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(lái)冷卻流體。相比于傳統(tǒng)的開式冷卻塔其優(yōu)點(diǎn)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(jìn)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(shí)進(jìn)行，相互耦合，傳遞機(jī)理復(fù)雜，目前針對(duì)其的研究成果多是基于 Merkel的以焓差為推動(dòng)力，對(duì)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(yùn)行的重要參數(shù)，并沒有得到直接反映，從而不利用對(duì)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(duì)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(duì)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(jiǎn)化模型，提高計(jì)算速度，對(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)和其厚度對(duì)熱傳遞的影響，水膜在傳熱壁面上完全潤(rùn)濕；
④ 濕空氣的傳熱傳質(zhì)過程符合劉易斯關(guān)系
計(jì)算仿真和實(shí)例驗(yàn)證
為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼_性，運(yùn)用其對(duì)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(jìn)行模擬，該塔的主要運(yùn)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(jìn)口溫度 37℃。結(jié)構(gòu)參數(shù)：長(zhǎng)×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(jìn)口濕球溫度為 27.2℃，干球溫度 35℃時(shí)，利用所求模型對(duì)逆流閉式冷卻塔的內(nèi)部溫度進(jìn)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(dòng)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(shí)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(duì)濕度較小，噴淋水吸收的冷卻水的熱量在此時(shí)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(dòng)態(tài)平衡階段。空氣濕球溫度沿流動(dòng)方向一致升高，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(shí)，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(shí)際運(yùn)行中，對(duì)進(jìn)口空氣干球溫度和工藝?yán)鋮s水進(jìn)出口溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。表 1 為冷卻水流量為 13.89kg/s 與 12.5kg/s 時(shí)，不同噴淋水量下的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值。
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進(jìn)口空氣參 |
冷卻 |
噴淋 |
進(jìn)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(jì)算 |
實(shí)測(cè) |
（%） |
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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 |
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35 |
27 |
|
28.89 |
37 |
32.18 |
33.15 |
2.9 |
表 1 結(jié)果表明，由模擬計(jì)算出的結(jié)果基本與實(shí)測(cè)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(jī)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(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)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(duì)濕空氣飽和線的線性假設(shè)以及濕球溫度汽化潛熱對(duì)建立的模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，得到了簡(jiǎn)化后的換熱模型，利用四階 Runge-Kutta 算法對(duì)所列方程進(jìn)行了數(shù)值求解，得到了數(shù)值解與測(cè)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(shí)對(duì)逆流閉式冷卻塔的冷卻效率的模擬計(jì)算。
