干湿两用冷却塔的结构设计
2010-09-13刘乃玲
刘乃玲,李 楠,李 伟
(1.山东建筑大学热能工程学院,济南250101;2.同济大学博士后流动站,上海200092)
1 引 言
在开式冷却水系统中,水与外界相接触,运行一段时间后,空气中的污染物如灰尘、杂物、可溶性气体以及细菌等,均可进入循环冷却水系统。随着冷却水的不断循环、蒸发,水中的营养源随之增加,促使藻类微生物迅速繁殖,不仅使冷却水水质恶化,而且还和其它杂质掺混形成粘垢,同时还会出现盐分的浓缩现象[1],使循环设备管道腐蚀、结垢,造成换热器传热效率降低,过水断面减小,甚至使设备管道腐蚀穿孔,从而降低了制冷设备的使用寿命。而在干湿两用冷却塔中,采用翅片管换热器,盘管将冷却水和空气隔开,被冷却水在盘管内流动,避免了水与空气直接接触,管内水质较好,有效地保护了制冷机,提高了制冷机的工作效率,延长了制冷机的使用寿命。并且在过渡季节,可以将湿式运行切换到干式运行,用空冷的方式满足运行要求。
2 干湿两用冷却塔的理论分析
2.1 干湿两用冷却塔的工作原理
干湿两用冷却塔是一种双工况运行的冷却塔,其原理为夏季通过喷淋水的蒸发以冷却盘管内的水,即湿工况。当室外气温较低时,关闭喷淋水采用室外空气直接冷却,即干工况。其工作原理如图1所示。
这种冷却塔由翅片换热盘管、风机、循环水泵、喷嘴等部分组成,传热部分是一个由翅片换热盘管组成的蛇形换热盘管组,管组装在由型钢和钢板焊制的立式箱体内,箱体最底部为一个蓄水池。由工艺设备或冷凝器等出来的温度较高的冷却水,通过冷却水泵加大压力输送到干湿两用冷却塔的翅片换热盘管中,在沿换热盘管自上向下流动。喷淋水用循环水泵压送到换热盘管的上方,经喷嘴喷淋到换热盘管上面。
图1 干湿两用冷却塔
干湿两用冷却塔内共有三种流体,分别为冷却水,喷淋水和空气。空气自下向上流动,喷淋水自上向下流动。环形翅片管将循环冷却水与喷淋水通过翅片管壁隔开,管外喷淋水的蒸发冷却使得管内循环冷却水降温,如图1所示。喷淋水一部分蒸发,另一部分被底盘收集循环。管组外表面的温度高于进口空气的温度,它们之间产生显热交换。喷嘴在管组的外表面形成水膜,微小的水滴蒸发成水蒸汽,和管组内部的水产生潜热交换,风机的作用使水蒸汽迅速随空气排出系统。由此,蛇形管组内的高温循环冷却水与空气发生显热和潜热交换,以较低的温度排出蛇形管组[2]。冷却盘管内温度较高的水通过对流的方式将热量传给盘管的内表面,这部分热量再依靠导热的方式由盘管的内表面传到盘管的外表面。由于冷却盘管的外表面喷淋水,落到冷却盘管的外表面上,利用对流换热和蒸发换热将这部分热量传递到空气中[3]。而天气气温较低时,将喷淋水关闭,水在管中流动,空气在管外流动,由于水不直接和空气接触,水和空气的传热为非接触传热,所以只有显热交换。因此,这种冷却塔适用于水源紧缺,气温较低的地区,它具有节能、环保等优点,在冷却塔领域正受到人们广泛的关注。
2.2 换热机理分析
通过理论分析,热交换公式为:管内流体失去的热量:
Q1=w水c水(T进-T出)
换热器的传热量:
Q2=U A△Tm
空气得到的热量:
Q3=w空气c空气(t2-t1)
式中:
w水—管内侧被冷却流体水的流量,kg/s;
T进—水的进口温度,℃;
T出—水的出口温度,℃;
c水—管内侧被冷却流体水的比热,kJ/kg℃;
U —总传热系数,kW/m2℃;
A—总传热面积,m2;
△Tm—对数平均温差,℃;
w空气—空气流量,kg/s;
c空气—空气的比热,kJ/kg℃;
t1—空气进口温度,℃;
t2—空气出口温度,℃
这三个方程式是本文的立足点,通过研究分析这三个方程式之间的关系,达到即满足干式的冷却要求,又满足湿式的冷却要求。
在通常情况下,这三个基本方程式都是相等的,但为了同时满足湿式和干式工况冷却能力,需要考虑Q1与Q2的大小关系。
根据这三个基本方程式,将相关条件及参数代入后,通过计算和分析来达到同时满足冷却能力的效果。
2.2.1 湿式时的总传热系数U湿:
式中:
U湿—从管内流体到气液界面的总传热系数,kW/m2℃;
Ai—单位管长的管内面积,Ai=π Di,m2;
Am—单位翅片管对数平均直径为准的表面积,
Ao—单位管长的总外表面积,m2;
Ae—单位管长的有效表面积,m2;
Do—外管径,m;
Di—管内径,m;
λ—管材的导热系数,kW/m℃;
hi—管内流体水的对流换热系数,kW/m2℃;
hl—喷淋水的对流换热系数,kW/m2℃
2.2.2 干式时的总传热系数U干:
式中:
U干—总传热系数 (以管外表面积为准),kW/m2℃;
ho—管外侧对流换热系数,kW/m2℃;
hi—管内侧对流换热系数,kW/m2℃;
ro—管外侧污垢系数,m2℃/kW;
ri—管内侧污垢系数,m2℃/kW;
rf—翅片热阻,m2℃/kW;
rb—基管和翅片管的接合热阻,m2℃/kW;
Ao—单位管长的总外表面积,m2;
Alm—基管的对数平均表面积,
Afm—翅片管的对数平均表面积,
Ai—单位管长的管内面积,m2;
A*o—基管和翅片管接合部分的表面积,
tls—基管的厚度,
式中:
Db—翅片根部径;
Df—翅片外径
2.2.3 对数平均温差:
因为本文采用逆流方式,因而对数平均温差可表示为:
tfs—翅片管的厚度,式中:
△Tmax为(T进-t2)和(T出-t1)大者;
△Tmin为(T进-t2)和(T出-t1)小者。
3 翅片管的筛选
经过综合比较,本文采用钢铝复合翅片管。钢铝复合翅片管制造工艺先进,它是钢和铝管复合在专用机床上轧制而成,使钢基管与铝翅片结合紧密,具有热阻小、传热性能好、强度高、流动损失小、防腐蚀性能强、工作寿命长等优点。与光管相比,在消耗金属材料相同的情况下具有更大的表面积,从直观看属于第一次强化传热,但实质上换热面积增大的同时带来了传热系数的提高,达到二次强化传热的目的。其特点就是能有效增加传热面积和增大传热系数,并且比较容易制造并保证操作的稳定性。
经过综合分析比较,本文选用国内某公司生产的钢铝复合翅片管,基管为钢,翅片为铝,采用错列布置。钢铝复合翅片管的形式和尺寸如图2所示。
图2 钢铝复合翅片管的形式和尺寸
4 设计算例
为了使干湿两用冷却塔同时在干工况和湿工况下满足冷却能力,并找到干湿工况的界限温度,在此举出一具体算例进行分析。
设计工况采用济南地区夏季标准设计工况干球温度T干=34.8℃,湿球温度T湿=26.7℃,大气压力99.4×105Pa,冬季干球温度T干=-10℃。
设计要求:将设计流量w水=100m3/h的冷却水,从进口温度T进=35℃冷却到出口温度 T出=30℃。
选用双金属翅片管换热器:
翅片管长L=3.8m,宽度为3.66m;
管内径Di=23mm;
外管径Do=25mm;
翅片根部径Db=26.4mm;
翅片外径Df=57mm;
翅片节距t=4mm;
翅片高度Hf=15.3mm;
翅片厚度yb=0.4mm;
翅片管间距ST=SR=61.6mm;
λ钢=0.053kW/m℃;
λ铝=0.203kW/m℃。
选用的管排数N为18排,管内侧程数 nt,pass为9程。根据选定的翅片尺寸,通过计算得到:翅片管总外表面积A:
A=3974.62 m2;
管内流体失去的热量Q1:
在湿工况下,气温较高,干湿两用冷却塔的性能主要受环境湿球温度的影响,通过计算得出湿式工况下的总传热系数U湿:
U湿=0.205 kW/m2℃对数平均温差 △Tm,湿:
△Tm,湿=3.732℃
因此 Q2,湿=U湿A△Tm,湿=3043.423 kW,大于Q1=583.33 kW,所以在湿工况下满足冷却能力。
而在干式工况时,也就是气温较低的气候条件下,干湿两用冷却塔的性能主要受环境干球温度的影响,湿球温度的影响较小,因此环境设计干球温度更为关键。空气进口温度为-10℃,空气自下向上横掠翅片管换热器,等到空气流到出风口时,由于携带热量,温度必然上升,那么空气出口温度的确定就显得至关重要。
通过最佳温升计算式:进行试算并且验证,得到空气出口温度 t2为11.675℃,进而计算出干式工况下的总传热系数U干:
U干=0.0274 kW/m2℃,对数平均温差:△Tm,干:
△Tm,干为30.9166℃,
所以 Q2,干 =U干A△Tm,干 =3367.598 kW,大
于Q1=583.33kW,因而也满足冷却要求。
界限温度由公式Q1=U干A△Tm,干求得。
U干受温度的影响不大,可以忽略微小变化,从-10～25℃通过计算U干取平均值得到:
U干=0.0275 kW/m2℃
因为:
Q1=583.33 kW,
A=3974.62 m2,
因此:
△Tm,干=5.32℃,
即:
再通过最佳温升公式经过试算得到界限温度t1为25.32℃。
5 结论
干湿两用冷却塔能否在两种工况下同时满足冷却要求,在很大程度上取决于盘管结构是否具有良好的设计,以及所采取的计算方法是否有效。本文从通过对以上算例分析得到的结果来看,对于干湿两用冷却塔在湿式工况运行时,按照所给公式依次进行计算,最终计算结果证明能够达到冷却要求。而在干式工况运行进行校核时,合理确定空气出口温度是判断是否能满足冷却要求的关键,最终得到干湿两用冷却塔在干湿两种工况下都能满足冷却能力要求。在界限温度确定出来后可以得出结论,在济南地区一年当中喷淋水开启的时间比较短,根据济南近五十年以来每月的平均温度来看,在六、七、八月开启喷淋水,而其他月份以空冷的方式运行比较合适。
[1]Baker,D.R,and Shryock,H.A.ComPrehensive Approachtothe Ana lysiso Cooling Tower performance[J].Joumal of Heat Transfer,1961,83:339-350
[2]刘乃玲,陈伟,邵东岳,等.结构参数对管式蒸发冷却器性能的影响[J].建筑热能通风空调,2007,26(4):29-31
[3]Rule D L.Evaporative Cooling Maintenance to Improve System Efficiency[J].ASHRAE Journal,1994,36(4):22-23
