闭式冷却塔热力性能影响因素分析及优化设计.pdf
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教育部交叉学科与重大项目培育基金（编号：
WG1013009）作者简介：
作者简介：
宋进（1989-），男，研究生，主要从事传热与节能的研究，电话：
（021）64253708，E-mail:
;朱冬生，男，博士，教授，通讯联系人，E-mail:
。
闭式冷却塔热力性能影响因素分析及优化设计宋进1，郑伟业1，朱冬生1，曾力丁1，周洪剑2（1.华东理工大学机械与动力工程学院承压系统与安全教育部重点实验室，上海200237;2.上海宝丰机械制造有限公司，上海200436）摘要：
摘要：
本文分析了闭式冷却塔的传热传质机理，建立了二维计算模型，在此模型的基础上编写圆管型闭式冷却塔设计计算模拟程序。
采用不同作者经典的传热传质经验公式，以总传热系数、换热面积为研究方向，计算模拟分析管内流速、配风量、喷淋密度、迎面风速对热力性能的影响，得到了各因素的最佳范围，对封闭式冷却塔的性能优化设计具有一定的指导作用。
关键词关键词：
闭式冷却塔；换热面积；总传热系数InfluenceFactorsonThermalPerformanceandOptimalDesignofClosedCircuitCoolingTowerSongJin1,ZHENGWei-ye1,ZHUDong-sheng1,ZHOUHong-jian2,ZENGLi-ding1（1.KeyLaboratoryofPressureSystemsandSafety,MinistryofEducation.,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China2.ShanghaiBaofengMachineryManufacturingCo.Ltd,Shanghai200436,China）Abstract:
Thispaperanalysetheheatandmasstransfermechanismofclosedcircuitcoolingtower.Atwo-dimensionalcalculationmodelhasbeenbuiltandthedesigncalculationsimulationprogramofpipetypeclosedcircuitcoolingtowerhasbeenwrittenwiththismodel.Withtheoverallheattransfercoefficientandheattransferareaofresearchparty,theclassicalheatandmasstransferexperienceformulasofdifferentauthorshavebeenusedtocalculateandanalysetheinfluenceofdifferentprocesswatervelocity,facevelocity,airflowandwaterflowrateperunitlengthtothethermalperformance.Theoptimalrangeofthedifferentfactorshaveobtainedandcanbeusedforoptimizationdesignofclosedcircuitcoolingtower.Keywords:
closedcircuitcoolingtower;heattransferarea;overallheattransfercoefficient闭式冷却塔是一种将水冷与空冷、传热与传质过程融为一体且兼有两者之长的高效节能冷却设备，具有节能、节水、结构紧凑、易安装维护、运行费用低等优点。
近十年的研究、开发和推广的实践证明，闭式冷却塔不仅可以广泛应用于暖通空调制冷领域，单独地或与其它制冷方式相结合去面对环保、节能、经济及室内空气品质的联合挑战,而且在炼油、冶金、电力、轻工等工业领域中也有着广阔的应用前景。
闭式冷却塔内部传热传质性能的优劣直接影响其供冷性能，而影响闭式冷却塔传热传质性能的因素主要有管内流体流速、喷淋密度以及空气流速。
本文通过建立闭式冷却塔的传热传质数学模型，采用不同作者的传热传质经验公式，以总传热系数、换热面积为研究方向，通过Matlab计算预测管内流速、配风量、喷淋密度、迎面风速对闭式冷却塔热力性能的影响，得到各因素的最佳范围，对闭式冷却塔性能优化设计具有一定的指导作用。
1.不同作者的传热传质经验公式不同作者的传热传质经验公式Paker和Treybal1最早提出了逆流冷却塔的实际设计方法，假设饱和湿空气的焓值与空气-水膜界面处水膜温度呈线性关系，给出了外径为19mm错排管束的传热传质经验公式。
管外喷淋水与管外表面之间的对流换热系数hw为：
1/3704（1.390.022）wwwhtG=+
（1）其中tw为喷淋水膜的温度，；Gw为喷淋水的质量流速，kg/（sm2）。
空气-水膜之间的传质系数hd为：
0.9050.049dahG=
（2）其中Ga为空气质量流速，kg/（sm2）。
Niitsu2等测试了圆管的热力性能，包括水膜传热系数、空气-水膜的传质系数以及空气掠过管束的压降，给出了外径16mm，错排光管的传热传质关联式：
0.46990wwhG=（3）0.80.076dahG=（4）Hasan和Sirn3测试了管径为10mm错排的闭式冷却塔，每排19根管，采用Paker和Treybal的传热关系式
（1）来估算水膜传热系数hw，总共进行60组测试，得到的相关传质系数为：
0.7730.065dahG=（5）Heyns和Krger4采用Poppe5和Mekel6的分析研究了闭式冷却塔的热力性能，通过实验得到了水膜传热系数和空气-水膜传质系数：
0.10.350.3470wawwhGGT=（6）0.730.20.038dawhGG=（7）2.闭塔计算的数学模型闭塔计算的数学模型为了建立闭塔计算的数学模型，本文作如下假设：
（1）传热传质的过程是一个稳态过程；
（2）冷却塔向周围环境的辐射散热忽略不计；（3）管外表面充分润湿，在进口和整个管束，空气流动和温度分布；（4）刘易斯因子等于17；（5）喷淋水流量足够大，忽略喷淋水膜蒸发带来的影响；（6）空气-水膜接触面的热阻可以忽略不计8，因此接触面的空气焓值为与水膜温度相对应的饱和湿空气的焓值。
取微元控制体进行数学模型分析，如图1所示。
图1微元控制体内流体流动Fig.1Fluidsinsideanelement微元控制体内三种流体的能量守恒关系式为：
0adQdQ+=（8）冷却流体损失的热量dQ为：
（）pppppwdQmcdTKTTdA=（9）其中K是基于管外表面积的管内冷却水与喷淋水之间的总传热系数，Tp为管内冷却水水温，Tw为喷淋水水温，A为管外表面积，K可以写成：
11ln（）2ooooiowiiiwiddddrrhKhddkd=+（10）空气得到的热量dQa为：
（）aaadmaswaadQmdihiidA=（11）其中ia为空气焓值，Aa为空气-水膜接触面的表面积，imasw为与水膜温度对应的饱和湿空气焓值。
方程（12）称作Merkel方程。
Krger9提出了一种简化的Merkel-类型分析方法，假设一个恒定的水膜温度，只有进出口的参数是由计算得到。
对关系式（13）在进出口条件下求积分，得到：
lnpiwppppowTTmcTTAK=（14）同样，对（15）进行积分，得到：
lnamaswaiadmaswaomiiAhii=（16）闭式冷却塔中管内冷却水失去的热量为空气带走的热量，即：
（）（）aaoaippppipoQmiimcTT=（17）3.设计模型求解设计模型求解设计程序如图2所示。
图2设计程序的流程图Fig.2Flowchartdiagramfordesign对于一个特定的管内冷却水流量Gp，进口温度Tpi，出口温度Tpo，大气压Pa，空气干球温度ta以及湿球温度twb，通过方程（18）-（19）可以求出管外表面积A以及空气-水膜接触面的表面积Aa。
通过假设水膜温度Tw，迭代求解A和Aa，直到两者趋于一致。
最终结果输出换热面积A和总传热系数K。
4.预测结果分析预测结果分析4.1管内冷却水流速的影响管内冷却水流速的影响取迎面风速3.5m/s，配风量200m3/（hkW），喷淋密度0.05kg/（ms），管内冷却水流量Gp=120m3/h，进口温度37，出口温度32，环境干球温度34，湿球温度28，分别计算流速0.53.5m/s时的总传热系数以及换热面积，计算结果如图3、4所示。
0.51.01.52.02.53.03.5400450500550600650700750800总传热系数K，W/（m2K）管内流速Vp，m/sHasanParkerandTreybalNiitsuHeyns图3不同管内流速下的换热面积Fig.3Heattransferareafordifferentprocesswatervelocity0.00.51.01.52.02.53.03.5200250300350400450500550HasanParkerandTreybalNiitsuHeyns换热面积A，m2管内流速Vp，m/s图4不同管内流速下的总传热系数Fig.4Overallheattransfercoefficientfordifferentprocesswatervelocity从以上两图可以看出，流速越高，总传热系数越大，从而所需的换热面积越小；当流速大于1.5m/s时，这种趋势变得缓慢。
这主要是由于管内流体已经充分湍流，热阻主要集中在空气侧，另外阻力与流速呈平方关系发展，较高的流速将影响盘管的运行能力，因此在闭塔设计时，建议流速取值在1.52.5m/s范围内为宜。
4.2迎面风速的影响迎面风速的影响取配风量200m3/（hkW），喷淋密度0.05kg/（ms），管内冷却水流量Gp=120m3/h，流速1.5m/s，进口温度37，出口温度32，环境干球温度34，湿球温度28，分别计算迎面风速为0.54.0m/s时的总传热系数以及换热面积，计算结果如图5、6所示。
0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5500550600650700750总传热系数K，W/（m2K）迎面风速Vf，m/sHasanParkerandTreybalNiitsuHeyns图5不同迎面风速下的换热面积Fig.5Heattransferareafordifferentfacevelocity0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.540060080010001200换热面积A，m2迎面风速Vf，m/sHasanParkerandTreybalNiitsuHeyns图6不同迎面风速下的总传热系数Fig.6Overallheattransfercoefficientfordifferentfacevelocity从图5可以看出，总传热系数几乎不受迎面风速的影响；而从图6中可以看出，随着迎面风速的增大，换热面积明显变小，当空气流速大于2.5m/s时，这种变化趋势开始变缓。
综合以上分析，在闭塔设计时，建议迎面风速Vf取值在2.53.5m/s的范围内。
4.3配风量的影响配风量的影响取迎面风速3.5m/s，喷淋密度0.05kg/（ms），管内冷却水流量Gp=120m3/h，流速1.5m/s，进口温度37，出口温度32，环境干球温度34，湿球温度28，分别计算配风量为160300m3/（hkW）时的总传热系数以及换热面积，计算结果如图7、8所示。
140160180200220240260280300320400450500550600650700750800总传热系数K，W/m2K配风量air，m3/（hkW）HasanParkerandTreybalNiitsuHeyns图7不同配风量下的换热面积Fig.7Heattransferareafordifferentairflow140160180200220240260280300320250300350400450500550600650换热面积A，m2配风量air，m3/（hkW）HasanParkerandTreybalNiitsuHeyns图8不同配风量下的总传热系数Fig.8.Overallheattransfercoefficientfordifferentairflow从图7中随着配风量的增大，总传热系数变化不大；从图8可以看出，随着配风量增大，换热面积呈递减的趋势。
随着配风量的增大，空气流量增大，吸湿能力增强，蒸发形成的水蒸汽能被逆流的空气及时的带走，从而强化传热，提高换热效果；而配风量增加，相应的风机阻力损失也会增大，并且超过一定范围时，不能明显减小换热面积，因此在选择配风量时也不宜过大，应该选择在220260m3/（hkW）范围内为宜。
4.4喷淋密度的影响喷淋密度的影响取迎面风速3.5m/s，配风量200m3/（hkW），管内冷却水流量Gp=120m3/h，流速1.5m/s，进口温度37，出口温度32，环境干球温度34，湿球温度28，分别计算喷淋密度为0.020.08kg/（ms）时的总传热系数以及换热面积，计算结果如图9、10所示。
0.020.030.040.050.060.070.08400450500550600650700750800总传热系数K，W/（m2K）喷淋密度，kg/（ms）HasanParkerandTreybalNiitsuHeyns图9不同喷淋密度下的总传热系数Fig.9Overallheattransfercoefficientfordifferentwaterflowrateperunitlength0.020.030.040.050.060.070.08300350400450500550600换热面积A，m2喷淋密度，kg/（ms）HasanParkerandTreybalNiitsuHeyns图10不同喷淋密度下的换热面积Fig.10Heattransferareafordifferentwaterflowrateperunitlength从以上两图可以看出，喷淋密度分别对总传热系数和换热面积呈单向递增和递减的关系，且随着喷淋密度的增大，而均匀的增加或减少。
这是因为随着喷淋密度的增加，管外壁液膜流动速度增加，随着管外壁液膜的逐渐堆砌，增加了液膜的厚度，而较厚的水膜增加热量传递给管外对流空气的传热热阻，阻碍了热量进一步迁移，因此喷淋密度不宜过大。
从图中可以看出，最佳的一个喷淋范围应该是在0.050.07kg/（ms）。
5.总结总结本文提出一种基于传热传质过程的闭式冷却塔设计模型，采用不同作者的传热传质经验公式来预测闭式冷却塔的热力性能，预测不同工况对换热面积和总传热系数的影响。
由模拟计算的结果及分析，在进行闭塔设计时，建议管内流速取值在1.52.5m/s范围内，配风量取值在220260m3/（hkW）的范围内，迎面风速取值在2.53.5m/s的范围内，喷淋密度在0.050.07kg/（ms）范围内选取。
参考文献参考文献1F.Merkel.Verdunstungskuehlung,VDIForschungsarbeitenNo.275M.Berlin,1925.2R.O.Parker,R.E.Treybal.TheheatmasstransfercharacteristicsofevaporativecoolerscoolersJ.AIChEChemicalEngineeringProgressSymposiumSeries,1961,57（32）:
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