闭式冷却塔性能及其设计

闭式冷却塔性能及其设计第1页，共27页，编辑于2022年，星期三闭式冷却塔性能及其设计第2页,共27页,编辑于2022年,星期三主要内容:一、闭式冷却塔的应用二、闭式冷却塔的总体介绍三、闭式冷却塔的进风方式改进四、闭式冷却塔设计（冷却盘管设计和填料设计）五、换热盘管热传递分析六、高效闭式冷却塔设计原则及创新点总结七、闭式冷却塔总体布置原则一、闭式冷却塔的应用特点:1，温降大:冷却盘管内冷却水主要靠管外喷淋水蒸发带走热量，理论上可接近环境湿球温度；2，清洁度高:盘管环路封闭，不受环境污染，减小了结垢可能性，利于系统高效运行；3，密封好:盘管减少了连接部件，降低系统泄漏的可能性，适合对系统密封性要求较高的流体冷却系统。应用:因可提供清洁的冷却水，而广泛用于对冷却水质量要求较高的行业中，如:电子、食品、化工、铸造、建筑、空调和制冷等行业。第3页,共27页,编辑于2022年,星期三二、闭式冷却塔的总体介绍第4页,共27页,编辑于2022年,星期三冷却塔分类:1，通风方式:自然通风冷却塔、机械通风冷却塔、混合通风冷却塔；2，热水和空气接触方式:开式冷却塔（湿式冷却塔）、闭式冷却塔（干式冷却塔、干湿式冷却塔）；开式冷却塔:冷却极限为环境湿球温度；循环水和空气及塔部件直接接触，水质易受污染，滋生军团菌并造成设备腐蚀。干式冷却塔:冷却极限为环境干球温度。干湿式冷却塔:冷却极限为环境湿球温度。3，有无填料分类:无填料逆流闭式冷却塔、带填料逆流闭式冷却塔。4，水气流动方向:逆流式冷却塔、横流式冷却塔和混流式冷却塔；逆流塔:喷淋水与空气逆向流动，水气间传热传质温差（焓差）大，利于换热；横流塔:空气流通面积大。二、闭式冷却塔的总体介绍闭式（干湿式）冷却塔内2个传热传质过程:冷却水的冷却过程:冷却水通过冷却盘管将热量传递给喷淋水。喷淋水的冷却过程:喷淋水将热量传递给空气。带填冷料却闭水式冷喷却淋塔水结构进:进:塔空气水喷淋系统、冷却盘管、PVC热交换层（填料）、挡水板、风机驱动系统、内部检修通道和外面镀锌钢板等组成。第5页,共27页,编辑于2022年,星期三三、闭式冷却塔进风方式的改进第6页,共27页,编辑于2022年,星期三冷却水 喷淋水 进塔空气闭式冷却塔内2个传热传质过程，其最终冷源是进入塔内的环境空气。因此影响进塔空气流量的进风方式一直是闭式冷却塔优化设计改进的重点。现有进风方式:1,下部进风2,上下进风3,上下进风无填料逆流闭式冷却塔、普通带填料逆流闭式冷却塔；

FXV闭式冷却塔（填料内空气和水横流传热传质）；填料内空气和水逆流传热传质；4,中部进风增加同流面积,降低流动阻力。三、闭式冷却塔进风方式的改进——下部进风优点:1，塔下部放置了填料:强化了喷淋水的冷却，填料下方喷淋水出口温度即塔顶喷淋水进口温度。提高了管束区的传热温差。2，冷却水下进上出，与喷淋水形成总体上的逆流换热；提高了传热温差，强化了冷却水与喷淋水间的换热。第7页,共27页,编辑于2022年,星期三普通带填料闭式冷却塔结构图三、闭式冷却塔进风方式的改进——下部进风缺点:1，空气由塔底至塔顶，始终处于增温增湿状态。管束区内喷淋水与空气之间的温差和焓差变化较大，一定程度上影响了传热效率(不懂）2，空气流通面积小，流动阻力大,因而空气流通量小,传热效率的提高受到限制。普通带填料逆流闭式冷却塔中流体温度与比焓分布第8页,共27页,编辑于2022年,星期三三、闭式冷却塔进风方式的改进——上下进风，气水横流改善措施:上部和下部进风，分别流过管束和填料，利于形成较大的通风面积[空气流通面积]，缺点:填料为横流形式，传热传质温差小于逆流塔；从上部进风口容易吸入冷却塔排放的热空气，形成热风回流，不利于换热。第9页,共27页,编辑于2022年,星期三三、闭式冷却塔进风方式的改进——上下进风,气水逆流冷却水:下第10页,共27页,编辑于2022年,星期三上,与喷淋水和空气进行换热；装置顶部:风机，使得空气由侧面上下进风口吸入；装置下部:集水槽，由水泵送入喷淋水管，喷射进入盘管区。喷淋水:上 下。盘管区，与空气同向流动，能够更好地覆盖管束，保持盘管完全被喷淋水覆盖，与冷却水局部交叉流，总体逆流。填料区，与下部进风口进风逆流传热。空气:上、下两股空气在盘管区和填料区之间汇合后,从通风道经过收水器除去夹带的水分,由风机排出。(与图不对应）三、闭式冷却塔进风方式的改进——上下进风，气水逆流特点1:逆流传热，传热温差较大；特点2:双向空气流，流通面积大（为普通逆流闭式塔的2倍），流量大，空气温升小，空气与喷淋水间平均温差大，利于传热。第11页,共27页,编辑于2022年,星期三缺点:上部进风仍然易造成热湿空气回流。盘管区:冷却水和喷淋水逆流传热；喷淋水和空气同向流动，喷淋水和空气间焓差/温差变化比较均匀。填料区:喷淋水和空气间逆流传热。三、闭式冷却塔进风方式的改进——新型中部进风逆流闭式冷却塔2个侧面进风；另2个侧面向上排风；在冷却塔2个侧面中部分别开有进风口,进风口被中间水盘分割成上下两部分,向上,流经填料区,对喷淋水进行冷却；向下,进入管束区,与喷淋水同向流动,横掠管束后,由另两个侧面与2块通道隔板构成的2个排风通道向上从塔顶排出。第12页,共27页,编辑于2022年,星期三三、闭式冷却塔进风方式的改进——新型中部进风逆流闭式冷却塔相对于上下进风逆流闭式冷却塔而言，中部进风逆流闭式冷却塔的特点:1，流动阻力进一步降低，更好地分配进入填料区域和盘管区域的空气，避免了2区域内空气流间的影响；2，有效消除了上部进风易产生的热风再回流现象。第13页,共27页,编辑于2022年,星期三四、闭式冷却塔设计第14页,共27页,编辑于2022年,星期三——冷却盘管设计、填料设计冷却盘管的设计与蒸发冷却器设计类似；填料区设计与一般的开式逆流塔基本相同。设计计算前提条件:喷淋水进出口温度相等，twi=two通常对盘管区和填料区分别进行设计计算。盘管区（与蒸发冷却器相同）:热量经管壁传递到喷淋水（导热+对流换热），再由喷淋水传递给空气（蒸发和对流换热）。填料区:喷淋水在PVC格栅表面展开成水膜，通过与空气间的对流传热传质进行冷却。四、闭式冷却塔设计——冷却盘管设计（各种塔型）计算公式:冷却水释放热量:喷淋水得到热量:空气得到热量:盘管区传热面积:在公式（7）和（8）计算所得的传热面积F0相等时的F0,即为盘管传热面积。由此可确定管束结构尺寸、排列方式。并可进一步确定相应的传热传质系数和传热面积等数值。第15页,共27页,编辑于2022年,星期三四、闭式冷却塔设计——填料区热力计算与盘管区喷淋水条件结合可得填料区喷淋水温度及淋水密度边界条件。结合水量、水温、气温及其含湿量的变化公式,进行计算。通过填料区气水间传热传质的热力计算,可实现填料结构尺寸的设计计算。第16页,共27页,编辑于2022年,星期三五、闭式冷却塔换热盘管热传递分析闭式冷却塔的主要换热部件为换热盘管,盘管的换热性能直接影响到整个换热器的效率。盘管的传热系数K描述了盘管的换热性能。第17页,共27页,编辑于2022年,星期三五、闭式冷却塔换热盘管热传递分析——热阻构成盘管内冷却水与管外喷淋水间的总传热热阻:冷却水侧换热热阻；管壁和污垢的导热热阻；喷淋水侧换热热阻三部分串联而成。关于三部分热阻分析，可为强化传热找到节能关键点。第18页,共27页,编辑于2022年,星期三五、闭式冷却塔换热盘管热传递分析——热阻数量级由表1可以看出:1，管壁热阻较小，比其他热阻小一个数量级，因此计算中可以忽略；2，除管壁热阻较小外，其余各项热阻相差不大，基本属一个数量级，因此均不可忽略。第19页,共27页,编辑于2022年,星期三五、闭式冷却塔换热盘管热传递分析——盘管两侧换热系数对总换热量的影响热阻大侧换热系数小,换热系数的变化对换热量影响较大。所以应着重提高热阻大侧的换热系数。由上表可知,管外侧热阻大于管内侧热阻。所以应强化管外侧换热。第20页,共27页,编辑于2022年,星期三五、闭式冷却塔换热盘管热传递分析——其他影响因素分析1，管内流速:综合传热系数与盘管单管内流速呈现指数式递增关系,当流速超过一定范围后，管内流体充分发展到湍流阶段,此时再提高流速，对管内换热的强化，已经起不到重要作用；但此时因管内流体阻力于流速呈平方关系发展，使管内流体阻力显著增大。所以流速控制在2m/s以下进行调节,将对

K综合的变化有比较明显的作用。2，管径:在保证总体换热量的情况下，尽量采用小管径盘管。在假定范围内流速相同的情况下管径越小其综合换热系数越大。第21页,共27页,编辑于2022年,星期三五、闭式冷却塔换热盘管热传递分析——其他影响因素分析3，盘管管材:盘管管材导热系数对综合导热系数影响较小。管材的导热系数从80～320W/(m2·K),其对综合导热系数的影响在区间内不超过10W/(m2·K)。所以可以使用相比现阶段铜管导热系数更低的金属或非金属材料,以缩减成本。第22页,共27页,编辑于2022年,星期三五、闭式冷却塔换热盘管热传递分析——其他影响因素分析4，喷淋水密度:随着喷淋密度的增加管外壁上的液膜流动速度加快,所以综合传热系数增加。但随着液膜的增厚，阻碍了热量的传递，所以喷淋密度不易过大，应以保证均匀润湿管壁所需最小喷淋密度为准。相同喷淋密度，管径越小，管壁上液膜附着时间越短，热量传递越快，强化了传热。第23页,共27页,编辑于2022年,星期三六、高效闭式冷却塔设计原则及创新点总结综上所述，高效闭式冷却塔的设计涉及:进风设计、冷却盘管设计、填料设计、塔内冷却水与喷淋水流程设计以及喷淋水与空气流程设计等。设计的总体原则:1，进风量尽可能大:塔内配风，增加通风面积，减小风阻；塔外配风，减小出口湿热空气回流的不利影响。2，尽可能采取逆流方式，增加传热平均温差；3，对于冷却盘管重点增大热阻大侧换热系数；4，在达到冷却任务的基础上，尽可能降低造价。第24页,共27页,编辑于2022年,星期三六、高效闭式冷却塔设计原则及创新点总结第25页,共27页,编辑于2022年,星期三设计创新点:1，强化冷却盘管外侧换热:可采用（螺旋）翅片管，在增大喷淋水和冷却盘管接触面积，强化冷却水到喷淋水的热量传递。2，冷却盘管布置优化:在最大化盘管换热面积的基础上，尽可能减小通风阻力损失，以在盘管区实现喷淋水的最大冷却。3，合理配风:在最大化进风量基础上，合理配风，实现风场与塔内气水传热传质的耦合优化，风场与盘管区域喷淋水温场的优化。七、闭式冷却塔总体布置原则第26页,共27页,编辑于2022年,星期