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基于湿球温度的逆流闭式冷却塔换热模型分析

       逆流闭式冷却塔利用自然环境中空气的干湿球温度差通过间接蒸发作用取得冷量来冷却流体。相比于传统的开式冷却塔其优点在于使冷却流体通过冷却盘管与空气间接换热,从而保证了冷却流体不受空气杂质的污染,进而降低了系统因杂质污染而造成的损害,因此逆流闭式冷却塔广泛应用于石油、化工、民用制冷等领域。逆流闭式冷却塔冷却盘管外侧与空气和喷淋水接触,管内冷却流体所要消除的热负荷通过管壁与喷淋水和空气的传热传质过程最终由空气带出塔外。其传热传质过程同时进行,相互耦合,传递机理复杂,目前针对其的研究成果多是基于 Merkel的以焓差为推动力,对空气和喷淋水的热湿交换建立的数学模型。而在所涉及的方程组中空气湿球温度作为影响冷却塔运行的重要参数,并没有得到直接反映,从而不利用对其影响冷却效率能力的分析,本文建立基于湿球温度的逆流闭式冷却塔的数学模型。
传热传质基本方程的建立
1.1 热质传递过程与分析
逆流闭式冷塔的热传递过程为:从管内流体经对流换热传递到圆管内壁,经圆管内壁导热传递到外壁,最后经喷淋水膜部分传递到冷却塔内部对流空气,余下部分则由在管外喷淋水膜带走,并在喷淋水与空气接触过程当中最终传递给塔内空气,如图 1 所式。
为了既能满足工程精度要求,又能最大限度地简化模型,提高计算速度,对密闭塔的传热传质过
程作如下假设:
① 逆流闭式冷却塔传热传质和流动过程处于稳态,忽略外壳的散热损失;
② 各流体热物性参数为常数,流体的状态参数仅沿流动方向变化,即只沿换热管束高度方向变化,一维模式;
③ 喷淋水膜均匀分布,忽略水膜波动和其厚度对热传递的影响,水膜在传热壁面上完全润湿;
④ 湿空气的传热传质过程符合刘易斯关系
 
计算仿真和实例验证
为了检验模型的正确性,运用其对某逆流闭市冷却塔冷却循环水和塔内流体温度情况进行模拟,该塔的主要运行参数:冷却水流量 13.89 kg/s,喷淋循环水流量 22.78kg/s,空气流量为 26.592 kg/s,冷却水进口温度 37℃。结构参数:长×宽×高为 2.09m×2.058 m×0.36m,管外径 0.0127m,管间距0.029m。
       当空气进口湿球温度为 27.2℃,干球温度 35℃时,利用所求模型对逆流闭式冷却塔的内部温度进行模拟,其结果如图 3 所示,从图中可以看出冷却水沿流动方向逐步降低,在盘管上部,由于喷淋水温度与冷却水温度温差较大,其换热效果显著,喷淋水温度上升较快,同时冷却水的温度下降幅度也较大。在盘管下端,由于喷淋水外空气相对湿度较小,喷淋水吸收的冷却水的热量在此时小于其传递给空气的显热和潜热,喷淋水温度下降,但是在盘管中部显热和潜热的传递基本上等于管内传递给喷淋水的热量,所以在盘管中部。喷淋水,空气和管内冷却水的热量传递总体上处于动态平衡阶段。空气湿球温度沿流动方向一致升高,湿球温度上升是由于空气与喷淋水之间的显热和潜热交换导致了空气的焓值增加;而空气干球温度变化较为复杂,空气干球温度的升降取决于干球温度与喷淋水温度的比较,当喷淋水温度高于空气干球温度时,空气吸收显热,干球温度升高,反之则下降。在逆流闭式冷却塔实际运行中,对进口空气干球温度和工艺冷却水进出口温度进行监测。表 1 为冷却水流量为 13.89kg/s 与 12.5kg/s 时,不同喷淋水量下的计算值与实测值。
进口空气参 冷却 喷淋 进水 冷却水出水温
           
水流 水流 温度
               
干球 湿球 计算 实测 (%)
温度 温度 (kg/s) (kg/s)    
34.9 26.8 13.89 22.78 37.03 32.51 33.52 3
35 27.1   25.56 37.04 32.30 33.47 3.4
35.1 27.2   28.89 37.04 32.38 33.42 3.1
35.2 27.3 12.5 22.78 37 32.31 33.25 2.8
35 27.2   25.56 37 32.17 33.16 3
35 27   28.89 37 32.18 33.15 2.9
表 1 结果表明,由模拟计算出的结果基本与实测值相符,误差小于 4%,从而说明了模型的合理性。
 
(1) 分析密闭式冷却塔冷却过程的换热机制,建立了基于湿球温度的逆流闭式冷却塔的换热数学模型,并对数学模型进行了数值求解,得到了逆流闭式冷却塔内冷却循环水、喷淋水、空气干湿球温度的沿盘管高度方向的变化规律,为研究此类型冷却塔的出口参数及影响因素提供了理论依据。
(2) 引入了对湿空气饱和线的线性假设以及湿球温度汽化潜热对建立的模型进行了简化,得到了简化后的换热模型,利用四阶 Runge-Kutta 算法对所列方程进行了数值求解,得到了数值解与测试值的误差均小于 4%,说明建立的模型可以应用于分析当湿球温度变化时对逆流闭式冷却塔的冷却效率的模拟计算。
2018/09/08 09:57:57 303 次

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