干湿两用冷却塔的结构设计

1、干湿两用冷却塔的结构设计刘乃玲1,2李楠1李伟11 山东建筑大学热能工程学院2 同济大学博士后流动站摘要：本文分析了干湿两用冷却塔的换热机理，设计了翅片管式换热器，并对该换热器干工况和湿工况的冷却能力进行了比较，经过试算找到了干湿工况运行的界限温度，通过分析得到了一些有价值的结论，为干湿两用冷却塔的研制提供了参考依据。关键词：干湿两用冷却塔湿工况干工况界限温度1引言在开式冷却水系统中，水与外界相接触，运行一段时间后，空气中的污染物如灰尘、杂物、可溶性气体以及细菌等，均可进入循环冷却水系统。随着冷却水的不断循环、蒸发，水中的营养源随之增加，促使藻类微生物迅速繁殖，不仅使冷却水水质恶化，而且还和其

2、它杂质掺混形成粘垢，同时还会出现盐分的浓缩现象1，使循环设备管道腐蚀、结垢，造成换热器传热效率降低，过水断面减小，甚至使设备管道腐蚀穿孔，从而降低了制冷设备的使用寿命。而在干湿两用冷却塔中，采用翅片管换热器，盘管将冷却水和空气隔开，被冷却水在盘管内流动，避免了水与空气直接接触，管内水质较好，有效地保护了制冷机，提高了制冷机的工作效率，延长了制冷机的使用寿命。并且在过渡季节，可以将湿式运行切换到干式运行，用空冷的方式满足运行要求。2干湿两用冷却塔的理论分析2.1干湿两用冷却塔的工作原理干湿两用冷却塔是一种双工况运行的冷却塔，其原理为夏季通过喷淋水的蒸发以冷却盘管内的水，即湿工况。当室外气温较低时

3、，关闭喷淋水采用室外空气直接冷却，即干工况。其工作原理如图1所示。图1干湿两用冷却塔的原理图这种冷却塔由翅片换热盘管、风机、循环水泵、喷嘴等部分组成，传热部分是一个由翅片换热盘管组成的蛇形换热盘管组，管组装在由型钢和钢板焊制的立式箱体内，箱体最底部为一个蓄水池。由工艺设备或冷凝器等出来的温度较高的冷却水，通过冷却水泵加大压力输送到干湿两用冷却塔的翅片换热盘管中，在沿换热盘管自上向下流动。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。干湿两用冷却塔内共有三种流体，分别为冷却水，喷淋水和空气。空气自下向上流动，喷淋水自上向下流动。环形翅片管将循环冷却水与喷淋水通过翅片管壁隔开，管

4、外喷淋水的蒸发冷却使得管内循环冷却水降温，如图1所示。喷淋水一部分蒸发，另一部分被底盘收集循环。管组外表面的温度高于进口空气的温度，它们之间产生显热交换。喷嘴在管组的外表面形成水膜，微小的水滴蒸发成水蒸汽，和管组内部的水产生潜热交换，风机的作用使水蒸汽迅速随空气排出系统。由此，蛇形管组内的高温循环冷却水与空气发生显热和潜热交换，以较低的温度排出蛇形管组2。冷却盘管内温度较高的水通过对流的方式将热量传给盘管的内表面，这部分热量再依靠导热的方式由盘管的内表面传到盘管的外表面。由于冷却盘管的外表面喷淋水，落到冷却盘管的外表面上，利用对流换热和蒸发换热将这部分热量传递到空气中3。而天气气温较低时，将喷

5、淋水关闭，水在管中流动,空气在管外流动,由于水不直接和空气接触,水和空气的传热为非接触传热,所以只有显热交换。因此，这种冷却塔适用于水源紧缺，气温较低的地区，它具有节能、环保等优点，在冷却塔领域正受到人们广泛的关注。2.2换热机理分析通过理论分析，热交换公式为：管内流体失去的热量：Q=wc(T-T)i水水进出换热器的传热量：Q=UAAT2m空气得到的热量：Q=wc(t-t)3空气空气21式中：Qi为管内流体失去的热量，kW；Q2为换热器的传热量，kW；Q3为空气得到的热量，kW；wa为管内侧被冷却流体水的流量，kg/s；T为水的进口温度，°C；T为水的出口温水进出度，C；c为管内侧被

6、冷却流体水的比热，kJ/(kgC)；U为总传热系数，kW/(m2C)；A为水总传热面积，m2；AT为对数平均温差，C；w为空气流量，kg/s；c为空气的比热，m空气空气kJ/(kgC)；“为空气进口温度，C；t2为空气出口温度，C。这三个方程式是本文的立足点，通过研究分析这三个方程式之间的关系，达到即满足干式的冷却要求，又满足湿式的冷却要求。在通常情况下，这三个基本方程式都是相等的，但为了同时满足湿式和干式工况冷却能力，需要考虑Q与Q的大小关系。根据这三个基本方12程式，将相关条件及参数代入后，通过计算和分析来达到同时满足冷却能力的效果。湿式时的总传热系数U:湿11rADDrA)1rA)=+0

7、+U湿hiLAiJ2九LAJmhlLAJe式中：U湿为从管内流体到气液界面的总传热系数，kW/(m2C)；A为单位管长的管内面积,Ao为单位管兀D，m2；A为单位翅片管对数平均直径为准的表面积，(D-D)，m2；0ilDlnoi长的总外表面积，m2；A为单位管长的有效表面积，m2；D为外管径，me0imAD为管内径，imm；九为管材的导热系数，kW/(m2C)；h为管内流体水的对流换热系数，kW/(m2°C)；h为il喷淋水的对流换热系数，kW/(m2°C)。干式时的总传热系数U:干1+r+rh0f0'AXTTSA丿九lmIAfmYt）fs九八f丿1+hi+A）t丿

8、irb0i1Dlnoim2；A为单位管长的管内面积，m2；ibilDlnbiA*0为基管和翅片管接合部分的表面积，A=兀d,m2；0DDIs为基管的厚度，亍m；tf式中:U干为总传热系数(以管外表面积为准)，kW/(m2C)；h0为管外侧对流换热系数，kW/(m2C)；h为管内侧对流换热系数,kW/(m2C)；r为管外侧污垢系数，m2°C/kW；r为i0i管内侧污垢系数，m2C/kW;rf为翅片热阻，m2C/kW;rb为基管和翅片管的接合热阻,m2C/kW；A为单位管长的总外表面积，m2；A为基管的对数平均表面积，兀(dd)，0lmAlmm2；A：”为翅片管的对数平均表面积，(D-D

9、)，fmAm为翅片管的厚度，DD，m。2ATAT-ATm本文采用逆流方式，因而对数平均温差AT可表示为:mmaxmin1AT_lnmaxATmin式中：at为（T-1）和（T-1）大者；AT为（Tt）和（T-1）小者。max进2出1min进2出13 翅片管的筛选经过综合比较，本文采用钢铝复合翅片管，钢铝复合翅片管制造工艺先进，它是钢和铝管复合在专用机床上轧制而成，使钢基管与铝翅片结合紧密，它具有热阻小、传热性能好、强度高、流动损失小、防腐蚀性能强、工作寿命长等优点。与光管相比,在消耗金属材料相同的情况下具有更大的表面积,从直观看属于第一次强化传热,但实质上换热面积增大的同时带来了传热系数的提高

10、,达到二次强化传热的目的。其特点就是能有效增加传热面积和增大传热系数,并且比较容易制造并保证操作的稳定性。经过综合分析比较，本文选用国内某公司生产的钢铝复合翅片管，基管为钢，翅片为铝，采用错列布置。钢铝复合翅片管的形式和尺寸如图2所示。铝钢0图2翅片管结构尺寸4 设计算例为了使干湿两用冷却塔同时在干工况和湿工况下满足冷却能力，并找到干湿工况的界限温度，在此举出一具体算例进行分析。设计工况采用济南地区夏季标准设计工况干球温度为T二34.8湿球温度为干T二26.7大气压力9.94x105pa,冬季干球温度为T=-10°C。要将设计流量w水=100湿干水m3/h的冷却水从进口温度T=35C

11、冷却到出口温度T=30C,选用双金属翅片管换热器进出翅片管长L=3.8m,宽度为3.66m,管内径D=23mm,外管径Do=25mm,翅片根部经Db=26.4mm,翅片外径D=57mm,翅片节距t=4mm,翅片高度Hf=15.3mm,翅片厚2y=0.4mm,ffb翅片管间距S二S=6616mmm九二0.053kW/(m2°C),九二0.203kW/(m2°C)。TR钢铝选用的管排数N为18排，管内侧程数n为9程。根据选定的翅片尺寸通过计算得到翅t,pass片管总外表面积A=3974.62m2,管内流体失去的热量Q二wc(T-T)二1水水进出1003x4.2x(35-30)=

12、583.33kw。在湿工况下，气温较高，干湿两用冷却塔的性能主要3600受环境湿球温度的影响，通过计算得出湿式工况下的总传热系数U二0.205kW/(m2C),对湿数平均温差AT二3.732°C,因此Q二UAAT二3043.423kW，大于Q,=583.33kW,m，湿2,湿湿m,湿1所以在湿工况下满足冷却能力。而在干式工况时，也就是气温较低的气候条件下，干湿两用冷却塔的性能主要受环境干球温度的影响，湿球温度的影响较小，因此环境设计干球温度更为关键。空气进口温度为-10C，空气自下向上横掠翅片管换热器，等到空气流到出风口时,由于携带热量，温度必然上升，那么空气出口温度的确定就显得至关

13、重要。通过最佳温升计(T+T)算式t-1二0.00102xUx进出-1进行试算并且验证，得到空气出口温度t为210(21丿211.675°C,进而计算出干式工况下的总传热系U=0.0274kW/(m2°C),对数平均温差AT为干m,干30.9166C，所以Q二UAAT二3367.598kW,大于Q,=583.33kW，因而也满足冷却要2,干干m,干1求。界限温度由公式Q二UAAT求得，U受温度的影响不大，可以忽略微小变化，从1干m,干干-10C25°C通过计算U取平均值得到U二0.0275kW/(m2°C)，因为Q,=583.33kW，干干1A=3974

14、.62m2,因此AT二5.32C,即AT=35_)_(30-)二5.32°C,再通过最佳m汗m,干35tln230-11温升公式经过试算得到界限温度t为25.32C。15结论干湿两用冷却塔能否在两种工况下同时满足冷却要求，在很大程度上取决于盘管结构是否具有良好的设计，以及所采取的计算方法是否有效。本文从通过对以上算例分析得到的结果来看，对于干湿两用冷却塔在湿式工况运行时，按照所给公式依次进行计算，最终计算结果证明能够达到冷却要求。而在干式工况运行进行校核时，合理确定空气出口温度是判断是否能满足冷却要求的关键，最终得到干湿两用冷却塔在干湿两种工况下都能满足冷却能力要求。在界限温度确定出来后可以得出结论，在济南地区一年当中喷淋水开启的时间比较短，根据济南近五十年以来每月的平均温度来看，在六、七、八月开启喷淋水，而其他月份以空冷的方式运行比较合适。参考文献1 BakerDR,ShryockHA.ComprehensiveApproachtotheAnalysisofCoolingTowerPerformance.JournalofHeatTransfer,1961,83:339-