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密閉式冷卻塔源于工業(yè)用的蒸發(fā)冷卻器，而實(shí)際上仍是一種將水冷卻式冷卻器和常規(guī)冷卻塔的性能相結(jié)合的熱交換器。冷卻60℃~80℃的流體時(shí)，采用蒸發(fā)冷卻器比空冷式熱交換器有利，因?yàn)樗昧斯芡鈧?cè)水的蒸發(fā)潛熱，具有比空冷式熱交換器傳熱面積少的優(yōu)點(diǎn)，只有管外壁容易結(jié)垢而影響冷卻效果的問題，一直困擾著它的應(yīng)用。但對(duì)被冷卻工質(zhì)在50℃以下的情況來說，結(jié)垢問題并不嚴(yán)重，這對(duì)于要求被冷卻介質(zhì)潔凈或空氣污染嚴(yán)重的場(chǎng)合來說，密閉式冷卻塔成了必須且合適的選擇。隨著環(huán)保、節(jié)能要求的日益迫切和各種換熱設(shè)備的小型化發(fā)展，對(duì)密閉式冷卻塔的需求也日益增加。蒸發(fā)冷卻器的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外研究已較多，但按常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，所需的盤管換熱面積較大、塔體笨重、造價(jià)昂貴，有待改進(jìn)，本文就有關(guān)設(shè)計(jì)的優(yōu)化問題進(jìn)行討論。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)

   在密閉式冷卻塔中，熱量從管內(nèi)的工藝流體經(jīng)管壁傳給管外流動(dòng)的水，再?gòu)乃畟鹘o空氣，而水向空氣的傳熱，是由水蒸發(fā)的潛熱傳熱和水與空氣的顯熱交換組成的。對(duì)盤管段微元高度dz來說，噴淋水熱量的得失GwCwdtw等于管內(nèi)工藝流體失去的熱量GfCfdtf與空氣得到的熱量Gad i之差。除了被冷卻工質(zhì)的進(jìn)出口溫度和流量及大氣干濕球溫度、大氣壓等設(shè)計(jì)參數(shù)外，風(fēng)量、噴淋水量、淋水密度、噴淋水水溫、盤管的尺寸和內(nèi)外形狀及布置形式，管程數(shù)（管內(nèi)流）、空氣和工藝流體及噴淋水三者間的流向關(guān)系等對(duì)塔的設(shè)計(jì)都有影響，而且在某些結(jié)構(gòu)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(jìn)上出），塔內(nèi)風(fēng)速與淋水密度就是相互關(guān)聯(lián)的。設(shè)計(jì)優(yōu)化的目標(biāo)在于確定當(dāng)工藝流體所需釋放的熱量全部被空氣帶走時(shí)，恰好讓出塔的空氣達(dá)到飽和，而因此所花的代價(jià)(將制造成本與運(yùn)行成本綜合考慮)。

圍繞盤管的優(yōu)化

    對(duì)圓光管來說，Kfw與管內(nèi)流體界膜導(dǎo)熱系數(shù)αi、管外噴淋水界膜導(dǎo)熱系數(shù)αo、管內(nèi)外壁污垢熱阻rI和ro、管材導(dǎo)熱系數(shù)λ及管子內(nèi)、外直徑dI和do有關(guān)，以管外表面為基準(zhǔn)。且以工藝流體進(jìn)出口平均溫度tf為定性溫度，而εt=（μfμpw）0.25為大溫差下管內(nèi)液體被冷卻時(shí)的溫度修正系數(shù)，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(shí)的流體動(dòng)力黏度。αo與管簇布置形式有關(guān)，各文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)公式和使用范圍有所差異，對(duì)水平光管簇的盤管形式，若單位寬度上的噴淋水量為Γ（kgm·s），當(dāng)Γdo為0.194kgm2·s~0.556kgm2·s及do為0.0127m~0.04m時(shí),αo=2.1×103×（Γdo）13（1）；當(dāng)Γdo為1.389kgm2·s~3.056kgm2·s及小截面處濕空氣的質(zhì)量速度Vmax為0.694kgm2·s~5.278kgm2·s時(shí)，αo=9.8×102×（1+0.016tf）(Γdo)13 (4)。

   對(duì)水平放置的光管簇，Kwa在不同的文獻(xiàn)上也給出了不同的經(jīng)驗(yàn)公式。在空氣雷諾數(shù)Rea=do.Gaμa為1.2×103~1.4×104，噴淋水雷諾數(shù)Rew=4Γμw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)0.15 do-0.7P(5)式中,μa和μw分別為空氣和噴淋水的黏度(kgm·s)。在Vmax為0.694kgm2·s~5.278kgm2·s和Γdo為1.389kgm2.s~5.278 kgm2.s范圍內(nèi)，1Kwa=20.4Vmax-0.905+8.5985×10-5 did tw(6)根據(jù)式(4)和式(5)或式(6)，理論上可有幾種優(yōu)化方式

    1）采用內(nèi)螺紋管，強(qiáng)化管內(nèi)流體的界膜導(dǎo)熱系數(shù)αi，這一研究主要集中在有相變的水平管內(nèi)流動(dòng)，即蒸發(fā)器或冷凝器的優(yōu)化中，而在密閉式冷卻塔的實(shí)際應(yīng)用中還不多見。

    2）采用復(fù)合翅片管，強(qiáng)化管外噴淋水的界膜導(dǎo)熱系數(shù)αo。這一方案應(yīng)用于密閉式冷卻塔的理論計(jì)算已不成問題，結(jié)果表明在管排數(shù)、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?yàn)橐话闱闆r下，管外側(cè)界膜熱阻相對(duì)較大，強(qiáng)化它比較有效，但這時(shí)所需的噴淋水量也較大。

    3） 改圓管為橢圓管，長(zhǎng)軸與氣流方向及噴淋水方向一致，這一方案在密閉式冷卻塔中已有實(shí)際應(yīng)用，且同時(shí)影響Kfm和Kwa，但對(duì)其機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

    4）適當(dāng)提高管內(nèi)流速，對(duì)αi的增大有明顯的效果，但流動(dòng)阻力的增大也較明顯。

    5）采用直徑較小的管子，對(duì)αi和αo的強(qiáng)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(nèi)流體流動(dòng)阻力和管外空氣流動(dòng)阻力也會(huì)有所增大。

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

   ①關(guān)于管子熱阻。理論上采用管材導(dǎo)熱系數(shù)大的金屬，有利于導(dǎo)熱，但與其他熱阻相比，一般情況下此項(xiàng)僅是其他單項(xiàng)熱阻的15～120，而鋁合金、銅管與鍍鋅鋼管的λ比約為21～61，因此在一般密閉式冷卻塔中，選擇鍍鋅鋼管將大大降低成本，且有利于提高盤管的強(qiáng)度和剛度，而冷卻塔性能卻不會(huì)受到很大影響。

   ②關(guān)于污垢熱阻。結(jié)垢是影響密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(shè)計(jì)中取小rI或ro將是危險(xiǎn)的，尤其在那些水質(zhì)硬度較大的地區(qū)。對(duì)工藝流體溫度較高的冷卻塔，設(shè)計(jì)中取0.00022m2·oCW的污垢系數(shù)較安全，對(duì)工藝流體溫度較低的冷卻塔，設(shè)計(jì)中可取0.00017m2·oCW左右。對(duì)除垢問題，較經(jīng)濟(jì)的做法還是定期清洗。

   ③風(fēng)量與淋水密度的選取要與管內(nèi)工藝流體到噴淋水的傳熱性能相匹配，增大風(fēng)量和淋水密度會(huì)提高Kwa，但將使設(shè)備和運(yùn)行成本提高，是不經(jīng)濟(jì)的。

用預(yù)冷卻技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

   過去對(duì)密閉式冷卻塔的設(shè)計(jì)，都建立在twi= two的邊界條件上，即由于噴淋水是循環(huán)的，所以盤管區(qū)入口的噴淋水溫度twi等于盤管區(qū)出口處的噴淋水溫度two。鑒于噴淋水的溫度對(duì)傳熱面積數(shù)有很大的影響，在噴淋水循環(huán)過程中加入一個(gè)噴淋水的預(yù)冷卻過程，將大大減少盤管長(zhǎng)度。雖然預(yù)冷卻過程增加了一些填料，風(fēng)量也會(huì)增大，但總的成本將有所降低。對(duì)工藝流體溫度較高的冷卻塔來說，這是一個(gè)有前途的優(yōu)化措施。國(guó)內(nèi)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(guó)實(shí)用新型。

   舉一實(shí)例對(duì)比如下：

   設(shè)計(jì)條件：大氣壓力P=100391.46Pa(753mmHg)，空氣干球溫度θ=31.5℃，空氣濕球溫度τ=28℃，處理水量Q=150th，工藝水進(jìn)塔水溫T1=37℃，出塔水溫T2=32℃。但采用這一技術(shù)需要注意以下幾個(gè)問題：

    1）如果盤管區(qū)與填料區(qū)相并聯(lián)并且共用一個(gè)風(fēng)機(jī)，風(fēng)量匹配是個(gè)難點(diǎn)。

    2）果盤管區(qū)與填料區(qū)相串聯(lián)，兩者冷卻性能將相互影響，尋找一個(gè)的結(jié)合點(diǎn)是關(guān)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(huì)高，對(duì)填料區(qū)來說，由于冷幅較小，會(huì)使所需填料體積很大，往往得不償失，所以不適合采用預(yù)冷卻。

結(jié)論

   根據(jù)以上分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，圍繞優(yōu)化目標(biāo)，得到以下結(jié)論：

    1）密閉式冷卻塔的優(yōu)化應(yīng)側(cè)重于管外側(cè)強(qiáng)化傳熱。適當(dāng)增大管內(nèi)流速和采用小管徑，是現(xiàn)實(shí)和有效的強(qiáng)化措施。優(yōu)化應(yīng)放在管徑與塔的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系上。

    2）對(duì)一般的密閉式冷卻塔來說，應(yīng)盡量選用鍍鋅鋼管以降低設(shè)備成本。