淺談閉式冷卻塔換熱的一種計算方法

何彥 于蘇俊 楊柳

（西南交通大學地球科學與環境工程學院四川成都 610031）

閉式冷卻塔是閉式循環系統中使用較多的一種設施，閉式循環使冷卻水始終在冷卻盤管內流動放熱，不與外界接觸，從根本上隔離冷卻水的污染源，保證水質。

1 閉式冷卻塔的工作原理

來自設備的溫度較高的冷卻水，通過余壓送至閉式冷卻塔冷卻盤管的同時利用管道泵抽吸底池中的水至噴淋排管，并在冷卻盤管外表面反復噴淋，通過蒸發吸取熱量來降低冷卻水的溫度。同時，空氣利用冷卻塔內風機具有抽吸作用而在冷卻盤管自下而上的流動，既有助于冷卻盤管外表面的釋放熱量，也能有效吸收蒸發過程所產生的水蒸氣，冷卻效果更佳。

2 閉式冷卻塔換熱效率優化理論基礎及方案

2.1 換熱原理

在閉式冷卻塔中，工藝流體的熱量通過管壁傳遞至管外的噴淋水后再交換給空氣。對盤管段某一微元高度而言，管內工藝流體的熱量損失Gf、Cf、dtf與空氣的熱量獲得值之差則分別等于噴淋水熱量的增減Gw、Gw、dtw，溫度特性可以表示為如下的基本方程：

式中，Kfw、Kwa分別為工藝流體至噴淋水的傳熱系數和噴淋水至空氣的總傳質系數；

Gf、Gw和Ga分別為工藝流體、噴淋水和空氣的重量流量；

Cf、Cw分別為工藝流體和噴淋水的比熱；

tf和tw分別為工藝流體和噴淋水的溫度；

i、i*分別為空氣和與噴淋水溫度相對應的飽和濕空氣的焓。

2.2 優化方案

優化目標在于使在工藝流體放熱完全被空氣吸收時，空氣在出塔時也恰好為飽和狀態，這種理想狀態中，在考慮制造與運行成本時，能得到最低的造價。

1）閉式冷卻塔的優化應從強化管外側傳熱著手。實現強化最有效的措施為恰當的加快管內流速及選擇小管徑。優化可側重于管徑的選擇和塔的技術成本的關系。

2）對一般閉式冷卻塔而言，降低成本還可通過使用鍍鋅鋼管來實現。

3）預冷卻技術也可達到閉式冷卻塔的優化目的，但不適用于工藝流體溫度較低的情況。

3 閉式冷卻塔換熱計算方法

3.1 熱力計算原理

計算思路:假定冷卻空氣能全部獲得管內工藝流體所放出的熱量，確定風量和空氣獲得的總熱量，而被冷卻介質所放出的總熱量可根據設計參數算出。根據設計目標選擇造價最低或運行成本最低、壽命期內最經濟，塔體體積最小的方案。

3.2 計算步驟

圖1選取的微元是一層填料加一層盤管的模塊結構，管內流體熱量經管壁傳給管外噴淋水，再交還給空氣。因此，噴淋水實質上充當了媒介。工程設計所需條件有：大氣壓P，被冷卻介質進口溫度t1、出口溫度t2、總流量Qn，空氣干球溫度和濕球溫度。

圖1 換熱模塊微元

（1）由冷卻塔氣水比、進風風速、淋水密度及管內流速的經驗取值，初步選擇風量Q，進風面數ζ，噴淋水量M，盤管的管徑φ，管排數SP，管程數SC，管長b和一層填料的體積V；其中，氣水比0.8-1.2，風速2.2-3.0m/s，淋水密度15-20 m3/(m2.h)和管內流速1.5-2.5m/s。

設噴淋水進填料溫度為，其在填料與盤管間的中間溫度可根據平均焓差法計算，為方便計算可先給賦初值，代入式(4)計算，直到所得填料體積與假定的填料體積大致相等，可認為相對于成立。

式中K為蒸發水量帶走的熱量系數；

βxv為淋水填料的容積散熱系數；

Δim為平均焓差。

(2)根據tm計算噴淋水離開盤管后的平均溫度ts。

假設盤管內被冷卻水的熱量完全傳遞給了噴淋水，則：

因為噴淋水得到的熱量分兩部分，一是經盤管得到被冷卻水的熱量，二是在盤管壁外與空氣進行對流及蒸發時的散熱，實際得熱等于這兩部分熱量之差，即：

式中：qw為一層盤管內水量；

tw1、tw2和ta分別為被冷卻水、噴淋水和空氣的對數平均溫度；

A為盤管表面積；

cw為水的比熱；

K0′為盤管壁面上噴淋水與空氣的對流與相變換熱系數；

K0為熱量又冷卻盤管內流體至管外噴淋水的傳熱系數。

式中，ai為管內流體與管內表面之間對流換熱系數，

a0為管外噴淋水與管外表面之間對流換熱系數，

r1、r0分別為盤管內外徑，

dm為傳熱管的對數平均直徑。

上述計算在對賦初值后，通過式(5)和(6)反復試算，直到盤管表面積等于所設定的盤管表面積，便認為ts相對于tm成立。所設定盤管的表面積計算如下：

在一個循環后，循環流動的噴淋水的溫度不會變化，所以在穩定后，溫度的變化規律有ts→tm→t0，則：

熱力計算可通過式(4)—(8)聯立求解來完成。

以上方法雖沒有分離噴淋水與空氣的對流和相變換熱系數，但換熱過程的細節完全得到展示，不過除部分靠資料或經驗值外，相關的換熱系數還需配套試驗獲得。在模擬塔的多個工況中，通過實測和，便可根據模擬塔的相關參數，如用式(4)獲得βxv，式(5)獲得 K0，式(6)獲得 K0′；再綜合各工況的 βxv、K0和 K0′，便可得到淋水密度、空氣重量流速、管徑、管程和管排等與上述參數的關系，且可以日后冷卻塔改進的熱力計算中用到這些參數。

4 結論

綜合以上，優化方案應放在管徑與塔的技術經濟性的關系上，可盡量選用鍍鋅鋼管以降低設備成本，同時采用預冷卻技術。

閉式冷卻塔時吸取了開式冷卻塔和干式冷卻塔的優點后的產物，既達到了冷卻水水質要求又保證了冷卻負荷，但目前的研發中依然有不少問題存在：

(1)分散的研發力量，不健全待完善的管理機制，監督的缺失；

(2)明文規范的缺失使得現在的研究要達到能夠制定規范的標準還差很遠；

(3)蒸發冷卻模型過于理論化，不實用；其數值模擬缺少符合實際的有效模型。

閉式冷卻塔在國內還處在起步階段，涉足行業不多。但隨著人們環保意識的提高和閉式冷卻塔技術的完善，以及該行業高利潤的優越性，會得到越來越多的行業選用，也必然有更為光明的市場前景。

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