浅谈闭式冷却塔换热的一种计算方法

何彦 于苏俊 杨柳

（西南交通大学地球科学与环境工程学院四川成都 610031）

闭式冷却塔是闭式循环系统中使用较多的一种设施，闭式循环使冷却水始终在冷却盘管内流动放热，不与外界接触，从根本上隔离冷却水的污染源，保证水质。

1 闭式冷却塔的工作原理

来自设备的温度较高的冷却水，通过余压送至闭式冷却塔冷却盘管的同时利用管道泵抽吸底池中的水至喷淋排管，并在冷却盘管外表面反复喷淋，通过蒸发吸取热量来降低冷却水的温度。同时，空气利用冷却塔内风机具有抽吸作用而在冷却盘管自下而上的流动，既有助于冷却盘管外表面的释放热量，也能有效吸收蒸发过程所产生的水蒸气，冷却效果更佳。

2 闭式冷却塔换热效率优化理论基础及方案

2.1 换热原理

在闭式冷却塔中，工艺流体的热量通过管壁传递至管外的喷淋水后再交换给空气。对盘管段某一微元高度而言，管内工艺流体的热量损失Gf、Cf、dtf与空气的热量获得值之差则分别等于喷淋水热量的增减Gw、Gw、dtw，温度特性可以表示为如下的基本方程：

式中，Kfw、Kwa分别为工艺流体至喷淋水的传热系数和喷淋水至空气的总传质系数；

Gf、Gw和Ga分别为工艺流体、喷淋水和空气的重量流量；

Cf、Cw分别为工艺流体和喷淋水的比热；

tf和tw分别为工艺流体和喷淋水的温度；

i、i*分别为空气和与喷淋水温度相对应的饱和湿空气的焓。

2.2 优化方案

优化目标在于使在工艺流体放热完全被空气吸收时，空气在出塔时也恰好为饱和状态，这种理想状态中，在考虑制造与运行成本时，能得到最低的造价。

1）闭式冷却塔的优化应从强化管外侧传热着手。实现强化最有效的措施为恰当的加快管内流速及选择小管径。优化可侧重于管径的选择和塔的技术成本的关系。

2）对一般闭式冷却塔而言，降低成本还可通过使用镀锌钢管来实现。

3）预冷却技术也可达到闭式冷却塔的优化目的，但不适用于工艺流体温度较低的情况。

3 闭式冷却塔换热计算方法

3.1 热力计算原理

计算思路:假定冷却空气能全部获得管内工艺流体所放出的热量，确定风量和空气获得的总热量，而被冷却介质所放出的总热量可根据设计参数算出。根据设计目标选择造价最低或运行成本最低、寿命期内最经济，塔体体积最小的方案。

3.2 计算步骤

图1选取的微元是一层填料加一层盘管的模块结构，管内流体热量经管壁传给管外喷淋水，再交还给空气。因此，喷淋水实质上充当了媒介。工程设计所需条件有：大气压P，被冷却介质进口温度t1、出口温度t2、总流量Qn，空气干球温度和湿球温度。

图1 换热模块微元

（1）由冷却塔气水比、进风风速、淋水密度及管内流速的经验取值，初步选择风量Q，进风面数ζ，喷淋水量M，盘管的管径φ，管排数SP，管程数SC，管长b和一层填料的体积V；其中，气水比0.8-1.2，风速2.2-3.0m/s，淋水密度15-20 m3/(m2.h)和管内流速1.5-2.5m/s。

设喷淋水进填料温度为，其在填料与盘管间的中间温度可根据平均焓差法计算，为方便计算可先给赋初值，代入式(4)计算，直到所得填料体积与假定的填料体积大致相等，可认为相对于成立。

式中K为蒸发水量带走的热量系数；

βxv为淋水填料的容积散热系数；

Δim为平均焓差。

(2)根据tm计算喷淋水离开盘管后的平均温度ts。

假设盘管内被冷却水的热量完全传递给了喷淋水，则：

因为喷淋水得到的热量分两部分，一是经盘管得到被冷却水的热量，二是在盘管壁外与空气进行对流及蒸发时的散热，实际得热等于这两部分热量之差，即：

式中：qw为一层盘管内水量；

tw1、tw2和ta分别为被冷却水、喷淋水和空气的对数平均温度；

A为盘管表面积；

cw为水的比热；

K0′为盘管壁面上喷淋水与空气的对流与相变换热系数；

K0为热量又冷却盘管内流体至管外喷淋水的传热系数。

式中，ai为管内流体与管内表面之间对流换热系数，

a0为管外喷淋水与管外表面之间对流换热系数，

r1、r0分别为盘管内外径，

dm为传热管的对数平均直径。

上述计算在对赋初值后，通过式(5)和(6)反复试算，直到盘管表面积等于所设定的盘管表面积，便认为ts相对于tm成立。所设定盘管的表面积计算如下：

在一个循环后，循环流动的喷淋水的温度不会变化，所以在稳定后，温度的变化规律有ts→tm→t0，则：

热力计算可通过式(4)—(8)联立求解来完成。

以上方法虽没有分离喷淋水与空气的对流和相变换热系数，但换热过程的细节完全得到展示，不过除部分靠资料或经验值外，相关的换热系数还需配套试验获得。在模拟塔的多个工况中，通过实测和，便可根据模拟塔的相关参数，如用式(4)获得βxv，式(5)获得 K0，式(6)获得 K0′；再综合各工况的 βxv、K0和 K0′，便可得到淋水密度、空气重量流速、管径、管程和管排等与上述参数的关系，且可以日后冷却塔改进的热力计算中用到这些参数。

4 结论

综合以上，优化方案应放在管径与塔的技术经济性的关系上，可尽量选用镀锌钢管以降低设备成本，同时采用预冷却技术。

闭式冷却塔时吸取了开式冷却塔和干式冷却塔的优点后的产物，既达到了冷却水水质要求又保证了冷却负荷，但目前的研发中依然有不少问题存在：

(1)分散的研发力量，不健全待完善的管理机制，监督的缺失；

(2)明文规范的缺失使得现在的研究要达到能够制定规范的标准还差很远；

(3)蒸发冷却模型过于理论化，不实用；其数值模拟缺少符合实际的有效模型。

闭式冷却塔在国内还处在起步阶段，涉足行业不多。但随着人们环保意识的提高和闭式冷却塔技术的完善，以及该行业高利润的优越性，会得到越来越多的行业选用，也必然有更为光明的市场前景。

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