紋管,強化管內流體的界膜導熱系數αi[5],這一研究主要集中在有相變的水平管內流動,即蒸發器或冷凝器的優化中,而在閉式冷卻塔的實際應用中還不多見。

          2)采用復合翅片管,強化管外噴淋水的界膜導熱系數αo[6]。這一方案應用于閉式冷卻塔的理論計算已不成問題,結果表明在管排數、塔體高度和塔重等方面比采用光管的密閉塔有較明顯的減少,這是因為一般情況下,管外側界膜熱阻相對較大,強化它比較有效,但這時所需的噴淋水量

          也較大。

          3)改圓管為橢圓管,長軸與氣流方向及噴淋水方向一致,這一方案在閉式冷卻塔中已有實際應用,且同時影響Kfm和Kwa,但對其機理有待進一步研究。

          4)適當提高管內流速,對αi的增大有明顯的效果,但流動阻力的增大也較明顯。

          5)采用直徑較小的管子,對αi和αo的強化及管金屬熱阻的減小都有好處,Kwa的增大則更明顯,但管內流體流動阻力和管外空氣流動阻力也會有所增大。

          對以上1)點~3)點,由于強化管的成本比光管高,這些方案實施的可行性取決于因強化而節省成本,是否大于強化管本身成本的升高,另外還需注意以下問題:

          ①關于管子熱阻。理論上采用管材導熱系數大的金屬,有利于導熱,但與其他熱阻相比,一般情況下此項僅是其他單項熱阻的1/5~1/20,而鋁合金、銅管與鍍鋅鋼管的λ比約為2:1~6:1,因此在一般閉式冷卻塔中,選擇鍍鋅鋼管將大大降低成本,且有利于提高盤管的強度和剛度,而冷卻塔性能卻不會受到很大影響。

          ②關于污垢熱阻。結垢是影響閉式冷卻塔性能的一大頑癥,其危害性比我們想象的要厲害得多。如果指望有一定的防垢措施而在設計中取小rI或ro將是危險的,尤其在那些水質硬度較大的地區。對工藝流體溫度較高的冷卻塔,設計中取0.00022m2·oC/W的污垢系數較安全,對工藝流體溫度較低的冷卻塔,設計中可取0.00017m2·oC/W左右。對除垢問題,較經濟的做法還是定期清洗。

          ③風量與淋水密度的選取要與管內工藝流體到噴淋水的傳熱性能相匹配,增大風量和淋水密度會提高Kwa,但將使設備和運行成本提高,是不經濟的。

          3用預冷卻技術優化設計

          過去對閉式冷卻塔的設計,都建立在twi=two的邊界條件上,即由于噴淋水是循環的,所以盤管區入口的噴淋水溫度twi等于盤管區出口處的噴淋水溫度two。鑒于噴淋水的溫度對傳熱面積數有很大的影響,在噴淋水循環過程中加入一個噴淋水的預冷卻過程,將大大減少盤管長度。雖然預冷卻過程增加了一些填料,風量也會增大,但總的成本將有所降低。對工藝流體溫度較高的冷卻塔來說,這是一個有前途的優化措施。國內外也有了若干基于這一原理的各種塔型,其中一些已取得中國實用新型獨特[7]。

          舉一實例對比如下:

          設計條件:大氣壓力P=100391.46Pa(753mmHg),空氣干球溫度θ=31.5oC,空氣濕球溫度τ=28oC,處理水量Q=150t/h,工藝水進塔水溫T1=37oC,出塔水溫T2=32oC。但采用這一技術需要注意以下幾個問題:

          (1)如果盤管區與填料區相并聯并且共用一個風機,風量匹配是個難點。

          (2)果盤管區與填料區相串聯,兩者冷卻性能將相互影響,尋找一個最佳的結合點是關鍵。

          (3)如果密閉塔的工藝流體溫度較低,噴淋水的溫度也不會高,對填料區來說,由于冷幅較小,會使所需填料體積很大,往往得不償失,所以不適合采用預冷卻。

          4結論

          根據以上分析和實踐經驗,圍繞優化目標,得到以下結論:

          1)閉式冷卻塔的優化應側重于管外側強化傳熱。適當增大管內流速和采用小管徑,是現實和有效的強化措施。優化應放在管徑與塔的技術經濟性的關系上。

          2)對一般的閉式冷卻塔來說,應盡量選用鍍鋅鋼管以降低設備成本。

          3)采用預冷卻技術是優化閉式冷卻塔的有效手段,但不適合應用于工藝流體溫度較低的情況。

          文章來自:http://www.ytebara.com.cn/index.php?catid=776/

                        
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