密闭式冷却塔冷却过程的换热分析与计算机仿真

    随着国民经济的迅猛发展,工业企业对工业用水的需求量剧增,需要大量的水来冷却设备,为了节约用水,冷却水常循环使用。冷却塔是主要的冷却水循环利用装置,它是利用空气与高温热水进行热湿交换,水蒸发变成水蒸气吸收大量热量并随空气带走,降低水温,达到循环利用冷却水的目的,广泛应用于冶金、石油、化工、动力、纺织等行业。此外,又从工业拓展到民用,如应用于大厦中央空调系统等[1]。

    目前普遍采用的冷却塔为开式塔,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,而达到冷却目的。开式塔的冷却能力大,但开式塔中冷却水与外界空气直接接触,很容易使水质受到污染,这对于要求水质洁净的行业或空气污染严重的场合,开式塔显然不适用,所以在这种情况下,密闭式冷却塔成了必须且合适的选择,并且随着环保、节能要求的日益迫切和各种换热设备的小型化发展,对密闭式冷却塔的要求也日益增加。

    密闭式冷却塔是由盘管、风机、管道泵、喷嘴、排管、挡水板等部分组成,其典型结构与工艺流程见图1。从工艺设备或冷凝器等出来的温度较高的水,由冷却水泵加压输送到密闭式冷却塔的冷却盘管中,利用管道泵将冷却塔底池中的循环水抽吸到换热管束上方的喷淋水分配器中,通过喷淋水分配器将水喷淋到冷却盘管外表面,使管外表面形成连续均匀的薄水膜,喷淋水膜吸收盘管内冷却水的大量热量迅速蒸发,使冷却水的温度降低。与此同时,安装在挡水板上面的风机抽吸空气自下而上流动,横掠水平放置的光管管束,既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[2]。

    笔者通过对密闭式冷却塔进行理论分析和计算机仿真,为设备的设计计算和运行优化提供基础。

    1 理论分析

    为了既能满足工程精度要求,又能最大限度地简化模型,提高计算速度,对密闭式冷却塔换热模型作以下假设:稳态流场、牛顿流体;冷却水温度、喷淋水温度和空气焓值看成只沿换热管束高度方向变化,即为一维模式,如图2所示。

    1.1 数学模型

Mncndtn= Ko(tn- tw)aSdz (1)

    式中:Mn为管内冷却水的质量流量(kg/s);cn为管内冷却水的比热容(kJ/(kg•℃));tn和tw分别为管内冷却水、喷淋水的温度(e);Ko为管内冷却水至喷淋水的总传热系数(W/(m2•℃));a为单位容积的传热管的传热面积(m²/m3);S为传热管的横断面积(m²)。