循环冷却水系统中逆流湿式冷却塔的特性研究

王晓红 田鹏

青岛科技大学化工学院 （山东青岛 266042）

技术进步

循环冷却水系统中逆流湿式冷却塔的特性研究

王晓红 田鹏

青岛科技大学化工学院 （山东青岛 266042）

以循环冷却水系统中的逆流式湿式冷却塔为研究对象，详细阐述了空气湿球温度、水流量和进塔水温对冷却塔热力学性能的影响。水温降低幅度越大,冷却塔冷却效能越好。结果表明：增加进口空气湿球温度或水与空气进料质量比，冷却塔冷却效能降低；水进口温度的变化对塔冷却效能影响较小；水与空气进料质量流量比高时，沿塔高显热交换潜力降低，质量流量比低时，沿塔高显热交换潜力增加。

冷却塔 数学模型 特性研究

1 冷却塔

循环水的冷却是靠冷却塔内接触散热和蒸发散热实现的。冷却塔是以水为循环冷却剂，从一系统中吸收热量排放至大气中以降低水温的装置，其冷却方法是将热水喷洒至散热材料表面，通过与移动空气相接触，热水与冷空气之间产生显热作用，部分热水被蒸发，同时温度降低的循环水重新应用于循环水系统中。

按冷却方式，冷却塔可分为湿式冷却塔和干式冷却塔。干式冷却塔又称空冷塔，是用空气作为冷却介质的冷却塔，根据传热载体的不同可分为直接空冷塔和间接空冷塔两种。湿式冷却塔是空气与水直接接触进行传热、传质，达到降低循环水温度的目的，分为逆流式湿式冷却塔和横流式湿式冷却塔。逆流式是指水由上而下、空气由下向上流动，在水气作相对运动的过程中进行热质交换;横流式则指水由上而下流动，空气流动方向与水流呈90°夹角[1]。Williamson N等[2]通过建立二维模型分析优化填料和水的分布来提高自然通风湿式冷却塔的性能；Fisenko S P等[3]建立了一种新的冷却塔数学模型，该模型表达了常微分方程系统的一个边界问题，首次描述了冷却塔内水滴半径的分布函数；Qureshi B A等[4]应用物性数据软件EES同时模拟了冷却塔的喷雾区和雨区，研究了污垢模型，该模型与传统的热交换中典型的污垢模型基本一致；韩琴等[5]基于质量守恒和能量守恒的原理，以出塔水温作为冷却塔冷却性能的评价指标，建立了大型冷却塔热力学计算的湿差模型，分析了不同模型的计算结果差异以及淋水面积等参数对冷却塔出塔水温的影响；郑伟业等[6]分析了闭式冷却塔的传热传质机理，建立了数学计算模型，该模型可用来预测不同流速和不同室外空气状态下闭式冷却塔的出口水温和喷淋水水温。

本课题基于能量守恒定律，以逆流式湿式冷却塔为研究对象，从塔单独运行的角度出发，考察了不同操作参数对塔热力学性能的影响。推导了微分方程来描述空气温度、湿度和水温沿塔高方向的变化，应用C语言编程，采用龙格库塔法，实现冷却塔模型的计算。分析了空气湿球温度、水流量和进塔水温对于冷却塔中空气干球温度、空气湿度、水温和显热交换潜力（水与空气温差）的影响。

2 数学模型

2.1 模型的建立

冷却塔中，水从上向下流，空气从塔底向上移动，水将热量传递给空气，自身温度降低。传热方式主要是接触传热和蒸发传热，不考虑辐射传热。接触传热是由于水与空气之间存在温度差而产生的，蒸发传热是由水分子的运动引起的。冷却过程如图1所示。图中m为质量流量、h为焓、Q为传热速率；下标a表示空气，下标w表示水，下标S表示显热，下标L表示潜热。

图1 冷却塔参数

理论上，水与空气接触时，若水面温度等于空气的湿球温度，水温将停止下降，这时蒸发传热量与空气传给水的热量处于动态平衡状态，水面温度达到极值。但是冷却塔的实际运行不可能达到极限。为便于简化和计算，作如下假设[7]：

（1）传热传质变化过程仅考虑垂直方向；（2）忽略冷却塔向环境的散热；（3）忽略塔与空气和水的传热；（4）传热系数、传质系数取常数；（5）路易斯数取常数；（6）忽略风吹引起的水损失；（7）各断面水温一致；（8）填料面积沿垂直方向不变。

根据以上假设结合冷却过程的质量和能量平衡，依照文献[7]确定求解方程：

冷却水流率沿塔高的变化率如（6）式所示[7]：

沿塔高方向，由于水分蒸发引起的空气湿度变化如式（9）所示：

2.2 模型的求解

（1）出口空气的热力学性质很大程度上依赖于进口空气的饱和程度，因此选择低、中、高三种不同进口空气干球温度（见表1）来考察外界环境对塔内空气热力学性质的影响；

表1 空气物性℃

（2）蒸发过程依赖于水与空气的质量流量比，选取mw/ma为0.5和1，考察不同流量比下塔内的热力学性质；

（3）水的蒸发与进口水温也有密切的联系，进塔水温超过50℃容易引起塔内结垢和腐蚀[8]，故选取进口水温30℃、35℃、40℃和45℃为研究对象。

对式（12）、式（13）及式（14）三个方程进行求解，根据冷却塔工况数据，以0.1 m填料层高度为步长进行计算，如图2所示，应用C语言编程，由塔底到塔顶采用龙格库塔法对方程进行求解。

图2 填料层划分

3 冷却塔特性分析

3.1 空气湿球温度的影响（水进塔温度为40℃）

如图3（a）所示，在空气湿球温度为6.3℃和20.8℃时，沿塔高空气干球温度升高,在空气湿球温度为27℃时，空气干球温度在塔底略增加，随后沿塔高基本不变。在空气湿球温度为6.3℃时，空气干球温度上升的幅度最大，即湿球温度越低，沿塔高空气干球温度增加幅度越大。由图3（b）可知,沿塔高空气的湿度增加，不同空气湿球温度下增加趋势基本一致。在塔底部，空气湿度增加明显，沿塔高空气湿度变化曲线斜率降低，即空气湿度增加的幅度降低。

图3 不同湿球温度下空气干球温度和湿度沿塔高的变化趋势

如图4所示，从塔顶到塔底，三种不同空气状态下水温均降低，其中湿球温度为6.3℃的空气状态下水温下降幅度最大。这是由于空气湿球温度的降低会导致冷却塔内水汽化分率增加，因此使冷却温差增大，即冷却效果增强。

3.2 水与空气进料质量流量比的影响（水进塔温度为40℃）

从图5（a）可以看出，随着水与空气质量流量比的增加，空气出口干球温度增加；由图5（b）可以看出，水与空气质量流量比对空气湿度的影响与对空气干球温度的影响基本一致，水与空气质量流量比越大，空气湿度增加幅度越大，因此在空气流量一定的情况下，通过增加水的质量流量能够加热和增湿空气。

图4 不同湿球温度下水温沿塔高变化

图5 不同质量流量比下干球温度和湿度沿塔高的变化趋势

3.3 进口水温的影响（空气干球温度22.84℃，湿球温度20.8℃，水与空气质量流量比为1）

如图6所示，不同进口水温下空气干球温度和湿度变化趋势一致。增加进口水温，空气与水的传热温差增大，使得空气干球温度升高幅度增大。同时，增加进口水温，水表面的饱和蒸汽压增大，而空气中水蒸气的分压力并没有变化，水与空气分压差增大，蒸发水增多，空气湿度升高幅度增大，即随着水进口温度的升高，空气出口温度和湿度也相应升高。

图6 不同进塔水温下空气干球温度和湿度沿塔高的变化趋势

进塔水温升高，热水与冷空气之间的传热温差增大，接触散热量增加，因此水温降低幅度略增大。从图7可以看出，在塔底部水温下降幅度较大，到0.7 m塔高时，水温变化幅度减小。

4 结论

对冷却塔进行模拟，分别得出空气干球温度、空气湿度、冷却水温度和显热交换潜力在塔内沿填料层的变化情况：

图7 不同进塔水温下水温沿塔高的变化趋势

（1）降低进口空气湿球温度，湿空气的干球温度上升幅度增大，同时空气对蒸发水的吸收量增大，增加了水温降低的幅度，提高了塔的热力学性能。

（2）进口水温度的增加使得空气干球温度和湿度增加，塔内的接触散热与蒸发散热增强，冷却塔内的换热增强，冷却水的进出口温差略增大。

（3）增加水与空气的质量流量比使得空气干球温度增加，由于空气吸收蒸发水的量增加，空气湿度增大。

[1] 程艳花.自然通风逆流湿式冷却塔性能评价及环境侧风影响的试验研究[D].济南:山东大学,2007.

[2] Williamson N,Behnia M,Armfield S W.Thermal optimization of a natural draft wet cooling tower[J].International. Journal ofEnergyResearch,2008,32(14):1349-1361.

[3] FisenkoS P,Brin A A,Petruchik A I.Evaporative coolingof water in a mechanical draft cooling tower[J].International Journal ofHeat and Mass Transfer,2004,47(1):165-177.

[4] Qureshi B A,Zubair S M.A complete model of wet cooling towers with fouling in fills[J].Applied Thermal Engineering, 2006,26(16):1982-1989.

[5] 韩琴,刘德有,陈负山,等.大型冷却塔热力计算模型[J].河海大学学报:自然科学版,2009,37(5):591-595.

[6] 郑伟业,朱冬生,宋进,等.闭式冷却塔的计算模拟[J].高校化学工程学报,2012,26(2):216-221.

[7] Papaefthimiou V D,Zannis T C,Rogdakis E D.Thermodynamic study of wet cooling tower performance[J].International Journal ofEnergyResearch,2006,30(6):411-426.

[8] Rubio-Castro E,Serna-González M,Ponce-Ortega J M,et al.Optimization ofmechanical draft counter flowwet-cooling towers usinga rigorous model[J].Applied Thermal Engineering,2011,31(16):3615-3628.

Characteristics Study of Counter-current Wet Cooling Tower for Circulating Cooling Water System

Wang Xiaohong Tian Peng

Counter-current wet cooling tower is treated as the research object to elaborate the effect of wet bulb temperature of air,mass flow rate of water and inlet water temperature on the thermodynamic performance of the cooling tower.The greater decrease in water temperature,the better cooling capacity the tower performs.The results show that the cooling capacity decreases with increasing the wet bulb temperature of inlet air or the mass ratio of water to air.The change in the inlet water temperature does not seriously affect the cooling effect of the cooling tower.The sensible heat exchange potential decreases along the height of the tower with a higher mass flow ratio of water to air while increases with a lower ratio.

Cooling tower;Mathematical model;Characteristic study

TK124

2014年8月

山东省自然科学基金项目（ZR2011BL010）；山东省高等学校科技计划项目（J11LB65）

王晓红女1968年生副教授研究方向：化工系统工程