循環冷卻水系統中逆流濕式冷卻塔的特性研究

王曉紅 田鵬

青島科技大學化工學院 （山東青島 266042）

技術進步

循環冷卻水系統中逆流濕式冷卻塔的特性研究

王曉紅 田鵬

青島科技大學化工學院 （山東青島 266042）

以循環冷卻水系統中的逆流式濕式冷卻塔為研究對象，詳細闡述了空氣濕球溫度、水流量和進塔水溫對冷卻塔熱力學性能的影響。水溫降低幅度越大,冷卻塔冷卻效能越好。結果表明：增加進口空氣濕球溫度或水與空氣進料質量比，冷卻塔冷卻效能降低；水進口溫度的變化對塔冷卻效能影響較小；水與空氣進料質量流量比高時，沿塔高顯熱交換潛力降低，質量流量比低時，沿塔高顯熱交換潛力增加。

冷卻塔 數學模型 特性研究

1 冷卻塔

循環水的冷卻是靠冷卻塔內接觸散熱和蒸發散熱實現的。冷卻塔是以水為循環冷卻劑，從一系統中吸收熱量排放至大氣中以降低水溫的裝置，其冷卻方法是將熱水噴灑至散熱材料表面，通過與移動空氣相接觸，熱水與冷空氣之間產生顯熱作用，部分熱水被蒸發，同時溫度降低的循環水重新應用于循環水系統中。

按冷卻方式，冷卻塔可分為濕式冷卻塔和干式冷卻塔。干式冷卻塔又稱空冷塔，是用空氣作為冷卻介質的冷卻塔，根據傳熱載體的不同可分為直接空冷塔和間接空冷塔兩種。濕式冷卻塔是空氣與水直接接觸進行傳熱、傳質，達到降低循環水溫度的目的，分為逆流式濕式冷卻塔和橫流式濕式冷卻塔。逆流式是指水由上而下、空氣由下向上流動，在水氣作相對運動的過程中進行熱質交換;橫流式則指水由上而下流動，空氣流動方向與水流呈90°夾角[1]。Williamson N等[2]通過建立二維模型分析優化填料和水的分布來提高自然通風濕式冷卻塔的性能；Fisenko S P等[3]建立了一種新的冷卻塔數學模型，該模型表達了常微分方程系統的一個邊界問題，首次描述了冷卻塔內水滴半徑的分布函數；Qureshi B A等[4]應用物性數據軟件EES同時模擬了冷卻塔的噴霧區和雨區，研究了污垢模型，該模型與傳統的熱交換中典型的污垢模型基本一致；韓琴等[5]基于質量守恒和能量守恒的原理，以出塔水溫作為冷卻塔冷卻性能的評價指標，建立了大型冷卻塔熱力學計算的濕差模型，分析了不同模型的計算結果差異以及淋水面積等參數對冷卻塔出塔水溫的影響；鄭偉業等[6]分析了閉式冷卻塔的傳熱傳質機理，建立了數學計算模型，該模型可用來預測不同流速和不同室外空氣狀態下閉式冷卻塔的出口水溫和噴淋水水溫。

本課題基于能量守恒定律，以逆流式濕式冷卻塔為研究對象，從塔單獨運行的角度出發，考察了不同操作參數對塔熱力學性能的影響。推導了微分方程來描述空氣溫度、濕度和水溫沿塔高方向的變化，應用C語言編程，采用龍格庫塔法，實現冷卻塔模型的計算。分析了空氣濕球溫度、水流量和進塔水溫對于冷卻塔中空氣干球溫度、空氣濕度、水溫和顯熱交換潛力（水與空氣溫差）的影響。

2 數學模型

2.1 模型的建立

冷卻塔中，水從上向下流，空氣從塔底向上移動，水將熱量傳遞給空氣，自身溫度降低。傳熱方式主要是接觸傳熱和蒸發傳熱，不考慮輻射傳熱。接觸傳熱是由于水與空氣之間存在溫度差而產生的，蒸發傳熱是由水分子的運動引起的。冷卻過程如圖1所示。圖中m為質量流量、h為焓、Q為傳熱速率；下標a表示空氣，下標w表示水，下標S表示顯熱，下標L表示潛熱。

圖1 冷卻塔參數

理論上，水與空氣接觸時，若水面溫度等于空氣的濕球溫度，水溫將停止下降，這時蒸發傳熱量與空氣傳給水的熱量處于動態平衡狀態，水面溫度達到極值。但是冷卻塔的實際運行不可能達到極限。為便于簡化和計算，作如下假設[7]：

（1）傳熱傳質變化過程僅考慮垂直方向；（2）忽略冷卻塔向環境的散熱；（3）忽略塔與空氣和水的傳熱；（4）傳熱系數、傳質系數取常數；（5）路易斯數取常數；（6）忽略風吹引起的水損失；（7）各斷面水溫一致；（8）填料面積沿垂直方向不變。

根據以上假設結合冷卻過程的質量和能量平衡，依照文獻[7]確定求解方程：

冷卻水流率沿塔高的變化率如（6）式所示[7]：

沿塔高方向，由于水分蒸發引起的空氣濕度變化如式（9）所示：

2.2 模型的求解

（1）出口空氣的熱力學性質很大程度上依賴于進口空氣的飽和程度，因此選擇低、中、高三種不同進口空氣干球溫度（見表1）來考察外界環境對塔內空氣熱力學性質的影響；

表1 空氣物性℃

（2）蒸發過程依賴于水與空氣的質量流量比，選取mw/ma為0.5和1，考察不同流量比下塔內的熱力學性質；

（3）水的蒸發與進口水溫也有密切的聯系，進塔水溫超過50℃容易引起塔內結垢和腐蝕[8]，故選取進口水溫30℃、35℃、40℃和45℃為研究對象。

對式（12）、式（13）及式（14）三個方程進行求解，根據冷卻塔工況數據，以0.1 m填料層高度為步長進行計算，如圖2所示，應用C語言編程，由塔底到塔頂采用龍格庫塔法對方程進行求解。

圖2 填料層劃分

3 冷卻塔特性分析

3.1 空氣濕球溫度的影響（水進塔溫度為40℃）

如圖3（a）所示，在空氣濕球溫度為6.3℃和20.8℃時，沿塔高空氣干球溫度升高,在空氣濕球溫度為27℃時，空氣干球溫度在塔底略增加，隨后沿塔高基本不變。在空氣濕球溫度為6.3℃時，空氣干球溫度上升的幅度最大，即濕球溫度越低，沿塔高空氣干球溫度增加幅度越大。由圖3（b）可知,沿塔高空氣的濕度增加，不同空氣濕球溫度下增加趨勢基本一致。在塔底部，空氣濕度增加明顯，沿塔高空氣濕度變化曲線斜率降低，即空氣濕度增加的幅度降低。

圖3 不同濕球溫度下空氣干球溫度和濕度沿塔高的變化趨勢

如圖4所示，從塔頂到塔底，三種不同空氣狀態下水溫均降低，其中濕球溫度為6.3℃的空氣狀態下水溫下降幅度最大。這是由于空氣濕球溫度的降低會導致冷卻塔內水汽化分率增加，因此使冷卻溫差增大，即冷卻效果增強。

3.2 水與空氣進料質量流量比的影響（水進塔溫度為40℃）

從圖5（a）可以看出，隨著水與空氣質量流量比的增加，空氣出口干球溫度增加；由圖5（b）可以看出，水與空氣質量流量比對空氣濕度的影響與對空氣干球溫度的影響基本一致，水與空氣質量流量比越大，空氣濕度增加幅度越大，因此在空氣流量一定的情況下，通過增加水的質量流量能夠加熱和增濕空氣。

圖4 不同濕球溫度下水溫沿塔高變化

圖5 不同質量流量比下干球溫度和濕度沿塔高的變化趨勢

3.3 進口水溫的影響（空氣干球溫度22.84℃，濕球溫度20.8℃，水與空氣質量流量比為1）

如圖6所示，不同進口水溫下空氣干球溫度和濕度變化趨勢一致。增加進口水溫，空氣與水的傳熱溫差增大，使得空氣干球溫度升高幅度增大。同時，增加進口水溫，水表面的飽和蒸汽壓增大，而空氣中水蒸氣的分壓力并沒有變化，水與空氣分壓差增大，蒸發水增多，空氣濕度升高幅度增大，即隨著水進口溫度的升高，空氣出口溫度和濕度也相應升高。

圖6 不同進塔水溫下空氣干球溫度和濕度沿塔高的變化趨勢

進塔水溫升高，熱水與冷空氣之間的傳熱溫差增大，接觸散熱量增加，因此水溫降低幅度略增大。從圖7可以看出，在塔底部水溫下降幅度較大，到0.7 m塔高時，水溫變化幅度減小。

4 結論

對冷卻塔進行模擬，分別得出空氣干球溫度、空氣濕度、冷卻水溫度和顯熱交換潛力在塔內沿填料層的變化情況：

圖7 不同進塔水溫下水溫沿塔高的變化趨勢

（1）降低進口空氣濕球溫度，濕空氣的干球溫度上升幅度增大，同時空氣對蒸發水的吸收量增大，增加了水溫降低的幅度，提高了塔的熱力學性能。

（2）進口水溫度的增加使得空氣干球溫度和濕度增加，塔內的接觸散熱與蒸發散熱增強，冷卻塔內的換熱增強，冷卻水的進出口溫差略增大。

（3）增加水與空氣的質量流量比使得空氣干球溫度增加，由于空氣吸收蒸發水的量增加，空氣濕度增大。

[1] 程艷花.自然通風逆流濕式冷卻塔性能評價及環境側風影響的試驗研究[D].濟南:山東大學,2007.

[2] Williamson N,Behnia M,Armfield S W.Thermal optimization of a natural draft wet cooling tower[J].International. Journal ofEnergyResearch,2008,32(14):1349-1361.

[3] FisenkoS P,Brin A A,Petruchik A I.Evaporative coolingof water in a mechanical draft cooling tower[J].International Journal ofHeat and Mass Transfer,2004,47(1):165-177.

[4] Qureshi B A,Zubair S M.A complete model of wet cooling towers with fouling in fills[J].Applied Thermal Engineering, 2006,26(16):1982-1989.

[5] 韓琴,劉德有,陳負山,等.大型冷卻塔熱力計算模型[J].河海大學學報:自然科學版,2009,37(5):591-595.

[6] 鄭偉業,朱冬生,宋進,等.閉式冷卻塔的計算模擬[J].高校化學工程學報,2012,26(2):216-221.

[7] Papaefthimiou V D,Zannis T C,Rogdakis E D.Thermodynamic study of wet cooling tower performance[J].International Journal ofEnergyResearch,2006,30(6):411-426.

[8] Rubio-Castro E,Serna-González M,Ponce-Ortega J M,et al.Optimization ofmechanical draft counter flowwet-cooling towers usinga rigorous model[J].Applied Thermal Engineering,2011,31(16):3615-3628.

Characteristics Study of Counter-current Wet Cooling Tower for Circulating Cooling Water System

Wang Xiaohong Tian Peng

Counter-current wet cooling tower is treated as the research object to elaborate the effect of wet bulb temperature of air,mass flow rate of water and inlet water temperature on the thermodynamic performance of the cooling tower.The greater decrease in water temperature,the better cooling capacity the tower performs.The results show that the cooling capacity decreases with increasing the wet bulb temperature of inlet air or the mass ratio of water to air.The change in the inlet water temperature does not seriously affect the cooling effect of the cooling tower.The sensible heat exchange potential decreases along the height of the tower with a higher mass flow ratio of water to air while increases with a lower ratio.

Cooling tower;Mathematical model;Characteristic study

TK124

2014年8月

山東省自然科學基金項目（ZR2011BL010）；山東省高等學校科技計劃項目（J11LB65）

王曉紅女1968年生副教授研究方向：化工系統工程