基于管流的密闭式冷却塔水冷系统模型

基于管流的密闭式冷却塔水冷系统模型

在冷水冷系统中，塔架是不可或缺的设备。通常冷却水系统中采用开式冷却塔,高温的冷却水经喷嘴喷淋成雾状水滴,然后与周围空气进行热湿交换,将热量释放到空气中,而达到冷却的目的,由于开式冷却塔中,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,管道结垢,传热效率降低,冷却设备受腐蚀。而密闭式冷却塔即可避免这一现象,其物理模型如图1所示。在此系统中,从冷凝器出来的温度较高的水,由冷却水泵加压输送到闭式冷却塔的冷却盘管中;另一方面,利用管道泵将冷却塔底池中的水抽吸到喷淋盘管中,喷淋在冷却盘管的外表面汽化吸收盘管内冷却水的热量,从而使冷却水的温度得以降低,与此同时,靠安装在挡水板上面的风机的抽吸作用使空气自下而上地流经冷却盘管,与喷淋水进行显热和潜热的交换,这样不仅可以强化冷却盘管外表面的放热,而且还可以及时带走蒸发形成的水蒸气,以加速水分的蒸发,提高冷却效果。由于盘管内冷却水与外界不接触,形成一个闭式的循环,所以水质可以保持比较清洁。因而,密闭式冷却塔在冷却水系统中逐渐得到广泛的应用。这里将通过对密闭式冷却塔热质交换进行理论分析,建立数学模型,为系统评价、系统优化、计算机辅助设计提供基础。1盘管外喷淋水的传热模型密闭式冷却塔物理模型如图1所示,盘管内高温的冷却水自上往下流,盘管外喷淋水自上往下流,管外空气由下往上流。为了便于分析,这里作了以下假设:稳态流场、牛顿流体、冷却水盘管沿z方向拉直,这样,冷却水温度、喷淋水温度和空气的焓值只沿z方向变化,即为一维模式,如图2所示,在其它方向上看成是均匀的,即tcw=tcw(z),tsw=tsw(z),ha=ha(z)。把距冷却盘管底部的距离作横坐标,各流体的温度和焓作纵坐标,在图2中,取微元体S·dz进行传热、传质分析:盘管内冷却水将热量传递给盘管外喷淋水,其传热方程式为:式中:qcw——盘管内冷却水的质量流量,kg/s;ccw——盘管内冷却水的比热容,J/(kg·K);tcw——盘管内冷却水的温度,℃;tsw——盘管外喷淋水的温度,℃;S——盘管垂直于z方向的断面积,m2;U——从管内冷却水到管外喷淋水的总传热系数,W/(m·K);a’——盘管单位容积的传热管的传热面积,m/m3。盘管外喷淋水表面温度上升而蒸发将热量传给空气,使空气的焓增加,式中:qa——盘管外空气质量流量,kg/s;ha——空气的焓,kJ/kg;——盘管外喷淋水温度下饱和湿空气的焓,kJ/kg;Koga——从管外喷淋水向空气的总容积传质系数,kg/(m3·s)。微元体内冷却水、喷淋水及空气热量平衡方程式为:因此,盘管外喷淋水得到的热量为:式中:qsw——盘管外喷淋水质量流量,kg/s;csw——盘管外喷淋水的比热容,kJ/(kg·K)。令:则上述式(1)～(3)可变为式(4)～(6):而饱和空气的焓可以近似地看作管外喷淋水温度的一次函数,即其中k5、k6为常数,由饱和空气的参数表分段拟合确定。边界条件为:其中:H——盘管高度,m。2冷却水、喷淋水温度随气象条件的变化式(4)、(5)、(6)联立变换得:其中c1,c2,c3为积分常数。将初始条件式(8)、(9)代入式(10)、(11)、(12)中得:式(13)、(14)、(15)联立求解得:其中:当冷却塔运行稳定时,忽略管道泵引起的喷淋水温升,这时喷淋水出口温度为:(z=0;tsw=tswo代入式(11))令可得:其中由式(17)可知:(1)当冷却塔稳定运行时,室外气象条件不变(即空气焓值hai不变),冷却水、喷淋水流量不变(即qcw、qsw不变),则BB、AA的值均可确定,那么喷淋水的入口温度tawi将由冷却水的进口温度tcwi唯一确定;(2)当室外气象条件变化,如周围空气干、湿球温度降低,空气焓值降低时,若保持冷却水、喷淋水流量不变,冷却水进口水温不变,则从冷却水到周围空气的温度梯度将变大,相应地冷却水到喷淋水的温度梯度将变大,即喷淋水温度将降低,喷淋水温度的变化可由BB/AA表达出来;(3)当冷却水流量发生变化时,也将引起冷却水、喷淋水温差值BB/AA的变化,此时引起的喷淋水入口温度的变化也可由式(17)确定。因此,冷却塔运行过程中,无论是外界气象条件变化,还是冷却水入口温度、流量的变化引起的喷淋水温度的变化都可由式(17)确定。冷却水出口温度由z=0,tcw=tcwo代入式(10)得:由式(16)分析可得,积分常数c1、c2、c3的值也可由冷却水进口温度间接确定,则冷却水出口水温由室外气象条件、冷却水进口温度、冷却水和喷淋水流量决定。Z=H,hs=hao代入式(12),得:3参数在数学模型中的确定3.1界膜换热系数文献总传热系数U可由下式求得:式中:hi——管内流体的界膜换热系数,W/(m2·K);hf——管外壁和管外喷淋水之间的界膜换热系数,W/(m·K);D0——冷却盘管外径,m;Dm——对数平均直径,(D0-Di)/ln(D0/Di);ri——管内侧污垢系数,m2·K/W;总传热热阻中管内外污垢热阻和钢管传热热阻所占比重很小,在此忽略不计,仅考虑管内外流体的界膜导热热阻。3.2流体温度增加法多d-定值法对于光滑管内受迫流动换热,按迪图斯-贝尔特公式计算。当流体温度大于管壁温度时,努谢尔特数计算公式如下:定性温度为流体平均温度,定型尺寸为管内径。雷诺数d-定性尺寸,m;vf——流体定性温度下运动粘度,m2/S。设冷却盘管从上至下管排数为n2,每个管排平面内管根数为n1,每根冷却管单行程长为l1(m),管排宽为l2(m)。则冷却水管内流速可由下式求得:式中:ρ——冷却水密度,kg/m3。由此可求得流体努谢尔特数Nuf,并由努谢尔特数准则Nuf=αx/λ可得式中:hi——管内壁液膜换热系数,W/（m2·K);x——定性尺寸,此处为管径Di,m;λf——流体定性温度下导热系数,W/(m·K)。3.3管外壁和管外喷淋水间的界膜换热系数的确定如图2所示,从上部向水平布置的换热管群淋水,空气从下部向上吹,这种蒸发冷却盘管中的管外壁和管外喷淋水之间的界膜换热系数可由下式确定:上式适用范围:0.1944<m/D0<0.55560.0127<D0<0.040式中:hf——管外壁液膜换热系数,W/(m2·K);m——单位宽度喷淋水量,kg/(m·s);式中:n1—每排管数;3.4空气动力粘度计算总传质系数:式中:ReG——空气的雷诺数,由D0·Gm/μG计算可得;Ref——管外喷淋水的雷诺数,由4m/μf计算可得;μG——空气动力粘度,Pa·s;Gm——最小流道断面的空气质量流量,kg(m2·s)。式中,qa——盘管外空气质量流量,kg(dry)/s。4盘盘盘管排列方式为了检验数学模型的准确性,这里利用同济大学暖通实验室对密闭式冷却塔实验数据进行验证。冷却塔结构参数:管外径16mm;管内径15mm;管排数20根;每管排数10根;冷却塔高度570mm;每只盘管单程管长615mm;每排管宽度765mm;管子排列方式:叉排。根据饱和空气表在20～30℃范围内拟合,可得k5=4.171,k6=-27.322,对各出口参数进行理论计算和实验验证,如图4～图6所示。5密闭式冷却水盘管模型验证这里对一密闭式冷却塔进行热湿交换理论分析,并建立数学模型,经实验验证,由图4、5、6可见,冷却水和喷淋水计算温度与实测温度基本相符,计算值比实测值偏小,可能是忽略管道泵温升引起的结果,空气焓值的计算值与实测值也基本接近,相对误差在8%以内。表明所建冷却塔模型在工程精度要求内是正确的,可为密闭式冷却塔性能评价、设计计算提供参考。联立式(7),得Di——冷却盘管内径,m;r0