基于濕球溫度的逆流閉式冷卻塔換熱模型分析
逆流閉式冷卻塔利用自然環(huán)境中空氣的干濕球溫度差通過間接蒸發(fā)作用取得冷量來冷卻流體。相比于傳統(tǒng)的開式冷卻塔其優(yōu)點在于使冷卻流體通過冷卻盤管與空氣間接換熱，從而保證了冷卻流體不受空氣雜質(zhì)的污染，進而降低了系統(tǒng)因雜質(zhì)污染而造成的損害，因此逆流閉式冷卻塔廣泛應(yīng)用于石油、化工、民用制冷等領(lǐng)域。逆流閉式冷卻塔冷卻盤管外側(cè)與空氣和噴淋水接觸，管內(nèi)冷卻流體所要消除的熱負(fù)荷通過管壁與噴淋水和空氣的傳熱傳質(zhì)過程最終由空氣帶出塔外。其傳熱傳質(zhì)過程同時進行，相互耦合，傳遞機理復(fù)雜，目前針對其的研究成果多是基于 Merkel的以焓差為推動力，對空氣和噴淋水的熱濕交換建立的數(shù)學(xué)模型。而在所涉及的方程組中空氣濕球溫度作為影響冷卻塔運行的重要參數(shù)，并沒有得到直接反映，從而不利用對其影響冷卻效率能力的分析，本文建立基于濕球溫度的逆流閉式冷卻塔的數(shù)學(xué)模型。
傳熱傳質(zhì)基本方程的建立
1．1 熱質(zhì)傳遞過程與分析
逆流閉式冷塔的熱傳遞過程為：從管內(nèi)流體經(jīng)對流換熱傳遞到圓管內(nèi)壁，經(jīng)圓管內(nèi)壁導(dǎo)熱傳遞到外壁，最后經(jīng)噴淋水膜部分傳遞到冷卻塔內(nèi)部對流空氣，余下部分則由在管外噴淋水膜帶走，并在噴淋水與空氣接觸過程當(dāng)中最終傳遞給塔內(nèi)空氣，如圖 1 所式。
為了既能滿足工程精度要求，又能最大限度地簡化模型，提高計算速度，對密閉塔的傳熱傳質(zhì)過
程作如下假設(shè)：
① 逆流閉式冷卻塔傳熱傳質(zhì)和流動過程處于穩(wěn)態(tài)，忽略外殼的散熱損失；
② 各流體熱物性參數(shù)為常數(shù)，流體的狀態(tài)參數(shù)僅沿流動方向變化，即只沿?fù)Q熱管束高度方向變化，一維模式；
③ 噴淋水膜均勻分布，忽略水膜波動和其厚度對熱傳遞的影響，水膜在傳熱壁面上完全潤濕；
④ 濕空氣的傳熱傳質(zhì)過程符合劉易斯關(guān)系
計算仿真和實例驗證
為了檢驗?zāi)Ｐ偷恼_性，運用其對某逆流閉市冷卻塔冷卻循環(huán)水和塔內(nèi)流體溫度情況進行模擬，該塔的主要運行參數(shù)：冷卻水流量 13.89 kg/s，噴淋循環(huán)水流量 22.78kg/s，空氣流量為 26.592 kg/s，冷卻水進口溫度 37℃。結(jié)構(gòu)參數(shù)：長×寬×高為 2.09m×2.058 m×0.36m，管外徑 0.0127m，管間距0.029m。
當(dāng)空氣進口濕球溫度為 27.2℃，干球溫度 35℃時，利用所求模型對逆流閉式冷卻塔的內(nèi)部溫度進行模擬，其結(jié)果如圖 3 所示，從圖中可以看出冷卻水沿流動方向逐步降低，在盤管上部，由于噴淋水溫度與冷卻水溫度溫差較大，其換熱效果顯著，噴淋水溫度上升較快，同時冷卻水的溫度下降幅度也較大。在盤管下端，由于噴淋水外空氣相對濕度較小，噴淋水吸收的冷卻水的熱量在此時小于其傳遞給空氣的顯熱和潛熱，噴淋水溫度下降，但是在盤管中部顯熱和潛熱的傳遞基本上等于管內(nèi)傳遞給噴淋水的熱量，所以在盤管中部。噴淋水，空氣和管內(nèi)冷卻水的熱量傳遞總體上處于動態(tài)平衡階段?？諝鉂袂驕囟妊亓鲃臃较蛞恢律?，濕球溫度上升是由于空氣與噴淋水之間的顯熱和潛熱交換導(dǎo)致了空氣的焓值增加；而空氣干球溫度變化較為復(fù)雜，空氣干球溫度的升降取決于干球溫度與噴淋水溫度的比較，當(dāng)噴淋水溫度高于空氣干球溫度時，空氣吸收顯熱，干球溫度升高，反之則下降。在逆流閉式冷卻塔實際運行中，對進口空氣干球溫度和工藝?yán)鋮s水進出口溫度進行監(jiān)測。表 1 為冷卻水流量為 13.89kg/s 與 12.5kg/s 時，不同噴淋水量下的計算值與實測值。
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進口空氣參 |
冷卻 |
噴淋 |
進水 |
冷卻水出水溫 |
誤 |
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數(shù)（℃） |
水流 |
水流 |
溫度 |
度（℃） |
差 |
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干球 |
濕球 |
量 |
量 |
（℃） |
計算 |
實測 |
（%） |
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溫度 |
溫度 |
（kg/s） |
（kg/s） |
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值 |
值 |
|
|
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 結(jié)果表明，由模擬計算出的結(jié)果基本與實測值相符，誤差小于 4%，從而說明了模型的合理性。
(1) 分析密閉式冷卻塔冷卻過程的換熱機制，建立了基于濕球溫度的逆流閉式冷卻塔的換熱數(shù)學(xué)模型，并對數(shù)學(xué)模型進行了數(shù)值求解，得到了逆流閉式冷卻塔內(nèi)冷卻循環(huán)水、噴淋水、空氣干濕球溫度的沿盤管高度方向的變化規(guī)律，為研究此類型冷卻塔的出口參數(shù)及影響因素提供了理論依據(jù)。
(2) 引入了對濕空氣飽和線的線性假設(shè)以及濕球溫度汽化潛熱對建立的模型進行了簡化，得到了簡化后的換熱模型，利用四階 Runge-Kutta 算法對所列方程進行了數(shù)值求解，得到了數(shù)值解與測試值的誤差均小于 4%，說明建立的模型可以應(yīng)用于分析當(dāng)濕球溫度變化時對逆流閉式冷卻塔的冷卻效率的模擬計算。
