闭式冷却塔的数值分析

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

中图分类号： TH138.8；TQ021.3 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.01.014Computational Analysis of Closed W et Cooling TowersZHU Dong-sheng，ZHENG Wei-ye，WU Jia-fei，SHI Yun-yi，QIAN Tai-lei(Key Laboratory of Pressure Systems and Safety，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China)Abstract： The thermal perform ance of closed wet cooling tower has been predicted based on computational model by adoptingdifferent heat and mass transfer coefficients obtained by experiments.The outlet process water temperature and heat transfer rateare obtained under different operating conditions and compared with HasanS experimental data.The maximum derivation of heattransfer rate by Mizushinacorrelations are up to 37.12% ，whereas the predicted results by Hasancorrelations compare welwith Hasanexperimental data.It iS recommended that the heat and mass transfer coeficients with the sanle operating and struc-ture parametem are employed to predict the therm al perform ance with various operating conditions，otherwise signifcant ell'or maybe obtained.It can be useful for the reasonable prediction of the therm al performan ce of closed wet cooling towers。

Key words： closed wet cooling towers；computational analysis；therm al perform ance1 前言闭式冷却塔是-种将水冷与空冷、传热与传质过程融为-体且兼有两者之长的高效节能冷却设备，具有节能、节水、结构紧凑、易安装维护、运行费用低等优点↑十年的研究、开发和推广的实践证明，闭式冷却塔不仅可以广泛应用于暖通空调制冷领域，单独地或与其它制冷方式相结合去面对环保、节能、经济及室内空气品质的联合挑战，而且在炼油、冶金、电力、轻工等工业领域中也有着广阔的应用前景。

闭式冷却塔的换热过程涉及传热、传质和气液两相流，其性能受工艺和结构参数的影响太多，如冷却水流量和进口温度、喷淋密度、空气质量流量、盘管的尺寸、管型、管间距等。国内外很多学者试验研究了不同结构和工艺参数下的闭式冷却塔热力性能，得到了喷淋水膜对流传热和水膜对空气传质系数的经验公式，这些经验公式都是基于特定的结构和工艺参数，到 目前为止还没有-个通用的经验公式。因此，工程设计中普通采用收稿日期： 2012-06-29 修稿 13期： 2012-11-05资助项目： 教育部交叉学科与重大项目培育基金资助(WG1013009)；上海市宝山区科学技术委员会资助项目(CXY-2010-03)FLUID MACHINERY Vo1.41，No.1，2013经验公式来指导设计，很多学者建立数学模型来预测闭式冷却塔的热力性能 。j。本文通过数值计算，分析对于特定的结构参数，采用不同学者推荐的经验公式，外推得到不同工艺条件下的闭式冷却塔的热力性能，并比较分析其与试验测试结果的差异2 不同作者所得的传热传质经验公式Parker和 Treybal最早提出了逆流冷却塔的实际设计方法，假设饱和湿空气的焓值与空气-水膜界面处水膜温度呈线性关系，通过试验测试给出了外径为19mm正三角形错排管束的传热传质经验公式 j。管外喷淋水与管外表面之间的对流换热系数 h 为：h 704(1.390.022rw)G (1)式中 --喷淋水膜的温度，℃G --喷淋水的质量流速，kg/(m ·S)空气-水膜之间的传质系数h 为：h 0.049G- (2)式中 G --空气质量流速，kg/(rn。·S)适用范围：1.4

Mizushina等测试了多种管径下蒸发式冷却器的热力性能，所用 圆管管外径分别为 12.7、l9.05和 40mm，管间距等于 2倍管径，拟合所得的水膜对流传热系数为喷淋水质量流量的函数，水膜对空气的传质系数为管外径、空气雷诺数和喷淋水膜雷诺数的函数 。

h 2100G (3)dA 5.028 X 10-Re。0.9Re do · (4)式中 A --单位体积的换热面积，m /m适用范围：0.2

Nitsu等测试了圆管的热力性能，包括水膜传热系数、空气.水膜的传质系数以及空气掠过管束的压降，给出了外径16mm、横向管间距2.34d。、纵向管间距 2.38d 的光管的传热传质关联式 ：h 990G 。 (5)hd0.076co (6)适用范围：0.5

Hasan和 Sir6n测试了管径为 10mm错排的闭式冷却塔，每排 l9根管，采用 Parker和 Treybal的传热关系式(1)来估算水膜传热系数 h ，得到的相关传质系数为 ：hd0.065GO” (7)适用范围：0.96

3 结构参数、数值分析模型及试验测试参数采用 Hasan试验的结构参数：管层数 l2，单层管数 19根，外径 10mm，纵向管间距0.02m、横向管间距0.06m，管长 1.2m，塔体宽度0.6m；单位体积的换热面积 25m /m 3”j。

采用2维模型，分析闭式冷却塔的传热传质机理，采用 Matlab编写圆管型闭式冷却塔程序，预测不同工况下闭式冷却塔的热力性能，详见文献[14，l5]。

表 1 试验测试参数案 空气 管内冷却水 喷淋水RH mn . mw例(in /s) (℃) (%) (kg/s) (oC) (oC) (kg/s) (℃)1 0.48 16.07 50 0.4 18.54 15.67 1.37 15.102 0.48 21.33 43 0.6 21.18 19.15 1.38 18.563 0.48 13.08 84 0.8 l8.53 17.02 1.38 16.474 1.08 26.19 47 O.4 23.96 20.82 1.37 2O.375 1.08 19.71 46 0.6 18.01 15.89 1.38 15.336 1.08 13.O3 87 0.8 15.86 14.35 1.38 13.857 1.36 19.74 43 0.4 l7.77 14.78 1.38 14.3O8 1.36 32.50 30 0.6 23.86 21.84 1.37 21.439 1.36 16.21 94 0.8 18.99 17.39 1.38 16.79注： -空气体积流量， -空气干球温度，RH-空气相对湿度， -管内冷却水质量流量， 。、 -试验测得的冷却水进、出口温度，m -喷淋水质量流量， -试验测得的喷淋水温度。

4 分析与讨论喷淋水膜传热膜系数随喷淋密度的变化如图1所示。从图可见，3种经验公式对应的喷淋水膜传热膜系数随喷淋密度的变化趋势-致，随着喷2013年第41卷第 1期 流 体 机 械 6l淋密度的增加，喷淋水膜对流传热系数增大。

Finlay和 Haris指出采用经验公式计算所得的值与这些值的平均值的偏差在 ±30%左右，对于两相流湍流而言是可以接受的 ]。Mizushina的经验公式相比其它三者，G 范围更大，适用性更广泛。

图1 喷淋水膜传热膜系数随喷淋密度的变化图2示出圆管对应的水膜对空气传质系数随空气质量流速的变化，4种关系式-致性较好，偏差在可接受的范围内。Parker和 Treybal经验公式相比其它三者，G 范围更大，适用性更广泛。

1O29图3 管内冷却水出口温度对比图4示出模型预测的管内冷却水出口温度与试验测试 出 口温度 的差值差，温度差 范 围在- 0.79～0.45℃之间，其中采用 Hasan试验所得的传热传质系数经验公式的预测结果与试验值偏差在 -0.25～0.18c之问。同上亦说明：预测出口温度应旧能选择同试验条件相同或类似结构参数下的经验公式。

图2 水膜对空气传质系数随空气质量流速的变化图3示出模型计算所得的管内冷却水出口温度与试验值的比值，从图可见 4种情况下的最大偏差为 -4.34%，其中采用 Hasan试验所得的经验公式的预测结果与试验值偏差在 -1.15% ～1.15%之间，Nitsu的预测结果与试验值偏差在- 1.16% ～0.75%之间，Parker和 Treybal的预测结果与试验值偏差在 -0.37% ～ 2.87%之间，Mizushina的预测结果同试验的偏差最大，达- 4.34% - -1.5%之间。因此，确定管内冷却水的出口温度应旧能选择同试验条件相同或类O·80.0I。

- 0.85 9案例图4 预测出口温度与试验出口温度差4种不同经验公式所得换热量对比如图5所5 9案例图5 换热量对比- -62 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.1，2013从图 5可见，换热量 的最大偏差 达到 了37.12%，换热量 的偏差 比较 明显，其 中采用Hasan试验所得的传热传质系数经验公式的预测结果与试验值偏差在 -6.28% ～12.37%之间，Nitsu的预测结果与试验值偏差在 -8.25% ～14.36%之间，Parker和 Treybal的预测结果与试验值偏差在 -18.25% ～3.96%之间，Mizushina的预测结果与试验值偏差在6.25% ～37.12%之间，这是因为其经验公式所基于的圆管管径、结构和工艺参数与试验测试的圆管管径、结构和工艺参数不同所致。

数值计算所得的喷淋水平均温度与试验测试值相差较小，如图 6所示。其中采用 Hasan试验所得的经验公式所得的喷淋水平均温度与试验测试值的百分比在 99.44% ～103.51%之间。

5 结语l1Ol005 9案例图6 平均喷淋水温度对比分析了闭式冷却塔的热力性能，采用试验测试所得的经验公式和不同结构和工艺参数下所得的经验公式预测其热力性能，分析结果表明，不同的经验公式预测的出口温度与试验测试值的百分比偏差很小，但是温度差值较大，换热量偏差最大达到了 37.12%，喷淋水平均温度相差较校