冷却塔的设计
34冷却塔的设计
冷却塔的设计
叶明国
(上海基伊埃冷却塔有限公司,上海市200021)
摘 要 阐述了冷却塔的工作原理和设计方法,并结合设计实例探讨了设计中应注
意的一些问题,同时简述了冷却塔技术的发展方向。 关键词 冷却塔 传热理论 设计
符 号 说 明
L1—补充水流量 L2—出塔冷水流量 L—总循环水流量 G—空气流量 H1—进口空气焓值 H2—出口空气焓值 h1—进口空气湿度 h2—出口空气湿度 Κ—水汽化潜热 cp—水的比热
q—单位时间内塔的热负荷 H—空气热焓 Hs—饱和空气热焓 T气—空气温度 T—水温度 K—总传质系数
a—单位体积填料的有效表面积 V—塔内填料体积
1 工作原理及能量衡算
冷却塔以大气作冷却介质。冷却塔内两股
流体即水和空气混合使水冷却,部分水汽化放出蒸发潜热并随空气一起将蒸发潜热带走。过程的结果使水达到冷却,冷却塔也就是这种将热量从一种物质传递给另一种物质的装置。连续不断的来自生产装置的热水从塔顶进入,下落时水蒸发将热量传递给空气,湿热空气则由风机排入大气,被冷却的水则返回生产装置循环使用。
整个传热过程涉及蒸发和对流传热两种原理,其传热速率随气水的界面面积、相对流速、接触时间以及冷却范围的增加而增加。空气—水界面面积可由冷却塔内的填料来调节,相对流速由风机大小决定,接触时间和塔的几何尺寸相关。
冷却塔的冷却能力是以被冷却过的水的温度与周围空气湿球温度的差来衡量的。湿球温度越低,水冷却后的温度也越低。冷水温度与湿球温度的接近程度与冷却塔的设计密切相关。 影响冷却塔设计能力的因素有:空气和水的接触时间,填料表面积的大小,水在填料表面的分布情况以及所形成水滴的大小和个数。冷却过程属同时传热和传质过程。附着在塔内填料表面上的水与气膜接触,可以认为气膜在此时水温下达到饱和,热量是靠气膜和空气主
在工业生产中,各种生产装置会产生大量的废热,必须用水进行吸收。然而从环境保护的观点来说,被加热的水不能直接排入河流而污染环境,必须冷却后再循环使用,以保护环境和节约用水。随着工业的发展,如何使热水冷却设备——冷却塔设计得更合理、更高效,已成了一门专门课题。笔者从事冷却塔设计多年,现总结出一些研究心得,以供参考。
《化工装备技术》第20卷第3期1999年
体间的扩散和对流来传递的,推动力为气膜与周围空气间的焓差。
冷却塔单位时间内的传热量q是由扩散传热量qD和水与空气的对流传热量qC两部分组成,即
(1)q=qD+qC其中扩散传热量可用水的蒸发潜热表示:
qD=L1Κ
(2)
L1=
-cpT1
h2-h1
35(8)
式中水汽化潜热Κ是一平均值,适合全塔范围。 在冷却塔系统中,若仅对空气作能量衡算(符号示意见图1),可得
(3
)q+L1cpT1=G(H2-H1)
(2)、(4)得 由式(1)、
(9) =
qDL1Κ
式(9)是对流传热与扩散传热之比,据此可判断过程中以哪种传热为主导。
逆流式冷却塔正常操作时,冷却塔水的蒸发损失通常低于总水量的2%,因此将水量L设为一常数;又根据焓差法,即总水量热焓降
等于空气混合物热焓增,得
(10)LcpdT=GdH
根据麦克尔(Merkel)公式,式(10)可表示为
(11)dq=LcpdT=Ka(Hs-H)dV
(12)得=
Hs-HL
式(12)左边即为传递单元数公式:
(13)N=
Hs
-H
式(13)中的饱和空气热焓Hs与水温T的关系
即为图2中的平衡曲线。图2中的直线JK为
图1
对水进行能量衡算,可得
q=Lcp(T3-T2)+L1cp(T2-T1)(4)得由式(3)、
G(H2-H1)=Lcp(T3-T2)+L1cpT2
(4)(5)
图2
其中L=L1+L2
补偿蒸发损失而需要的补充水流量为
L1=G(h2-h1)
(6)
(6),:由式5)、(7) L1=Lcp(T3-T2)+L1cpT2
h2-h1
L1可由式(7)求得,亦可由式(7)、(4)求得:
操作线,由热平衡方程:
G(H2-H1)=Lcp(T3-T2)
即=cp
T3-T2G
得操作线上任一点处的H值:
H=H1+(T-T2)cpL