盘管与填料复合型横流式冷却塔的结构设计与性能分析

摘要

随着我国经济的快速发展，环境与能源矛盾日益突出，社会各行各业都对节能减排，降低能耗标准提出了新的要求。我国水资源分布现状为南北分布不均，人均水量低，工业用水量大，由于前期工业的迅速发展，这些问题逐步彰显出来。 以前工业设备采用水冷时，冷却水吸热后温度升高，然后直接排到河流中。这样处理不仅使得大量水白白流失，而且对河流造成了水的污染。随后冷却塔的出现在一定程度解决了冷却水的直接排放问题，冷却塔是利用周围空气的不饱和性。水表面的空气与水接触时，水表面存在着一层饱和空气层，该层水蒸汽分压力相对于周围空气的水蒸气分压力大，由于分压力差的存在，使得饱和空气层中的水分子不断的跃出进入到周围空气层中，该过程也就是平时所说的蒸发过程。空气与水的接触蒸发过程机理较复杂，是传热与传质的耦合，其蒸发过程的推动力为饱和空气层和周围空气的焓值之差。空气与水的蒸发冷却过程，水的降温幅度并不是无限制的，降温极限温度为周围空气的湿球温度。 目前，冷却塔不仅仅应用工业生产，在民用空调，冶金，纺织等应用也很普遍。在其结构、材质、工艺等方面发展十分迅速，市场产品各种各样，能够满足各种工艺要求。如玻璃纤维增强塑料冷却塔系列，最近流行的家用空调扇，闭式冷却塔在过渡季节或冬季直接用于房间的免费供冷系统等。冷却塔分类根据结构和空气与水的流动形式，主要有开式与闭式，横流式与逆流式，自然通风与机械通风之分。开式冷却塔应用时间较早，其工艺用水直接与空气接触，传热传质效率较闭式高，但易造成工艺冷却水污染，进而影响到工艺设备内部结垢等问题，闭式冷却塔工艺用水不直接与周围空气相接处，避免了污染问题，但是其有换热效率低，金属盘管用量大，造价高等缺点。横流式冷却塔喷淋水与空气呈交错流动，相对于逆流式而言，其传热传质效率较低，但流动阻力小，冷却水量大。 填料与盘管复合型冷却塔充分利用了填料大比面积换热充分的优点，使喷淋水在高度方向上的温度适当的降低，增加管内外的换热温差，在冷却负荷一定下，节省了盘管面积。另外，喷淋水温度的降低也使得水在盘管外表面结垢的可能性降低，增加了换热系数，使得冷却塔的运行于维修更加方便。 本课题基于常用盘管区和填料区的换热模型，采用热流密度法进行求解相关参数。式中的参数一般根据经验数据直接采用，然后利用公式进行求解得出了横流式填料与盘管复合型冷却塔的结构及性能参数。计算中喷淋水的喷淋密度采用的是单位面积喷淋密度其范围为15～20m3/(m2·h)，管内冷却水的流速综合考虑到换热与阻力性能，一般采用技术经济流速为1.5～2.5m/s，进风空气的流速V=2.5m/s。设计条件选为标准工况下，大气压为9.94×104pa，干球温度为31.5℃，湿球温度为28℃。冷却塔需冷却水量为100m3/h，塔进水温度为37℃，冷却水出水温度为32℃，据此可以得出该冷却塔的冷却负荷，然后对盘管区和填料区进行计算，得出相应的热流密度，传热传质系数，进而算出了填料容积和盘管容积，盘管高度及盘管节省量和填料区喷淋水的温降变化。计算出了冷却塔的断面尺寸和盘管区的管排数和每层管程数。最后通过计算结果，说明了不可能用无限制增大填料容积来减小盘管容积。一般情况下，通过合理设计，填料与盘管复合型横流式冷却塔较全盘管闭式冷却塔，盘管可以节省50％左右。 然后，对该塔的性能参数进行了分析，分析了风速和喷淋密度，管内冷却水的流速对换热效果的影响。盘管区空气侧空气流速的增大使得传热加强，填料区随着喷淋水密度的增大，在计算范围内填料的容积散质系数增大;填料区随着空气流速逐渐增大，填料容积散质系数增大，它们之间近似呈线性关系。最后分析了风速对盘管区阻力的影响，风速越大，塔内阻力也越大，风机能耗随之增加，这与风速增大换热加强存在对立关系，所以要跟据实际情况，选择较经济合理风速。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 冷却塔的分类

1．2．1 开式冷却塔和闭式冷却塔

1．2．2 逆流式冷却塔与横流式冷却塔

1．2．3 自然通风、机械通风与混合通风冷却塔

1．2．4 干式、湿式冷却塔和干／湿式冷却塔

1．2．5 全盘管和复合型冷却塔

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国外冷却塔的研究发展状况

1．3．2 国内冷却塔的研究发展状况

1．4 本课题的研究内容

1．5 本章小结

第2章 盘管与填料复合型横流式冷却塔的机理分析

2．1 水的蒸发冷却原理

2．1．1 接触传热

2．1．2 蒸发传热

2．1．3 水的冷却原理

2．2 盘管与填料复合型冷却塔填料热力特性分析

2．2．1 复合型冷却塔的结构

2．2．2 填料的种类

2．2．3 影响填料散热系数的因素

2．3 盘管与填料复合型冷却塔盘管热力特性分析

2．3．1 盘管简介

2．3．2 盘管的几种布置形式

2．4 本章小结

第3章 复合塔中盘管与填料的热质交换数学模型

3．1 填料区传热传质模型的建立

3．1．1 理论分析及假设条件

3．1．2 二维模型简介

3．2 盘管区传热传质模型

3．2．1 热力分析及假设条件

3．2．2 盘管区换热模型简介

3．3 热力方程中参数的确定

3．3．1 填料中水与空气的容积系数

3．3．2 传热系数K

3．3．3 管外喷淋水与空气的传质系数βxy

3．4 本章小结

第四章 冷却塔的结构设计及性能分析

4．1 标准工况下相关计算参数的确定

4．1．1 塔外空气参数

4．1．2 喷淋密度、空气流量、冷却水流速的确定

4．1．3 气水比

4．2 盘管几何尺寸的计算

4．2．1 热流密度法

4．2．2 标准状况下的盘管计算尺寸

4．3 填料与盘管几何尺寸的计算

4．4 性能分析

4．4．1 盘管区空气流速对空气侧传热系数的影响

4．4．2 填料区空气流速容积散质系数的影响

4．4．3 喷淋密度对填料区散质性能的影响

4．5 空气流速对盘管阻力的影响

4．6 水量损失

4．7 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况