冷却塔雨区的热力特性

1、冷却塔雨区的热力特性摘要：本文首先通过不同淋水高度、淋水密度、过塔风速等的逆流及横流试验塔的热水试验，求出相应条件下的淋水水滴当量直径，再在工业塔的条件下，利用水滴散热公式，计算出雨区散热效果，化为无因次数冷却数，作出图及计算公式。利用所给图或公式，即可计算冷却塔雨区的温降。在逆流式冷却塔中，水的冷却分三部分：喷头、填料、雨区。但是，在进行填料的模拟试验中，要把上述三部分的热力特性分开，是很困难的。现在我国各试验单位所给出的冷却塔填料热力特性模拟塔试验报告中，是把三部分混在一起的，名为填料热力特性，实为三部分的混合体。因此，在冷却塔的设计中，在进行热力计算时，也是把三部分合在一起的。为了提高冷

2、却塔的设计精度，必须将上述三部分的热力特性、分开进行试验，然后在设计中分开计算。在圆形逆流式自然通风冷却塔中，喷头和填料两部分的水气流动为一维的，或者说基本上是一维的，而雨区部分的水气流动则是二维的，所以在逆流式试验塔中所作的淋水试验不能代表冷却塔中的雨区情况，也就是说，即使我们在逆流塔填料模拟试验中，能够把喷淋区、填料区和雨区的热力特性分开，雨区的试验结果也不能够直接用于冷却塔雨区的热力计算，而且试验塔的尾流区高度也达不到大工业塔的雨区高度。本文通过室内淋水试验，经过水滴当量直径的换算，及雨区热力特性数值计算，给出了逆流式圆形冷却塔雨区热力特性的二维计算图及公式。1 研究方法先在试验塔中作逆

3、流式及横流式的淋水试验，然后从这些试验结果，求出相应于不同淋水高度、淋水密度、风速等条件下的水滴当量直径，再用此当量直径，在同样参数条件下，做冷却塔雨区的传热计算，求出雨区热力计算公式。1.1 水滴散热公式 水滴在气流中降落，传热公式为：Sh=a+cRemScn(1)式(1)中：Sh雪尔伍特(Sherwood)数，Sh=Kd/Dc；K散质系数(kg/m2·h)；d水滴直径(m)；空气密度(kg/m3)；Dc湿空气的分子扩散系数。0(T/273) (m2/h)(2)P0大气压力(kg/cm2)；T空气的绝对温度(°K).Re雷诺(Reynolds)数，Re=vd/；v气流流过

4、水滴的速度(m/s)；d水滴直径(m)；空气运动粘滞系数(m2/s)，Sc斯密特(Schmidt)数，Sc=/DpRnT，、T同上，Rn水蒸气的气体常数(kg·m/kg·k)'，Dp水蒸气在空气中的扩散系数，×10-6)/P0(T/273)(m/h)(3)式(3)中符号同上。a、c、m、n常数。文献15中都给出了相应的Sh数计算公式，经比较其应用范围及数值大小，我们选用文献1中的公式，即a=0,c=0.6，m=1/2,n=1/3，1/2Sc1/3(4)气温在0100范围，Sc=0.63.由式(4)得：Dc(v/d) (kg/m2·h)(5)式(5

5、)中符号见式(1).式(5)中K为面积散质系数，在冷却塔中不好用，故改为容积散质系数Ka(kg/m3·h).Ka=K(6q/wvfd)(6)式(6)中：q雨区淋水密度(kg/m2·s)；w水的密度(kg/m3)；d水滴直径(m)；vf水滴下降速度(m/s).计算水滴下降速度vf时，不考虑由于横向气流引起的淋水倾斜。下降速度计算方法见文献6，气流阻力系数CD，(7)上式中uz、ur为气流速度(m/s).其计算仍用文献7中的方法。uz=v0/h2(3z2-2/hz3)(8a)ur=v0/2h2(6/h)z2-6zr(8b)上式中，v0塔填料进口处气流速度(m/s)；h塔进风口高

6、度(m)，r、z为坐标，原点在雨区底部中心。1.2 雨区淋水试验 用式(6)即可计算雨区的容积散质系数Ka，但是，除淋水密度q可给定外，还要求知道水滴直径d.直径d我们是通过模拟塔试验来求得。 如图1所示，逆流模拟塔淋水试验(无填料)，淋水面积A(m2)，淋水高度h(m)，水量Q(m3/h)；进水温度t1()，出水温度t2()；进气量G(kg/h)，进气干球温度1()，湿球温度1()，大气压力P0(kPa).根据这些试验参数即可算出冷却数N及容积散质系数Ka:图1 逆流淋水试验(9)Ka=Nq/h(10)式(9)的来源可参考文献8。其中i为空气比焓，i为和水温相应的饱和空气比焓，c为水的比热，

7、q为淋水密度。设淋水水滴的当量直径为d，代入式(6)，即可求出和vf点相应的Ka，通过积分可求出在高度h范围的平均值Ka和式(10)比较，如Ka不相等，则另设水滴当量直径d,直到和式(10)的试验Ka值相等，则此直径d即为该次试验参数的淋水当量直径。以此类推，可求出在不同参数时的水滴当量直径。在这些参数中，进水温度t1定为35，因为在工业塔中，进入雨区的淋水温度和35相近，进气湿球温度1的变化，不影响Ka值，所以以北京常用湿球温度1=25作计算和试验。同样进行了横流模拟塔淋水试验，试验如图2所示。图2 横流淋水试验2 淋水试验及水滴直径计算2.1 模拟塔淋水试验2.1.1 逆流塔淋水试验 试验

8、结果见图3.图3为根据文献9、10及我们的试验结果11绘成。2，试验淋水高度0.78.4m，布水用溅水板条，淋水密度q=504010800kg/m2·h，空气的质量风速g=32408640kg/m2·h(0.82m/s)，进水温度t1=4050，进气温度1=824，相对湿度1=5095%.式(9)的冷却数N常表示为试验公式：图3 逆流淋水试验结果N=An(11)上式中：A、n试验常数；空气量和水量比。×2，试验填料为双斜波型，填料组装高度为0.8、1.0、1.2、1.5m，填料下淋水高度7.5m，试验淋水密度q=600012000kg/m2·h，填料层风

9、速v=0.92.3m/s，进水温度t1=4145，进气湿球温度1=2730。试验结果见表1：表1 试验结果填料高度(m)1冷却数N2填料部分N13喷头部分N24雨区部分N3表1中的数据N为文献10的试验结果，N1值和N2值为我们根据过去所作过的许多试验结果，对这两部分所占数值的估算。则雨区部分N3=N-N1-N2，选用其中间值(12)式(12)中试验淋水高度7.5m，其N值和图3很一致。×2，淋水密度q=6500、7600、8600kg/m2·h，风速v=1.0、1.5、2.0m/s，喷头下80cm处水温为约35，进气干球温度1=2628，湿球温度1=2223，大气压力P0

10、=100.6100.7kPa.试验结果为：(13)上述试验虽然是在三个不同的试验塔上进行的，但结果基本一致。 2.1.2 横流塔淋水试验 试验结果见图4.图4是根据文献9及我们的试验资料11绘成。由于后面作雨区热力计算时，只采用由逆流试验所求得的水滴当量直径，为了节省篇幅，对横流试验经过不再详述。图4 横流淋水试验结果2.2 淋水的水滴当量直径 图3和图4给出了不同淋水高度时逆流和横流的试验结果。另一方面，假设相应于某一试验工况，其淋水水滴当量直径为d，则通过前面所述的计算方法，可以计算出该工况的冷却数N，如果计算值和试验值相等，则该水滴直径即为此工况的水滴当量直径。利用此水滴当量直径，计算相

11、应淋水高度及直径的冷却塔雨区二维流的容积散质系数Ka及冷却数N.利用水滴当量直径计算Ka及N的方法为：给出相应的大气条件，由式(5)可得式(6)Ka，此Ka为某一淋水密度的当地值，由各点的Ka可求出整个高度的平均Ka，将平均Ka值代入式(9)，即可求出冷却数N.式(5)中的v为相对速度，在逆流中为水滴降落速度和气流向上速度之和；在横流中为水滴降落速度和气流水平向流速的向量合速。对各种工况所求出的水滴当量直径是不同的，h=610m，在图示的工况下，水滴当量直径d=3.85.2mm.淋水高度大时d大，冷却数N大时d小。前面给出了逆流及横流的淋水试验结果及计算出的水滴当量直径。在作冷却塔雨区热力计算

12、时，使用逆流计算所求得的水滴当量直径，还是用横流计算所得的水滴当量直径?回答是用逆流计算所求得的当量直径。理由是：1.二者所得直径相近。2.用纯逆流计算所得和横逆流同时存在时计算所得Ka值差别不大。所以用逆流试验所求得的水滴当量直径，更具有代表性。3 逆流塔雨区热力计算公式有了不同工况下的水滴当量直径d，即可计算冷却塔雨区的散质系数及冷却数，计算方法同上。这时的气流场是轴对称的，气流速度由式(8)给出。3.1 计算方案 把逆流塔简化为图5所示的形式，第一步设填料底部和进风口上沿平。计算中选用D=60、80、110m，即相当于塔面积为3000、5000、9500m2，这是目前常用的塔面积；进风口

13、高度选用，使进风面积和塔面积比约为0.38和0.4；填料断面风速选用v0=1.0及1.2m/s；淋水密度q=6000、7000、8000、9000(kg/m2·h).大气压力P0=100kPa，大气干球温度1=30，湿球温度1=25。这里需要说明，因为散质系数Ka不随湿球温度1的变化而变(参见文献8)，所以所给大气条件仍具有一般性，即也可使用于其他的大气干、湿球温度情况。图5 计算区域示意填料底如在进风口上沿以上，可作修正。3.2 计算结果 对于上述各种方案的雨区冷却数计算结果，见表2.表2 雨区冷却数N塔直径D(m)进风口高度h(m)风速v0=1.0(m/s)风速v0=1.2(m/

14、s)淋水密度(kg/m2·h)淋水密度(kg/m2·h)600070008000900060007000800090006080110将表2中的冷却数和气水比(干空气量和水量之质量比)关系点在图6a，6b，6c，6d,6e,6f上，并用公式表示为：(14a)(14b)(14c)(14d)(14e)(14f)将上列各式用一个统一的公式表示，即在塔直径D=60110m，进风口面积和塔面积之比=0.380.4，进风口高度h=5.7511.0m，近似表示为： 2)(15)3.3 填料底高修正 公式(14)和(15)的使用条件如图5所示，即填料底部和进风口上沿齐平，而实际工程中填料底部高于塔进风口，所以对上面公式进行修正。一般高0.5m左右，图7中给出了抬高0.5m的修正曲线。曲线是用上述同样方法计算求得。对于非0.5m的抬高，可以参考图7曲线进行修正。图7 填料底高修正曲线4 结语1.本文给出了自然通风逆流式冷却塔雨区的热力特性公式(14)及(15)，利用此公式即可进行雨区的水温计算。图6 N-关系式(14)及(15)的填料底部和进风口顶部在同一高程，如果填料底部高于进风口顶部，可利用图7进行修正