（热能工程专业论文）密闭式冷却塔冷却过程的计算机仿真及参数优化研究.pdf

i j 、- 鞍山科技大学硕士论文摘要 摘要 密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。在冷却流体不允许直接暴露在外界环境中或空气污染严 重的场合，密闭式冷却塔成了必须且合适的选择，因而在工业领域和空调系统中 得到越来越广泛的应用。本文的目的就是通过一系列的理论和计算机仿真方法对 密闭式冷却塔的冷却过程换热机理和参数优化进行研究，以此促进密闭式冷却塔 的进一步推广和应用。 首先，本文根据热湿交换理论，建立了密闭式冷却塔换热盘管段的传热传质 微分方程组。在一维假设的基础上，得到密闭式冷却塔盘管内冷却水的温度、喷 淋水温度、空气焓值沿换热盘管高度变化的解析解以及冷却水、喷淋水出口温度 随管内冷却水入口温度、空气入口焓值变化的关系式。 根据解析表达式，编制了相应的仿真程序。以鞍钢机械总公司铸造厂南部分 厂运行中的两台密闭式冷却塔为例，利用仿真程序，得到两台密闭式冷却塔在运 行工况下冷却水温度、喷淋水温度、空气焓值随换热盘管层数的变化曲线。并对 仿真计算所得不同工况下的三股流体出口参数和现场实测数据进行比较，结果证 明了密闭式冷却塔的模型建立和解析求解在工程精度要求范围内的正确性。 通过改变密闭式冷却塔的冷却水进口温度、流量，空气的入口焓值和流量得 到换热盘管内冷却水出口温度和喷淋水温度的变化规律，从而为密闭式冷却塔的 设计计算和运行调节奠定基础。然后通过改变三股流体的流量对密闭式冷却塔进 行传热强化，得到除热量和传热系数随冷却水流速、单位宽度喷淋水量、空气迎 面风速的变化规律。并以获得较高传热系数为目的，提出设计计算中冷却水流速、 单位宽度喷淋水量、空气迎面风速的选择范围。根据分析研究结果编制了相应的 设计程序，方便工程应用。 关键词：密闭式冷却塔，换热模型，解析解，仿真，传热系数 鞍山科技大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec l o s e dt y p ec o o l i n gt o w e ri sah i g h l ye f f e c t i v ea n de n e r g y s a v i n gc o o l i n g e q u i p m e n t ，w h i c hc o m b i n e sw a t e r c o o l i n ga n da i r c o o l i n ga s w e l la sh e a ta n dm a s s t r a n s f e r i tb e c o m e sa ne s s e n t i a la n da p p r o p r i a t ec h o i c ei nt h es i t u a t i o nt h a tc o o l i n g f l u i di sn o te x p o s e dd i r e c t l yi nt h ee x t e m a le n v i r o n m e n to ri nt h es e r i o u sa i rp o l l u t i o n p l a c e ，s oi ti su s e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi nt h ei n d u s t r ya n dt h ea i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e m t h ep u r p o s eo ft h i st h e s i si st os t u d yt h eh e a tt r a n s f e rt h e o r yo fc o o l i n g p r o c e s s a n dp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o ni nc l o s e dt y p ec o o l i n gt o w e rb yt h e o r e t i c a la n dc o m p u t e r s i m u l a t i o nm e t h o d ss oa s t op r o m o t et h i se q u i p m e n tt og e tf u r t h e ra p p l i c a t i o n f i r s t ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r i e so fh e a ta n dm a s st r a n s f e r ，t h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n g r o u po fh e a ta n dm a s st r a n s f e rp r o c e s sa r eb u i l ti nt h et u b eb u n d l eo fac l o s e dt y p e c o o l i n gt o w e r b a s e do nt h ea s s u m p t i o no fo n ed i m e n s i o n ，t h ea n a l y t i cr e s u l t so f c o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r ei nt h et u b eb u n d l e ，t h es p r a yw a t e rt e m p e r a t u r ea n dt h ea i r e n t h a l p yv a l u ea l o n gt h eh e i g h to ft u b eb u n d l ea r eo b t a i n e d ，t h ec h a n g er e l a t i o n so f c o o l i n ga n ds p r a yw a t e ro u t l e tt e m p e r a t u r ea l o n gw i t hc o o l i n gw a t e ri n l e tt e m p e r a t u r e a n da i ri n l e te n t h a l p yv a l u ea r ea l s oe s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y t i ce x p r e s s i o n s ，t h ec o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o np r o g r a mi s m a d e a f t e rt w oc l o s e dt y p ec o o l i n gt o w e r si nt h es o u t hb r a n c hf o u n d r yf a c t o r yo f a n s h a ni r o na n ds t e e lc o m p a n ym e c h a n i c a lc o r p o r a t i o na r et a k e na st h ee x a m p l e ，t h e c u r v e so fc o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r e ，s p r a yw a t e rt e m p e r a t u r ea n da i re n t h a l p yv a l u e a l o n gt u b eb u n d l el a y e r so ft w oc l o s e dt y p ec o o l i n gt o w e r si nt h eo p e r a t i n gm o d ea r e o b t a i n e db ym e a n so ft h es i m u l a t i o np r o g r a m i ti sp r o v e dt h a tt h em a t h e m a t i cm o d e l a n da n a l y t i ce x p r e s s i o n sa r ec o r r e c ti nt h ep r o j e c tr e q u i r e da c c u r a c ys c o p et h r o u g h c o m p a r i n gs i m u l a t i o nc o m p u t a t i o no u t l e tp a r a m e t e r sw i t hm e a s u r e dd a t ai nd i f f e r e n t o p e r a t i n gm o d e s t h ec h a n g i n gr u l e so f c o o l i n gw a t e r o u t l e t t e m p e r a t u r e a n ds p r a yw a t e r t e m p e r a t u r ea r eg a i n e dt h r o u g hc h a n g i n gc o o l i n gw a t e ri n t a k et e m p e r a t u r ea n df l o w , a i re n t r a n c ee n t h a l p ya n df l o w i tm a k e st h eb a s i so fo p e r a t i n ga d j u s t m e n ta n dd e s i g n i i l _ - 塑些登垫查兰堡主垒壅 垒! 竺 c a l c u l a t i o no ft h ec l o s e dt y p ec o o l i n gt o w e r t h e nt h ec h a n g i n gr u l e so fr e j e c t e dh e a t a n dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta l o n gw i t hc o o l i n gw a t e rv e l o c i t y , u n i tw i d t hs p r a yw a t e r f l o w , a i rv e l o c i t ya r ea l s oo b t a i n e dt h r o u g hc h a n g i n gt h ef l o wo ft h r e ef l u i d s t o s t r e n g t h e nh e a tt r a n s f e r , i no r d e rt oa c h i e v et h eh i g h e rh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，t h e c h o i c es c o p e so fc o o l i n gw a t e rv e l o c i t y , u n i tw i d t hs p r a yw a t e rf l o wa n da i rv e l o c i t y a r ep r o p o s e di nt h ed e s i g nc a l c u l a t i o n a tl a s t ，a c c o r d i n gt oa n a l y s i sr e s u l t s ，t h e c o r r e s p o n d i n gd e s i g np r o c e d u r e i se s t a b l i s h e df o rc o n v e n i e n tp r o j e c ta p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：c l o s e dt y p e c o o l i n gt o w e r , h e a tt r a n s f e rm o d e l ，a n a l y t i c a l e x p r e s s i o n ，s i m u l a t i o n ，h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t i i 鞍山科技大学硕士论文 符号说明 符号说明 卜一流体温度， r e 一雷诺准数 m 一流体的质量流量，k g s n u 一努谢尔特准数 c 一流体的比热，肼( k g ) q 一传热量，k w 妒一流体的密度，k g m 3 一管排数 五一导热系数，k w ( m ) ； 三一换热管长度，m “一流体的动力粘度，p a s 曰一换热盘管宽，m v 一流体的运动粘度，m 2 s i _ 一单位宽度喷淋水量，k g m s 下标 r 一管内冷却水 口一空气 t 一横向 f 一空气焓值，k j k g ( a ) x 一空气的含湿量，k g k g ( a ) d 一传热管的管径，m ； 口一空气的相对湿度 j 一传热管的壁厚，m ； h 一对流换热系数，k w ( m 2 ) 尸一管间距，m k 。一总传热系数值，k w ( m 2 ) 日一盘管高度，1 1 1 u 一流体的流速，m s s 一换热管的横断面积，r r l 2 p r 一普朗特准数 r 一污垢系数，m 2 c k w a p 一压力损失，p a w 一喷淋水 f 一纵向 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得鞍山科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：割晶e t 期：2 q q 鱼：3 q 关于论文使用授权的说明 本人完全了解鞍山科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 刻晶 导师签名：i 鱼! 皇! 因日期：皇必c 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景及研究意义 每一个工厂，每一个工业加工过程，每一个有空调的建筑物都需要排放热量， 这些热量可能是在生产过程产生的，可能是太阳照射产生的，也可能是计算机、 照明灯光以及建筑物内活动的人所产生的。即时地排走热量不仅对设备的工艺过 程是必须的，同时对工作质量和生活质量的保证也是必要的。水是很好的排热介 质，其蒸发潜热可以有效地带走大量的热。水作冷却剂使用方便、价格便宜而且 易于加压和输送。 为了节约用水，冷却水常循环使用，这就需要使这部分水在冷却设备内再冷 却。冷却设备有多种形式，例如冷却水池、冷却塔等。其中冷却塔是主要的冷却 水循环利用装置，它是利用大气空气与高温热水进行热湿交换，使空气带走部分 热量，从而降低水温，达到循环利用冷却水的目的，广泛应用于冶金、石油、化 工、动力、纺织等行业。此外，水作为冷却介质又从工业拓展到民用，如用于大 楼中央空调系统等。 随着国民经济的迅猛发展，工业企业对工业用水的需求量剧增，需要大量的 水来冷却设备，据估计，我国目前工业用水量约为1 0 6 7 亿m 3 ，其中用水综合重复 率为5 6 ，到2 0 l o 年，需水量则约为1 5 6 0 亿m 3 ，而用水综合重复率可达到6 7 。 要实现这一目标，就需要大量的冷却塔，特别是大型塔。因为在工业生产中，约 7 0 8 0 的用水是冷却水，而冷却水中又有约7 0 8 0 是间接冷却水“1 ，由于这 部分水无其他水质污染，靠冷却塔降温后即可循环利用，因此提高冷却水的循环 率自然成为节约工业用水的重点。美国工业用水的循环率达9 2 9 5 。，代表世 界先进水平，相比之下我国与之有很大的差距。 与此同时，随着工农业的发展和世界人口的持续增长，水资源短缺己成为人 类面l 晦的最严峻的资源问题之一。中国拥有世界2 0 的人口却只享有世界6 的水 资源。我国水资源的总量匮乏，多年来平均年水资源总量只有2 8 万亿m 3 ，地下 水资源约为o 1 0 9 万亿m 3 ，河川径流2 7 万亿m 3 ，占全球水资源总量的6 7 。其 中现实可利用的水资源只有1 1 万亿m 3 左右，仅占淡水资源总量的3 9 3 ，人均 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 占有量9 0 0m 3 ，低于世界平均水平的1 4 ，居世界第11 0 位。我国被联合国列为 1 3 个典型的贫水国之一“1 。尤其是城市缺水现象比较严重。据统计，我国6 6 6 座 城市中，有3 3 3 座城市缺水，有1 0 8 座城市严重缺水。我国人均水资源占有量极 低，并呈下降趋势，农业缺水量大，城市供水不足，地下水位严重下降。进入2 l 世纪，随着我国经济建设的飞速发展和人口增加，水资源供需矛盾将进一步加剧， 据预测，2 0 1 0 年全国供水缺口近1 0 0 0 亿m 3 。国际上有“1 9 世纪争煤，2 0 世纪 争石油，2 l 世纪可能争水”和“2 1 世纪国际投资与经济发展，一看人，二看水” 的说法。1 。因此，水已经成为我国可持续发展的重要制约因素。在城市用水中， 冷却水量占较大的比例，这些冷却水直接排放不仅造成热污染，还会造成较大的 能源和资源浪费。为提高水的有效利用率，需要将这些冷却水循环重复利用，缓 解当前水资源短缺的状况，而冷却塔是能够达到这种效果的普遍被采用的冷却设 备之一。 另外由于冷却水在冷却设备内冷却时，与外界空气相接触，空气中的污染物 如尘土、杂物、细菌、可溶性固体等随时都有可能进入冷却水系统，使微生物大 量繁殖，造成生物粘泥。与此同时，如果系统的补给水未经软化处理，在冷却塔 中蒸发的那部分水中的盐分将滞留在冷却水系统中，随着蒸发过程的进行，冷却 循环水的溶解盐类不断浓缩，故而水的硬度不断增高“1 。此外，还有水中的溶解 氧的作用，使金属管道腐蚀。综合以上诸多原因，水系统的流通断面会逐渐减少。 为了保护水不受污染，或者为了保护环境以免受到冷却水或其它冷却液体中有害 成分的影响，冷却水不允许直接暴露在外界环境中。在要求被冷却水洁净或空气 污染严重的场合，密闭式冷却塔成了必须且合适的选择，并且随着环保、节能要 求的日益迫切以及各种换热设备的小型化发展，对密闭式冷却塔的要求也日益增 加。深入了解密闭式冷却塔的传热机理、各项性能指标及其运行工况调节，并不 断开发新型产品，有着重要意义。 1 2 冷却塔的分类 冷却塔是通过一个热、质交换的综合过程使水得到冷却的设备。被冷却的水 通过喷嘴、淋水板或各种填料层，使水与空气有较大的接触面积。空气通过风机 强制对流循环或自然对流，使一部分水吸收热量从液态变为蒸汽，将其余部分的 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 水冷却，这部分热量就是大气压下水的汽化( 蒸发) 潜热，它直接传递给空气。 1 2 1 按空气与循环冷却水是否接触分类 按照空气与循环冷却水是否接触，冷却塔可分为直接接触式冷却塔和间接接 触式冷却塔。 直接接触式冷却塔通常称为开式冷却塔( 图卜1 ) 。在开式冷却塔内，被冷 却的水与空气直接接触，温度较高的循环冷却水经喷嘴喷淋形成雾状水滴，然后 利用同时进行的蒸发散热和传导散热方式与周围空气进行热湿交换，将热水的热 量释放到空气中带出塔外，达到冷却目的。 开式冷却塔的热交换效率高，水被冷却的极限温度为空气的湿球温度。这种 塔由于造价低，冷效高而被普遍采用。缺点是有水的损失，包括蒸发损失、风吹 损失和排污损失，因此需要补充水。另外由于在冷却塔中，冷却水与外界空气直 。， 接接触，空气中的灰尘、杂物对冷却水构成严重的污染，导致冷却水硬度增加，1 管道结垢，传热效率降低，冷却设备受腐蚀。 麟麟 f l2 x ，x ，x ，- x ，x ，x ，八 凿了 建茎耋量i 詈广一弋 建圭茎重摆i 席= = # = = = = = = 事2 = = 7 i， 1 、空气出口2 、挡水板3 、喷淋水4 、冷却水进口i 、空气出口2 、挡水板3 、换热盘管4 、冷却水 5 、空气入口6 、冷却水出1 2 1进口5 、封闭回路6 、冷却水出口7 、空气入口 8 、循环喷淋水9 、水泵 图1 1 开式冷却塔 图1 2 密闭式冷却塔 f i g 1 1o p e n e dt y p ec o o l i n gt o w e r f i g 1 - 2c l o s e dt y p ec o o l i n gt o w e r 间接接触式冷却塔又称密闭式冷却塔( 图卜2 ) 。在密闭式冷却塔中，被冷 却水与空气不直接接触，热水在封闭的换热盘管内流动，盘管外加喷淋水对盘管 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 外表面进行润湿以强化传热传质。在此同时，空气在盘管外掠过对喷淋水进行蒸 发冷却，当空气温度较低时，也可以和盘管内热水进行热交换而带走部分热量， 从而达到冷却目的。 密闭式冷却塔中，冷却水为全封闭系统，对水质的保证性较好，不易被污染， 经常用于软化水或其他工艺流体的冷却。另外当室外气温较低时，可以把它变成一 个蒸发冷却式制冷设备。密闭式冷却塔在对冷却水质有要求的系统中逐渐得到广 泛应用。在同样负荷条件下，密闭式冷却塔的蒸发损失、飞溅损失及排污损失与 开式冷却塔大致相同，但是密闭式冷却塔电耗较大，包括风机电耗和循环水泵电 耗，比其他形式的冷却塔电耗要大得多；且其进塔水压要求较高，要能克服塔内 冷却盘管的阻力。因此采用密闭式冷却塔时，应进行综合的比较。本文主要研究 密闭式冷却塔。 1 2 2 按通风方式分类 按通风方式的不同，冷却塔可分为自然通风冷却塔和机械通风冷却塔两类。 自然通风冷却塔是通过水的喷射或空气密度差的作用将空气吸入，它没有风 机和填料层。喷射水的吸气作用使空气与水顺向流过塔身。水的喷射方式可分为 垂直喷射和水平喷射( 图l 一3 和图1 - - 4 ) 。 1 、空气入口2 、进水3 、水分配器4 、空气h 1 1 1 1 5 、出e l6 、冷却水盘 图卜3 垂直喷射的自然通风冷却塔 f i g 1 - 3n a t u r a lv e n t i l a t i o nc o o l i n g t o w e r s p r a y e dv e r t i c a l l y 1 、进水2 、进风f 衡器3 、空气进1 1 14 、出水5 、空气 6 、排气风门7 、挡水板8 、混合空气9 、水盘 图l 一4 水平喷射的自然通风冷却塔 f i g 1 4n a t u r a lv e n t i l a t i o nc o o l i n g t o w e r s p r a y e dh o r i z o n t a l l y 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 自然通风冷却塔中的空气流速相当低，这种冷却塔对逆风的影响极为敏感， 通常用于工作温度要求不高的系统，由于不用风机，故可节能。水平喷射的冷却 塔由于高度较低，在建筑上容易处理，同时可使用高压喷射来产生较强的吸气效 果，改善空气与水的接触。 双曲线型( 烟囱式) 自然通风冷却塔( 图l - 5 ) ，主要靠空气的密度差将空 气吸入，空气与被冷却水之间的热交换可以是逆流式、错流式。塔身由钢筋混凝 土制成，双曲线形，塔高可达到1 0 0 一1 5 0 m ，主要应用于大型热电厂。这种冷却 塔的初投资费用大，但减少占地面积、省去风机的能耗、水滴飞溅的影响小。 7 1 、进水( 热) 2 、出水( 冷) 3 、空气4 、填料物5 、双曲线型钢筋水泥6 、热、湿空气出口7 、存水盘 图1 - 5 双曲线型自然通风冷却塔 f i g 1 5 h y p e r b o l a t y p en a t u r a lv e n t i l a t i o nc o o l i n g t o w e r 机械通风冷却塔所需空气是由风机供给的，即在塔中设有风机，根据风机安 装位置不同，可分为鼓风式和抽风式两种。 鼓风式冷却塔的风机安装在塔的下侧或旁侧，将新鲜空气鼓入塔中，空气与 喷淋水的流动方向可以是逆流式( 图卜6 ) ，即向上的空气与向下喷淋的水逆向流 动，也可以是错流式( 图1 - 7 ) ，即空气水平方向流过下落的水滴，错流式冷却塔 比逆流式的高度低，造型美观。鼓风式冷却塔的风机安装位置较低，维修方便，但 出1 3 风速低，有时会出现空气随逆风再循环到风机的进风1 3 ，冷却效率减低。 抽风式冷却塔的风机安装在塔顶，热湿空气由塔顶排出。抽风式冷却塔也分 为逆流式和错流式两种( 图卜8 和图卜9 ) 。抽风式冷却塔布置紧凑，湿空气回流 小，塔内经常处于负压，水分易于蒸发，冷却效果好，适用于大水量的冷却塔。 但风机经常处于热湿空气中运行易受腐蚀，风机安装位置高，检修维护困难。 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 1 、离心风机2 、挡水板3 、水喷嘴4 、填料层 5 、进水6 、出水7 、空气出1 1 1 图卜6 鼓风式、逆流式冷却塔 f i g 1 6b l a s t i n ga i r , r e v e r s e - f l o wc o o l i n gt o w e l 1 5 1 、导风板2 、挡水器3 、轴流风机4 、水喷嘴5 、填料层1 、导风板2 、挡水器3 、轴流风机4 、填料层 6 、空气进1 37 、空气出e l8 、进水9 、i t i t ? ,5 、空气进口6 、空气 f j l l l7 、进水8 、出水 图1 8 抽风式、逆流式冷却塔 图1 9 抽风式、错流式冷却塔 f i g 1 - 8s u c k i n ga i r , r e v e r s e f l o wc o o l i n gt o w e l f i g 1 - 9s u c k i n ga i r , i n t e r l o c k - f l o wc o o l i n gt o w e r 1 3 密闭式冷却塔的工作原理 密闭式冷却塔由换热盘管、风机、管道泵、喷嘴、挡水板等部分组成，如图 卜2 所示，传热部分是一个由光管或翅片管组成的蛇形换热盘管组，管组装在一个 由型钢和钢板焊制的立式箱体内，箱体的底部为一蓄水池。从工艺设备或冷凝器 等出来的温度较高的软化冷却水，由冷却水泵加压输送到密闭式冷却塔的换热盘 管中，在沿换热盘管向下流动过程中，与盘管外的喷淋水膜进行热交换而降低温 度。喷淋水用循环水泵压送到换热盘管的上方，经喷嘴喷淋到换热盘管上面，使 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 管外表面形成连续均匀的薄水膜。当温度较高的冷却水进入换热盘管内时，循环 喷淋水连续不断地喷淋在盘管外侧，沿换热盘管的外表面成膜层下流，水膜从换 热盘管壁吸取冷却水的热量后，在蒸发作用下，部分水蒸发为蒸汽，被快速流动 的空气带走，这样就有效地利用水的蒸发潜热，以较少的水就可以达到盘管内软 化水冷却的目的。其余的喷淋水沿盘管表面流下，在下降过程中，被高速气流吹 托滞缓下降或被打碎形成更小水滴，漂飞上扬，有较多时间将热量传于气流带走。 所以足够的配风量和喷淋水量，分布均匀的水膜等对提高冷却效果很重要。流下 的水汇集于下部的蓄水池内，经水泵再送至喷嘴循环使用。 为了强化传热效果，密闭式冷却塔上还装有风机，使室外空气自下而上地流 经换热盘管，并由箱体的上方排出。空气的作用主要是强化水蒸发过程，同时将 换热盘管外激化的水蒸汽带走。而当空气的温度低于水温时，它还可以起一定的 冷却作用，空气自下而上从水膜表面吹过时，除把水蒸气带走外，还夹带一部分 小水滴。为了减少水的吹散损失，在箱体的上部装有挡水板，它的作用是尽量把 空气中夹带的水滴分离下来。 密闭式冷却塔的传热原理与开式冷却塔的主要区别在于利用换热盘管把冷却 液体与空气流隔开( 图1 - 1 0 ) 。在丌式冷却塔中传热和传质过程直接发生在水滴 或水膜与周围的空气流之间，而密闭式冷却塔的传热过程可分为四个步骤：1 ) 管 内冷却水的热量以对流换热形式传递给金属管内壁：2 ) 热量以传导方式通过管子 内壁，传至管外壁的水膜；3 ) 热量在水膜内的传递，即由水膜与金属管壁接触处 传递至水膜与空气接触处；4 ) 热量由水膜传递给空气流，这是热传递和质( 水蒸 汽) 传递的结合。 i 水滚 图卜1 0 密闭式冷却塔冷却过程原理图 f i g 1 - 1 0 0 p e r a t i o n a lp r i n c i p l ed i a g r a mo f t h ec o o l i n gp r o c e s s o f c l o s e d t y p ec o o l i n g t o w e r 7 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 密闭式冷却塔的冷却原理主要是建立在蒸发冷却技术基础上，其设计源于工 业用的蒸发冷却器，实际上仍是一种将水冷却式冷却器和常规冷却塔的性能相结 合的热交换器。冷却6 0 8 0 的流体时，采用密闭式冷却塔比空冷式热交换器有 利”1 。因为它利用了管外侧水的蒸发潜热，具有比空冷式热交换器传热面积少的 优点，只是管外壁容易结垢而影响冷却效果的问题，一直困扰着它的应用。但对 于被冷却介质在5 0 。c 以下的情况来说，结垢问题并不严重。这对于要求被冷却介 质洁净或空气污染严重的场合来说，密闭式冷却塔成了必须且合适的选择。随着 环保、节能要求的日益迫切和各种换热设备的小型化发展，对密闭式冷却塔的需 求也日益增加。 1 4 蒸发冷却技术综述 1 4 1 蒸发冷却技术原理 蒸发冷却( e v a p o r a t i v ec o o l i n g ) 主要是利用自然条件中空气的干湿球温度差 来取得冷量。当不饱和的空气和水接触时，在焓差的推动下，水分从周围的空气 中吸取热量用于自身的蒸发，从而使空气和水的温度降低，再用被冷却和降温的 空气或水来直接或间接冷却待处理的空气或者其他工艺流体，这样的处理过程就 被称之为蒸发冷却过程。干湿球温度差越大，冷却效果越显著。由于蒸发冷却具 有耗能少，对环境无污染等优点，近年来在国内外受到广泛重视，蒸发冷却一般 有两种形式。，。 1 直接蒸发冷却( d i r e c te v a p o r a t i v ec o o l i n g ) 直接蒸发冷却就是未饱和湿空气与水直接接触，水蒸发从周围空气中吸收汽 化潜热，使空气温度降低，空气实现等焓降温加湿，水温同时降低。在湿空气的 焓湿图( h - d ) 上这一过程的描述如图卜1 1 中过程卜2 所示。从图中可以看出，直 接蒸发冷却过程实际上就是一个近似的等焓加湿过程，在温度降低的同时，空气 的含湿量是增加的，所以这种处理空气的方法在工程上的适用性是有限的。 直接蒸发冷却可用于空调中对空气进行热湿处理，直接蒸发空调广泛应用于 农业建筑以及工业厂房。通常采用淋水填料形式的直接蒸发冷却设备处理空气， 然后送到室内。空气处理前后的温度差值可达空气初始状态干湿球温度差的9 0 左 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 右。在干燥地区采用上述形式，可以在耗能较低的情况下处理空气，满足室内人 们对舒适度的要求。与通常采用机械式制冷的空调相比，在空气干燥地区利用直 接蒸发式系统，维修费用和耗能费用最高可节省8 0 。在空气潮湿地区，直接蒸发 冷却往往由于室外环境干湿球温度相差太小而受到限制，但仍可以用于通风需求 比舒适度更重要的场合。 直接蒸发冷却也用于对循环水进行冷却，开式冷却塔就是应用直接蒸发冷却 技术的典型设备。循环冷却水在工业上可用于冷却设备，在空调中也可直接用于 供冷。 dd 图卜1 1 直接蒸发冷却过程示意图图卜1 2 间接蒸发冷却过程示意图 f i g 1 - 1 1d i r e c te v a p o r a t i v ec o o l i n gp r o c e s s f i g 1 - 1 2 i n d i r e c te v a p o r a t i v ec o o l i n gp r o c e s s 2 间接蒸发冷却( i n d i r e c te v a p o r a t i v ec o o l i n g ) 间接蒸发冷却是指将直接蒸发冷却得到的潮湿空气或循环水的冷量通过非接 触式换热器传给待处理的空气或其他工质，实现空气或其他工质的等湿降温。间 接蒸发冷却产品有管束式、板翅式、热管式等形式。 间接蒸发冷却对空气的处理过程有两种形式：一种是将一部分空气进行直接 蒸发冷却处理( 常称为二次空气) 后，空气温度降低，再将这部分空气通过热交换 器冷却需要处理的另一部分空气( 常称为一次空气) ，进行减湿降温处理，一次空 气送至室内，二次空气排出；另一种常用的形式是将水直接喷淋在二次空气侧， 使之进行直接蒸发冷却，需要处理的空气流经壁面温度较低的一次空气侧，实现 等湿降温。典型的间接蒸发冷却系统的空气处理过程在焓湿图( h - d ) 上的描述如 图卜1 2 所示。二次空气从状态1 进入直接蒸发冷却器，经等焓降温后变为状态2 ， 然后再进入热交换器中与一次空气进行热交换，最后升温后变为状态3 。一次空气 则经降温后变为状态4 。利用间接蒸发冷却系统处理空气，空气处理前后的温度差 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 一般不会超过空气处理前干湿球温度差的8 0 。 间接蒸发冷却可用于空调系统中，在集中式空调系统中常用的一种形式就是 在过渡季节，直接将冷却塔提供的冷却水送入空气处理机组的表冷器或房间内的 风机盘管中处理空气，而停开制冷机组，达到节能目的。 另外，间接蒸发冷却也可用于对循环冷却水或工艺流体进行冷却处理，间接 式蒸发冷却器的类型主要有两类：一类是板式间接蒸发冷却器，另一类就是管式间 接蒸发式冷却器，目前对于这种管式间接蒸发式冷却器，由于发展过程和应用领 域的不同有两种称呼，应用于冶金、电厂、化工等行业的大型冷却器常称为蒸发 式冷却器，需要根据实际现场工艺进行现场设计、制造、施工等，多为大型设备， 无定型产品，管材可用较大管径钢管。如在冶金行业中，用于冷却高炉炉壁的循 环冷却水。而在工厂中生产的一些小型的现成产品，大多采用小管径铜管，可应 用于一些冷却水流量相对较少的工业领域或民用空调领域中的常称为密闭式冷却 塔( 或封闭式冷却塔) ，其工作原理和设计方法与蒸发式冷却器基本相同，利用 密闭式冷却塔对循环冷却水进行处理既能够实现较好的冷却效果，又能保证冷却 水的水质，可与水源热泵、水冷式恒温恒湿空调、水冷式空压机、电炉等配套， 在环境较差的地方与中央空调配套等，或在工业领域中直接冷却工艺流体，因此 在空调、电子、电厂、铸造、食品、等行业都有所应用。 1 4 2 蒸发冷却设备的研究概况 1 国外的研究现状 蒸发冷却是人类最早利用自然条件改善生存条件的降温方式之一，早在公元 前2 5 0 0 年，古埃及人就己经懂得利用水分蒸发进行供冷“。但是对蒸发冷却技术 的研究却是始于上一世纪3 0 年代。早在5 0 和6 0 年代，美国、加拿大、澳大利亚等 国家就己经对它进行了多方面的研究，并取得了一定的成果，但当时的研究工作 还不够细致，并且由于新兴制冷工业的兴起，使得此项技术的研究未能得到进一 步的发展；7 0 代出现的能源危机使得蒸发冷却技术的应用逐渐得到重视：8 0 年代 以来，当发现对人类生存构成巨人威胁的灾难性气候与空调制冷行业有关以后， 蒸发冷却技术即利用自然条件取得冷量的被动式供冷技术得到了迅速的发展“。 蒸发冷却技术在美国和澳大利亚的研究较早。在美国，己成立“蒸发冷却协 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 会”( t h ee v a p o r a t i v ec o o l i n gi n s t i t u t e ，简称e c i ) ，这一组织提倡应用蒸发冷却技 术，收集并出版蒸发冷却系统的应用、安装、运行与维护数据，发布规范、标准， 肯定并奖励对蒸发冷却的研究，以此来推广蒸发冷却设备在全世界的应用。美国 的a s h r a e t r a n s a c t i o n s 上也发表了若干与蒸发冷却有关的文献，内容广泛涉及蒸 发冷却的理论与实验研究、它与常规机械系统的联用、蒸发冷却系统经济技术优 势、蒸发冷却系统在某些特殊场合的应用等方面。而澳大利亚人则创新性地设计 了许多应用效果良好的间接蒸发式冷却器，尤其是( 澳大利亚) 联邦科学与工业研 究组织( c s i r o ) ，他们花费了大量的时间和精力用于提高间接蒸发冷却系统的换热 器性能“。近几年来，随着蒸发冷却技术的推广和应用，开始有一些学者借助新 的研究手段对蒸发冷却设备内部传热传质过程进行理论及数值研究，以此加深对| 蒸发冷却机理的深层次认识，为优化蒸发冷却设备的性能提供依据。这些蒸发冷 却设备包括冷却塔、蒸发式冷却器( 密闭式冷却塔) 、蒸发式冷凝器，其中尤以 冷却塔的研究最多。 ；： 蒸发式冷却器( 密闭式冷却塔) ，是蒸发冷却技术应用中的核心设备，其性 能好坏直接关系到蒸发冷却技术的使用效果。其中的传热和传质过程同时进行， 相互藕合。质量的传递促使热量的迁移；同时热传递又强化液膜表面的蒸发。其 中传输机理相当复杂，迄今仍未人们所完全掌握。国外的很多学者在以下方面对 蒸发式冷却器( 密闭式冷却塔) 的研究作了大量的工作。 ( 1 ) 传热、传质数学模型的建立和传热、传质系数关系式的确定： r a r k e r 和t r e y b a l l “3 1 的模型是最早考虑喷淋水膜在管外表面的水温变化的完整 计算模型，假定蒸发进入空气中的水量可以忽略，并且在考虑的温度范围内，饱 和空气的焓值是温度的线性函数，通过实验得到传热、传质系数的关系式。v i l s e r 1 阐述了水蒸发进入空气的非绝热过程的数学模型，并且提出了带有水喷淋的翅片 管传热和传质系数的实验结果。k r e i d ”和同伴研究了翅片管冷却器，他们提出建 立在对数平均焓差基础上的近似计算方法。p e r e z b l a n c o 和b i r d “”考虑具有喷淋内 表面的竖直管构成的逆流蒸发式冷却器。e r e n s 和d r e y e r “”“8 1 修改b o u r i l l o t 、p o p p e 和r o g e n e r 用于冷却塔的计算方法，使之适用于蒸发式冷却器。在他们的研究中也 给出了空气和循环水逆流情况下的热质传递系数。c r a c o w 科技大学的w o j c i e c h z a l e w s k i 和p i o t ra n t o n ig r y g l a s z e w s k i “”啪1 对蒸发式冷却器内部的传热传质过程进 行讨论，提出了水与空气逆流流动来冷却盘管中流体的新数学模型。该模型包括 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 四个常微分方程及其边界条件，并运用传热和传质之间的类比，由流过管束的流 体换热关联式得到传质系数。j o r g ef a c a o ，a r m a n d oo l i v e i r a ”对建筑冷却系统中 应用的小型密闭式冷却塔进行测试，对密闭式冷却塔的传热传质系数进行修正。 ( 2 ) 蒸发式冷却器( 密闭式冷却塔) 的热力计算和计算机仿真： m a z u s h i n a 。纠”3 1 和其他研究者提出两种传热计算方法：一种是在假定管外喷淋 水温度恒定的情况下的简化方法，另一种是在考虑喷淋水膜温度变化时的精确计 算方法。日本的尾花英朗8 1 编著的热交换设计手册中对蒸发式冷却器提供了一套设 计计算方法，其中管内冷却水到水膜按常规的传热学方法，从水膜到空气的传热 传质过程基于l e = l 的焓差法计算，再把两者藕合起来。w e b b 。4 “5 3 统一了三种类型 蒸发式换热器的热力计算方法：冷却塔、蒸发式冷却器和蒸发式冷凝器，在他们 的研究中，w e b b 和v i l i a c r e s 提出了这三种类型换热器的计算机计算方法。g g a n 和 s b r i f f a t 提出了用于辐射供冷系统中密闭式冷却塔性能的仿真技术，该技术建 立在用于空气和水滴间两相流动的计算流体动力学( c f d ) 上，通过数值模拟提出 c f d 能用于预测密闭式冷却塔的性能，该仿真技术也可用于辐射供冷系统中冷却塔 设计和运行的优化。a l a h a s a n 和k a is i r e n ”提出了密闭式冷却塔( c w c t s ) 的计算 机仿真模型，利用该模型对一台实际应用的冷却塔进行仿真计算，得到塔内流体 温度场的分布，并对实际运行性能进行测试。在要求的冷却负荷下，为了达到较 高的性能系数( c o p ) ，对塔内流体流动速度、盘管数、盘管层数等进行优化。 2 国内的研究现状 在我国，对蒸发冷却技术的研究也得到了重视。目前，国内对蒸发冷却技术 进行系统研究的有同济大学，东华大学，北京工业大学，哈尔滨建筑大学，天津 大学和西安工程科技学院等大专院校以及其它科研院所和生产厂家。研究内容涉 及蒸发冷却理论的研究，直接、间接蒸发冷却产品性能的实验测试，蒸发冷却系 统与制冷空调系统的联用，蒸发冷却系统的经济性分析等，但对蒸发式冷却器的 研究总的说来还不深入，其中同济大学的陈沛霖教授领导的“蒸发冷却课题组” 除了对蒸发冷却的传热、传质机理做了认真仔细的探讨，还对蒸发冷却技术在我 国的适用性以及与其它空调方式相结合等方面作了大量的研究工作“”“”1 ，在国 外、国内学术期刊上发表了大量的研究成果。同济大学的张旭教授课题组也对蒸 发冷却技术作了大量细致的研究工作，不仅推广了蒸发冷却技术的应用范围，而 且对蒸发冷却技术在热力学方面的优化也做了大量的研究和探讨。“。 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 上海交通大学的蒋常建、范云良、杨强生”等人在国家教委博士点基金资助 项目中对蒸发式冷却器的传热传质过程进行实验研究，对管外的传热传质过程整 理得到容积散质系数的变化曲线。同济大学的方明霞、章立新。3 “用复合翅片管 代替光管盘管，通过对传热特性的分析，得出复合翅片管密闭式冷