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基于濕球溫度的逆流閉式冷卻塔换热模型分析

       逆流閉式冷卻塔利用自然环境中空气的干濕球溫度差通过间接蒸发作用取得冷量来冷卻流体。相比于传统的開式冷卻塔其优点在于使冷卻流体通过冷卻盘管与空气间接换热,从而保证了冷卻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,因此逆流閉式冷卻塔广泛应用于石油、化工、民用制冷等领域。逆流閉式冷卻塔冷卻盘管外侧与空气和噴淋水接触,管内冷卻流体所要消除的热负荷通过管壁与噴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,对空气和噴淋水的热湿交换建立的數学模型。而在所涉及的方程组中空气濕球溫度作为影响冷卻塔运行的重要参數,并没有得到直接反映,从而不利用对其影响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学模型。
傳熱傳質基本方程的建立
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,最后经噴淋水膜部分传递到冷卻塔内部对流空气,余下部分则由在管外噴淋水膜带走,并在噴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。
爲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過
程作如下假設:
① 逆流閉式冷卻塔传热传质和流动过程处于稳态,忽略外壳的散热损失;
② 各流体热物性参數为常數,流体的状态参數仅沿流动方向变化,即只沿换热管束高度方向变化,一维模式;
③ 噴淋水膜均匀分布,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
 
計算仿真和實例驗證
为了检验模型的正确性,运用其对某逆流闭市冷卻塔冷卻循环水和塔内流体溫度情况进行模拟,该塔的主要运行参數:冷卻水流量 13.89 kg/s,噴淋循环水流量 22.78kg/s,空气流量为 26.592 kg/s,冷卻水进口溫度 37℃。结构参數:长×宽×高为 2.09m×2.058 m×0.36m,管外径 0.0127m,管间距0.029m。
       当空气进口濕球溫度为 27.2℃,幹球溫度 35℃时,利用所求模型对逆流閉式冷卻塔的内部溫度进行模拟,其结果如图 3 所示,从图中可以看出冷卻水沿流动方向逐步降低,在盘管上部,由于噴淋水溫度与冷卻水溫度温差较大,其换热效果显著,噴淋水溫度上升较快,同时冷卻水的溫度下降幅度也较大。在盘管下端,由于噴淋水外空气相对湿度较小,噴淋水吸收的冷卻水的热量在此时小于其传递给空气的显热和潜热,噴淋水溫度下降,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噴淋水的热量,所以在盘管中部。噴淋水,空气和管内冷卻水的热量传递总体上处于动态平衡阶段。空气濕球溫度沿流动方向一致升高,濕球溫度上升是由于空气与噴淋水之间的显热和潜热交换导致了空气的焓值增加;而空气幹球溫度变化较为复杂,空气幹球溫度的升降取决于幹球溫度与噴淋水溫度的比较,当噴淋水溫度高于空气幹球溫度时,空气吸收显热,幹球溫度升高,反之则下降。在逆流閉式冷卻塔实际运行中,对进口空气幹球溫度和工艺冷卻水进出口溫度进行监测。表 1 为冷卻水流量为 13.89kg/s 与 12.5kg/s 时,不同噴淋水量下的計算值与實測值。
進口空氣參 冷卻 噴淋 進水 冷卻水出水温
           
水流 水流 溫度
               
幹球 濕球 計算 實測 (%)
溫度 溫度 (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,由模拟計算出的结果基本与實測值相符,誤差小于 4%,从而说明了模型的合理性。
 
(1) 分析密閉式冷卻塔冷卻过程的换热机制,建立了基于濕球溫度的逆流閉式冷卻塔的换热數学模型,并对數学模型进行了數值求解,得到了逆流閉式冷卻塔内冷卻循环水、噴淋水、空气干濕球溫度的沿盘管高度方向的变化规律,为研究此类型冷卻塔的出口参數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濕球溫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數值求解,得到了數值解与测试值的誤差均小于 4%,说明建立的模型可以应用于分析当濕球溫度变化时对逆流閉式冷卻塔的冷卻效率的模拟計算。
2018/09/08 09:57:57 1132 次

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