闭式冷却塔热力性能影响因素分析及优化设计_精品文档.pdf

1、 基金项目：基金项目：教育部交叉学科与重大项目培育基金（编号：WG1013009）作者简介：作者简介：宋进（1989-），男，研究生，主要从事传热与节能的研究，电话：（021）64253708，E-mail:;朱冬生，男，博士，教授，通讯联系人，E-mail:。闭式冷却塔热力性能影响因素分析及优化设计 宋进1，郑伟业1，朱冬生1，曾力丁1，周洪剑2(1.华东理工大学 机械与动力工程学院 承压系统与安全教育部重点实验室，上海 200237;2.上海宝丰机械制造有限公司，上海 200436)摘要：摘要：本文分析了闭式冷却塔的传热传质机理，建立了二维计算模型，在此模型的基础上编写圆管型闭式冷却塔设计

2、计算模拟程序。采用不同作者经典的传热传质经验公式，以总传热系数、换热面积为研究方向，计算模拟分析管内流速、配风量、喷淋密度、迎面风速对热力性能的影响，得到了各因素的最佳范围，对封闭式冷却塔的性能优化设计具有一定的指导作用。关键词关键词：闭式冷却塔；换热面积；总传热系数 Influence Factors on Thermal Performance and Optimal Design of Closed Circuit Cooling Tower Song Jin 1,ZHENG Wei-ye 1,ZHU Dong-sheng1,ZHOU Hong-jian2,ZENG Li-ding1(1

3、.Key Laboratory of Pressure Systems and Safety,Ministry of Education.,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China 2.Shanghai Baofeng Machinery Manufacturing Co.Ltd,Shanghai 200436,China)Abstract:This paper analyse the heat and mass transfer mechanism of closed circuit cooli

4、ng tower.A two-dimensional calculation model has been built and the design calculation simulation program of pipe type closed circuit cooling tower has been written with this model.With the overall heat transfer coefficient and heat transfer area of research party,the classical heat and mass transfe

5、r experience formulas of different authors have been used to calculate and analyse the influence of different process water velocity,face velocity,air flow and water flow rate per unit length to the thermal performance.The optimal range of the different factors have obtained and can be used for opti

6、mization design of closed circuit cooling tower.Key words:closed circuit cooling tower;heat transfer area;overall heat transfer coefficient闭式冷却塔是一种将水冷与空冷、传热与传质过程融为一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。近十年的研究、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

7、、轻工等工业领域中也有着广阔的应用前景。闭式冷却塔内部传热传质性能的优劣直接影响其供冷性能，而影响闭式冷却塔传热传质性能的因素主要有管内流体流速、喷淋密度以及空气流速。本文通过建立闭式冷却塔的传热传质数学模型，采用不同作者的传热传质经验公式，以总传热系数、换热面积为研究方向，通过 Matlab 计算预测管内流速、配风量、喷淋密度、迎面风速对闭式冷却塔热力性能的影响，得到各因素的最佳范围，对闭式冷却塔性能优化设计具有一定的指导作用。1.不同作者的传热传质经验公式不同作者的传热传质经验公式 Paker和Treybal1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

8、度呈线性关系，给出了外径为 19mm 错排管束的传热传质经验公式。管外喷淋水与管外表面之间的对流换热系数 hw为：1/3704(1.390.022)wwwhtG=+(1)其中 tw为喷淋水膜的温度，；Gw为喷淋水的质量流速，kg/(sm2)。空气-水膜之间的传质系数 hd为：0.9050.049dahG=(2)其中 Ga为空气质量流速，kg/(sm2)。Niitsu2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，错排光管的传热传质关联式：0.46990wwhG=(3)0.80.076dahG=(4)Hasan和Sirn3测试了管径为

9、10mm错排的闭式冷却塔，每排 19 根管，采用 Paker 和 Treybal的传热关系式(1)来估算水膜传热系数 hw，总共进行 60 组测试，得到的相关传质系数为：0.7730.065dahG=(5)Heyns 和 Krger4采用 Poppe5和 Mekel6的分析研究了闭式冷却塔的热力性能，通过实验得到了水膜传热系数和空气-水膜传质系数：0.10.350.3470wawwhGGT=(6)0.730.20.038dawhGG=(7)2.闭塔计算的数学模型闭塔计算的数学模型 为了建立闭塔计算的数学模型，本文作如下假设：(1)传热传质的过程是一个稳态过程；(2)冷却塔向周围环境的辐射散热忽

10、略不计；(3)管外表面充分润湿，在进口和整个管束，空气流动和温度分布；(4)刘易斯因子等于 17；(5)喷淋水流量足够大，忽略喷淋水膜蒸发带来的影响；(6)空气-水膜接触面的热阻可以忽略不计8，因此接触面的空气焓值为与水膜温度相对应的饱和湿空气的焓值。取微元控制体进行数学模型分析，如图 1所示。图 1 微元控制体内流体流动 Fig.1 Fluids inside an element 微元控制体内三种流体的能量守恒关系式为：0adQdQ+=(8)冷却流体损失的热量 dQ 为：()pppppwdQm c dTK TTdA=(9)其中 K 是基于管外表面积的管内冷却水与喷淋水之间的总传热系数，Tp

11、为管内冷却水水温，Tw为喷淋水水温，A 为管外表面积，K 可以写成：11ln()2ooooiowiiiwiddddrrhKh ddkd=+(10)空气得到的热量 dQa为：()aaadmaswaadQm dihiidA=(11)其中 ia为空气焓值，Aa为空气-水膜接触面的表面积，imasw为与水膜温度对应的饱和湿空气焓值。方程(12)称作 Merkel 方程。Krger9提出了一种简化的 Merkel-类型分析方法，假设一个恒定的水膜温度，只有进出口的参数是由计算得到。对关系式(13)在进出口条件下求积分，得到：lnpiwppppowTTm cTTAK=(14)同样，对(15)进行积分，得到

12、：lnamaswaiadmaswaomiiAhii=(16)闭式冷却塔中管内冷却水失去的热量为空气带走的热量，即：()()aaoaippppipoQm iim cTT=(17)3.设计模型求解设计模型求解 设计程序如图 2 所示。图 2 设计程序的流程图 Fig.2 Flow chart diagram for design 对于一个特定的管内冷却水流量 Gp，进口温度 Tpi，出口温度 Tpo，大气压 Pa，空气干球温度 ta以及湿球温度 twb，通过方程(18)-(19)可以求出管外表面积 A 以及空气-水膜接触面的表面积 Aa。通过假设水膜温度 Tw，迭代求解 A 和Aa，直到两者趋于一

13、致。最终结果输出换热面积A 和总传热系数 K。4.预测结果分析预测结果分析 4.1 管内冷却水流速的影响管内冷却水流速的影响 取迎面风速 3.5m/s，配风量 200m3/(hkW)，喷 淋 密 度 0.05kg/(ms)，管 内 冷 却 水 流 量Gp=120m3/h，进口温度 37，出口温度 32，环境干球温度 34，湿球温度 28，分别计算流速 0.53.5m/s 时的总传热系数以及换热面积，计算结果如图 3、4 所示。0.51.01.52.02.53.03.5400450500550600650700750800 总传热系数K，W/(m2K)管内流速Vp，m/s Hasan Parke

14、r and Treybal Niitsu Heyns 图 3 不同管内流速下的换热面积 Fig.3 Heat transfer area for different process water velocity 0.00.51.01.52.02.53.03.5200250300350400450500550 Hasan Parker and Treybal Niitsu Heyns换热面积A，m2管内流速Vp，m/s 图 4 不同管内流速下的总传热系数 Fig.4 Overall heat transfer coefficient for different process water vel

15、ocity 从以上两图可以看出，流速越高，总传热系数越大，从而所需的换热面积越小；当流速大于 1.5m/s 时，这种趋势变得缓慢。这主要是由于管内流体已经充分湍流，热阻主要集中在空气侧，另外阻力与流速呈平方关系发展，较高的流速将影响盘管的运行能力，因此在闭塔设计时，建议流速取值在 1.52.5m/s 范围内为宜。4.2 迎面风速的影响迎面风速的影响 取 配 风 量200m3/(hkW)，喷 淋 密 度0.05kg/(ms)，管内冷却水流量 Gp=120m3/h，流速 1.5m/s，进口温度 37，出口温度 32，环境干球温度 34，湿球温度 28，分别计算迎面风速为 0.54.0m/s 时的总

16、传热系数以及换热面积，计算结果如图 5、6 所示。0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5500550600650700750 总传热系数K，W/(m2K)迎面风速Vf，m/s Hasan Parker and Treybal Niitsu Heyns图 5 不同迎面风速下的换热面积 Fig.5 Heat transfer area for different face velocity 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.540060080010001200 换热面积A，m2迎面风速Vf，m/s Hasan Parker and Treybal Niitsu Heyns图 6 不同迎面风速下的总传热系数 Fig.6 Overall heat transfer coefficient for different face velocity 从图 5 可以看出，总传热系数几乎不受迎面风速的影响；而从图 6 中可以看出，随着迎面风速的增大，换热面积明显变小，当空气流速大于 2.5 m/s 时，这种变化趋势开始变缓