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1、一1 2 2 一纺织窄调除尘2 0 0 8 年密闭式中冷却塔淋水填料的热工性能研究刘东兴周亚素沙战李未东华大学环境科学与工程学院摘要在水和空气热、质交换过程中遵循能量守恒和物质守恒基础上，建立了密闭式冷却塔中淋水填料层热、质交换的数学模型。利用迭代法，通过计算机程序求解模型，实验验证了数学模型的正确性，并给出了淋水填料的热工性能的变化规律。1引言密闭式冷却塔在冶金、电力、化工、食品等许多工业部门的应用前景越来越具优势。深入了解密闭式冷却塔的传热机理、各项性能指标及其运行工况调节，并不断开发新型产品，有着重要意义。淋水填料在冷却塔中的作用在于使进入塔内的热水尽可能形成细小的水滴或水膜，以增加水与
2、空气的接触面积，延长接触时间，加强热水与冷空气之间的热质交换。一直以来，淋水填料作为冷却塔的核心，其热、质交换性能直接影响到冷却塔的运行效率。在本文所讨论得新型密闭式冷却塔中，淋水填料的热力性能同样对整个冷却塔的热工性能有着重要影响。2 新型密闭式冷却塔的工作原理在逆流密闭式冷却塔中从冷凝器或其他工艺设备等出来的温度较高的水，由冷却水循环泵加压输送到封闭式冷却塔，进入塔内冷却盘管进行冷却，然后回到冷凝器或其他设备，完成冷却循环；另一方面，利用管道泵将冷却塔底部集水池中的水抽吸到喷淋排管中，然后先喷淋在淋水填料上，经过一定的降温处理后落到冷却盘管的外表面上，吸收冷却水通过管壁散发出的热量，经蒸发
3、散热把热量传递给空气，从而使冷却水的温度降低。与此同时，喷淋水温度升高，散落到底部集水池中，完成一个循环，在此过程中，喷淋水起到了一个中间传热媒介的作用；由机械风机提供动力，空气自下而上流经冷却盘管，这样不仅可以强化冷却盘管外表面的放热，而且还可以及时带走蒸发所形成的水蒸气，以加速水分的蒸发，提高冷却效果。从盘管侧来看，冷却盘管内温度较高的水以对流的形式将热量传给冷却盘管内表面，这部分热量再由冷却盘管的内表面传到冷却盘管的外表面。由于冷却盘管外表面喷淋循环水，循环水落到冷却盘管的外表面，靠对流和蒸发将这部分热量散到空气中【1 1 。本文所讨论的塔体结构及其工作流程见图1 。冷却水出冷却水避风机
4、除水嚣喷头盘管循环管迸风口水泵图1密闭式冷却塔结构示意图研纵仝侗际尘2 0 0 8 牛一l z j 3 淋水填料热工性能研究数学模型的建立4 ) 刘易斯数为1 。笔者在麦克尔焓差理论的基础上，参5 ) 忽略水侧热阻，认为与水蒸气接触考有关文献陋3 引，结合换热器设计计算所的空气膜是饱和的。采用的效率传热单元数法( r l - 脚6 ) 饱和空气焓与水温的关系为线性关法) ，对冷却塔淋水填料层的热质交换过程系。建立数学模型。7 ) 填料层换热充分，出口空气为饱和图2 填料层热质交换示意图塔内传热、传质数学模型的建立，是基于质量和能量守恒方程的基础上的，散热方式主要靠接触散热与蒸发散热，辐射散热虽
5、然存在，但散热量非常小，本文不予考虑。图2 表示了在体积为d V 的单元体填料层内，气、水进行热、质交换的情况。在综合考虑冷却塔实际运行的情况下，为简化模型计算，需要对冷却塔内部的传热过程做如下假设：1 ) 塔内传热、传质过程只沿竖直流动方向进行。2 ) 传热、传质变化过程为稳态过程。3 ) 忽略由循环水泵对喷淋水温度的影响。空气。根据以上假设条件，在单位横截面积，体积为d y 的淋水填料内，可以建立以下关系时：微元体的质量平衡方程为：d m 。= m d z( 1 )，l 。= m “一他( 乞一z ) + ，他d z( 2 )能量平衡方程为：m 。d 吃= C 。m 衍d L + m d
6、z( 3 )质量传递方程为：d z = 夕A d y ( Z z )( 4 )水的散热由对流和蒸发散热两部分，其方程也可用下式表示：，吃吮= 口A d y ( L 一乞) + 乃栅( Z z ) 噬( 5 )由假设条件4 得：厶：旦二：l( 6 ) 8 F 。联立( 4 ) 、( 5 ) 、( 6 ) 式可得： 嚣= 苁南婚芽+ d z 默( Z z )( Z z )5( 7 )由假设条件5 ，冷却塔内湿空气的焓值与湿空气干球温度乞的关系可定义为：吃= 吒乞( 8 )整理( 7 ) 可得：一1 2 4 一纺织空调除尘2 0 0 8 年c 舢( 瓦一乞) = ( K 一吃) 一噬( Z z )(
7、 9 )对应温度的饱和空气比热。联立( 6 ) 、( 7 ) 、( 9 ) 得： 堕：墼( 1 0 ) d z ( Z 一纠上式乘以( 6 ) 式进行整理得：袭觑= 为桫( z - 力舛雌刎( 1 1 )即有：坠d V 生警坦= 一等( 吃哪( 1 2 )y“上式中，N T U ：f l A V ， m a( 1 3 ) 式两边I 司乘以q ，G 观= 半烈L2 半，整理得：盟= 丝坠! 垫型!( 1 5 ) d VC 。m 。f式中巳一常压下水的比热，吣)一空气的定压比热，k J ( k g )g 一对应温度的饱和空气比热，k J ( k g 在传热器计算)的基本方法中，N T U 表示换热
8、器传热能力的一个重要无因次量。其定义为：丁u = 毒兰，M 表示当换热器的平均温差为1 时所传递的热量，是两种流体 中较小的热容量。之所以采用的原因是因为热容量小的流体温度变化较大，计算结果的准确性高。在本文接下来的研究中，运用效能一一单元数法对模型进行分析，之所以采用空气侧的效能也是正是考虑这方面的原因。在能量平衡方程式( 3 ) 中，等式右端第二项是蒸发水分所带走的显热，其值相对于第一项较小，但为简化计算而不失精确，乘以一个修正系数k 。即有：m 。砒。：C w m w i d T w( 1 3 )令q = 吼巩( k g k ) 濮舣为纯一对应于喷淋水温度下的饱和空气的焓值，k J (
9、k g ) 。A 一单位填料体积的水滴表面积，I n 2y 一淋水填料体积，m 3一空气流量，k g sm 。一喷淋水流量，k g s胛u 一传热单元数，彤：f l A V，一在喷淋水温L 下的水蒸气的饱和焓，k J k gc 朋一湿空气的比热，J ( k g 干空气)Z 一温度瓦下的饱和空气的含湿量，k g ( k g 干空气) 。4 数学模型的求解参考换热器传热计算的效率传热 单元数法( 7 7 一删法) 3 8 】，笔者对数学模型进行适当变换和改进，以简化计算。效率r 也称效能，其定义为：实际传热量与理论上最大可能传热量的比值。考虑纺织空调除尘2 0 0 8 年一1 2 5 一i “ 一
10、一1 T T - iIa mm i i i 宣i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i到空气的等效比热G = l 等l 在进出口的变化，以及空气的热容量较小，故采用空气侧的效能，这样模型的误差相对就会更小，那么空气侧的最大传热量为进口空气焓值和对应于进口喷淋水温下的饱和空气焓值的差值。则空气侧的实际传热量Q 可表示为：Q = 7 7 ( 瓦- h f )( 1 6 )结合式( 1 ) ( 4 ) 类似于干式逆流换热，我们把冷却塔淋水填料的换热效率整理成： 刀：1 - e x p - N T U ( 1 - C
11、* ) ( 1 7 ) 。l C e x p - N T U ( 1 一C ：l c ) 】式中C 称为热容比，在换热器中定义为较小的热容量于较大的热容量的比值。在本模型中：c + = ! 警。( 1 8 )综上，由能量平衡可得出口空气焓和喷淋水出1 2 1 水温为：k = k + 7 7 ( k h ，)( 1 9 )乙= + m w i ( T , , i - T , r ) C _ = w - - m , , ( h a o 一- h , , i )。 m w o ( ，“ w( 2 0 )式中乙一水的焓为零时的参考温度，编程计算中取0 0 1 。如果忽略喷淋水的损失，( 2 0 ) 式
12、简化为：乇= 乙一篙半( 2 1 )冷却塔的水损失( 蒸发水量) 常在l - - 4 之I B - t 2 1 ，如忽略水损失，出口水温的计算误差较大。从公式( 1 4 ) 和( 1 7 ) 的形式看，如果考虑水损失，还须用到质量平衡关系式，这样就模型的建立和求解都会比较复杂。为此，在计及水损失情况下对方程( 1 4 )和( 1 9 ) 作适当的简化。设整个冷却塔水损失为A m ，将式( 2 )代入式( 1 4 ) 得：忌：1 塑竺芝玉( 2 2 ) Q水蒸发的热量由接触散热与蒸发散热两部分组成，而在密闭式冷却塔中，特别是在夏季运行工况下，接触散热比较小，在此忽略不计，取：Q = m = k
13、( m 州- m 。) ( 2 3 )式中一计算时取塔内的平均气化潜热。将式( 2 3 ) 代入式( 2 2 ) 得：k - - I 一边乙( 2 4 )将式( 2 4 ) 和式( 2 ) 代入式( 2 2 ) 得：一A m = 导( L 一瓦。)( 2 5 )r r l iK f m整理可得：鱼= 1 导( 乙一乙)( 2 6 ) m w i，( 其中，对应于喷淋水温度的饱和空气比热c 。在开始计算时可以取整个填料试验 段的平地吼q = 糟( 2 7 )由上式我们可以看出C 和喷淋水出口s温度乙有关，所以要联立式( 2 4 ) ( 2 7 )一1 2 6 一纺织至调除尘2 0 0 8 年i
14、| 11 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i 宣i i i i i i i i i i i i 萱i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i以及式( 1 6 ) ( 1 7 ) ，先假定一喷淋水出由模型建立的条件假设7 ：我们认为整口温度乇，通过循环迭代计算，精度满足：个填料层和空气是充分换热的，出口空气T W O 一乇o 0 0 0 1 。C( 2 8 )为饱和空气，出口空气的相对湿度 2 o = 1 0 0 ，在求得空气出1 3 焓值
15、后，由式 即可求得最终冷却水出口温度乙和( 5 ) ( 8 ) 整理可得： 空气出口焓值吃。 蜘= 2 0 0 5 7 1 7 3 - 3 1 4 2 3 0 5 ( 尚一黑) + 8 2 - g ( 揣- 0 0 0 2 4 8 0 4 ( 1 0 0 - 8 0 )2 , o = 0 6 2 2 哆P 一岛云h o = 1 0 0 5 8 + 2 o ( 2 5 0 1 + 1 8 4 2 8 0 )利用计算机求解方程组( 2 9 ) 即可得出空气的出1 3 温度晓。5 计算机程序简介为了便于计算，笔者根据上一节的数学模型和求解过程，利用M A T L A B 编译了一个密闭式冷却塔淋水填
16、料冷却过程的仿真计算程序，程序框图如图2 所示。本程序主要由原始参数输入、数学模型计算和结果输出三个模块所组成。5 1 输入原始变量参数在本程序中所要输入的参数主要有工况参数、物性参数、结构参数。1 ) 工况参数：空气的进塔空气的干球温度岔、湿球温度f 、空气质量流量G ( k g h ) ；以及喷淋水进1 5 1 温度L ；、喷淋水流量L ( k g h ) 。2 ) 结构参数：填料体积y ( m 3 ) 。5 2 传热传质计算根据前面所述的数学模型及其求解过程，在已知空气的进塔空气的干球温度谚、( 2 9 )湿球温度丁、空气质量流量G ( k g h ) ；以及喷淋水进1 3 温度瓦，、喷淋水流量L ( k g h )的条件下，计算密闭式冷却塔结构参数一定的淋水填料在某一稳态工况下的传热单元数N T U 以及和
