梁慧超

（大同煤業(yè)金鼎活性炭有限公司，山西大同 037003）

閉式冷卻塔也被人們稱作是蒸發(fā)式冷卻器，在應用操作的時候會將風冷、水冷、傳熱等融合在一起，是水冷式冷卻器和涼水塔等一體化結(jié)構(gòu)的高效冷卻設備，在應用的時候會利用水的蒸發(fā)潛熱帶走工藝流體熱量，從而實現(xiàn)對工藝流體的冷卻。閉式冷卻塔在應用操作過程中具有節(jié)能、節(jié)水、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、使用費用低的特點[1]。在節(jié)能減排發(fā)展要求下，閉式冷卻塔也被提出了高效設計的要求，即管內(nèi)工質(zhì)所釋放的熱量在被空氣全部帶走的時候，空氣恰好達到飽和狀態(tài)，且在這個狀態(tài)下所花費的制造費用和運行成本費用最低。閉式冷卻塔內(nèi)部傳熱傳質(zhì)性能的優(yōu)劣深刻影響其冷性能和節(jié)能成效[2]。為此，高效閉式冷卻塔的設計需要充分考慮冷卻塔內(nèi)部的傳熱性質(zhì)。

1 對閉式冷卻塔內(nèi)部換熱模型

（1）對閉式冷卻塔內(nèi)部換熱模型的建立

結(jié)合前人的研究結(jié)果，在考慮水分蒸發(fā)質(zhì)量變化情況下，對冷卻塔的換熱模型進行了優(yōu)化處理。根據(jù)冷卻塔內(nèi)部復雜的傳熱傳質(zhì)過程構(gòu)造閉式冷卻塔內(nèi)部換熱物理模型。閉式冷卻塔內(nèi)部換熱物理系統(tǒng)主要包含冷卻盤管內(nèi)冷卻水與管外噴淋水傳熱過程、管外噴淋水膜和空氣之間的熱質(zhì)傳遞過程[3]。在模型建立的時候做出以下的假設：第一，在穩(wěn)定的條件下進行傳熱傳質(zhì)；第二，在一定的溫度下，物性參數(shù)不會隨著溫度發(fā)生變化；冷卻水溫度、噴淋水溫度簡化為一維模型。結(jié)合守恒定律建立了較為準確的傳熱傳質(zhì)微分方程組?？諝獾牡脽崃坑嬎闳缡剑?）所示。管外噴淋水的熱量微分方程如式（2）所示。管外噴淋水質(zhì)量的變化如式（3）所示。管內(nèi)冷卻水失去的熱量如式（4）所示。空氣比焓值和含濕量由塔底向塔頂呈現(xiàn)出逐漸上升的發(fā)展趨勢，空氣因為系數(shù)盤管外噴淋水而使得其含濕量增加。微分方程（1）、（2）、（3）、（4）共同構(gòu)成了閉式冷卻塔的換熱數(shù)學模型。

其中：Qwa是空氣得熱量（W）；mda是干空氣質(zhì)量流量（kg/s）；hwa是空氣的比焓 （J/kg）；σ是體積質(zhì)傳遞系數(shù)（kg/m3）；f是橫截面積（m2）；z是距冷卻塔塔頂?shù)木嚯x（m）；h＊是管外噴淋水溫度下飽和濕空氣的比焓。

其中：QW是噴淋水得熱量（W）；cw是水的比熱（J/kgK）；tw是噴淋水溫（℃）；mw是噴淋水質(zhì)量流量（℃）；QCW是管內(nèi)冷卻水失去的熱量（W）。

其中：（x″是噴淋水溫對應的飽和空氣的含濕量（g/kg）；x是空氣含濕量（g/kg）。

其中：mcw是管內(nèi)冷卻水的質(zhì)量流量（kg/s）；hcw是冷卻水的比焓（J/kg）；tcw是冷卻水溫度（℃）；k是傳熱系數(shù)（W/m2）；α是單位體積內(nèi)的有效傳熱面積（m2）。

（2）閉式冷卻塔供冷性能分析

閉式卻塔在相同的冷卻水入口溫度下出口溫度越低，證明其冷卻能力和供冷性能越好。對于結(jié)構(gòu)尺寸一定的閉式冷卻塔來講，影響其冷性能的主要參數(shù)包含入口空氣干濕球溫度、噴淋水量、空氣流量等[4]。任何一個參數(shù)的變化在某種程度上都會影響冷卻塔冷卻水出口溫度和供冷性能。根據(jù)上文構(gòu)造的模型能夠求出空氣濕球溫度。伴隨噴淋水量的增加，冷卻水的出口溫度會減少，放熱量會增加，冷卻能力由此提升[5]。

2 高效閉式冷卻塔的優(yōu)化設計模型

（1）熱質(zhì)分析與設計計算

閉式冷卻塔傳熱過程包括工質(zhì)在管內(nèi)的冷卻、工質(zhì)發(fā)出熱量從管內(nèi)到管外水膜的傳輸、水膜非飽和和蒸發(fā)狀態(tài)下空氣帶走水膜的蒸發(fā)熱，換熱量Q可以表示為Q=Cρpqmp（tpi-tpa）。tpi、tpa是管內(nèi)工質(zhì)的進出口溫度（℃）；qmp是工質(zhì)的質(zhì)量流量（kg/s）；Cρp是工質(zhì)的比定壓熱容（kg·℃）。水膜傳質(zhì)系數(shù) hd的經(jīng)驗關系式是hd=0.049。空氣側(cè)換熱面積A以及空氣與水膜的接觸面積 Aa分別如（5）、（6）所示。

（2）優(yōu)化方案

通過調(diào)節(jié)設計過程中參數(shù)的取值來降低盤管換熱面積、換熱部件的壓降，從而達到經(jīng)濟節(jié)能的發(fā)展目的。根據(jù)最優(yōu)化原理，目標函數(shù)A、dp、dp，控制變量Vp，由此判斷目標函數(shù)的影響程度，得到最優(yōu)化的運行參數(shù)。

3 閉式冷卻塔運行參數(shù)最優(yōu)化

為了能夠讓設計的閉式冷卻塔在滿足換熱要求的同時能耗消耗降低到最小，需要對各個運行參數(shù)對設計過程的影響程度進行分析。文章選擇應用φ25 mm×φ2.5 mm紫銅管，錯落有致的安排布置，銅管之間的間距是50 mm，排距是43 mm，管內(nèi)外污垢的熱阻取值是0.000 4 J/（m2s℃），因此確定設計換熱量約為1 841 kW[6]。

（1）工質(zhì)流速

管內(nèi)工質(zhì)流速對管程壓降、管內(nèi)工質(zhì)流速對外掠管束壓降，dp1會隨著Vp的增加而增加，和管程壓降同流速的二次方呈現(xiàn)正比關系[7]。在一定流速范圍內(nèi)，Vp對dp不會產(chǎn)生影響。為了滿足盡量以較小的A獲得較大的K，Vp取兩條曲線的相交點，即在1.2 m/s的情況下最為合適。

（2）噴淋密度

Γ對dp基本不存在影響，在Γ大概等于0.065的時候，dp1和dp會突然變小，而出現(xiàn)這種情況的原因是管程數(shù)的變化[8]。

（3）迎面風速

dp1會隨著Va的增長而出現(xiàn)震蕩減小的情況，出現(xiàn)這種情況的原因是Va的增加加強了空氣的湍流度，提升了換熱效率，對于確定的K相當于減少了流速Vp，dp1也會因此而減少。dp隨著Va的增長而振蕩增加，這是因為dp和空氣流量qma成正比，對于確定純的盤管dp也和Va呈現(xiàn)出正比關系。

4 結(jié)束語

綜上所述，在一定的范圍內(nèi)，為了使設計換熱面積和壓降綜合最小，運行參數(shù)和推薦數(shù)值分別是：工質(zhì)流速1.2 m3/s、噴淋密度0.12 kg/ms、迎面風速3 m3/s、配風量150～200 m3（kWh）。在這樣的要求下能夠使閉塔換熱面積和壓降綜合達到最小，從而有效節(jié)省閉塔投資成本和運行綜合費用。