CN111043876B - 一种热水冷却的闭式冷却塔校核方法 - Google Patents

一种热水冷却的闭式冷却塔校核方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种热水冷却的闭式冷却塔校核方法，根据环境气象条件、冷却任务、现有塔型参数，冷却塔喷淋水量、风机风量等已有参数，利用传热学基本公式及椭圆管传热传质经验公式进行热力分析，计算热水出口温度，验证闭式冷却塔的冷却能力，指导闭式冷却塔的设计和优化。该校核方法包括热力学传热分析，还包括湿区部分的传质分析，除此之外，本发明对由椭圆管换热器组成的特殊闭式冷却塔提出了较为成熟的计算方法，为现有非常规闭式塔的生产提供成熟的闭式塔校核计算理论，验证闭式塔设计的合理性，提高换热效率，降低生产成本，节约运行费用。

Description

一种热水冷却的闭式冷却塔校核方法
技术领域
本发明校核计算方法适用于对已有闭式冷却塔的校核过程，属于冷却塔设计领域。
背景技术
闭式冷却塔具有良好的冷却效果，且冷却水与外界不直接接触，保证了冷却水的清洁性，具有广阔的市场前景。
但国内的闭式塔设计、校核方法尚不成熟，很多厂家只能跟据工程经验进行闭式塔设计、生产，缺少校核过程，也没有数据证明闭式塔能否满足冷却任务或是否可达到设计标准。
特别是对于椭圆管闭式冷却塔，更加缺乏成熟的校核计算过程。
传统的闭式塔热力分析侧重于传热计算。
实际传热过程中除传热计算外，管内热水的热量更多的是由喷淋水的汽化潜热传给空气，空气再将热量带走的，所以管外喷淋水和空气的传热传质分析也是闭式冷却塔热力分析的不可缺少的一部分。
但常规校核计算中往往缺少对传热分析与传质分析的综和考虑。
发明内容
为解决上述问题，本发明是对由椭圆管换热器组成的闭式冷却塔校核计算方法，利用能量守恒、传热传质基本公式和椭圆管传热传质经验公式，对管内流体为热水的闭式冷却塔进行热力分析，验证闭式冷却塔的冷却能力，指导闭式冷却塔的优化设计。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的设计方案来实现：一种热水冷却的闭式冷却塔校核方法，包括如下步骤：
S1：确定单塔冷却任务：单塔冷却循环水量Q（m3/h）、循环水进塔水温T1（℃），出塔水温T2（℃）；
S2：确定环境气象条件：环境大气压Pa(kPa)、环境空气干球温度θ(℃)、环境空气湿球温度τ(℃)，根据热力学计算公式，计算相对湿度φi、进塔空气含湿量xi、干球温度对应饱和蒸汽分压pθ、湿球温度对应饱和蒸汽分压pτ、进塔湿空气密度ρi、进塔空气焓值hi；
S3：确定盘管结构参数、塔型参数；
盘管结构参数包括：管型（椭圆管）、盘管外径、盘管壁厚、每流程盘管根数、单层盘管长度、排列方式、管心距、换热器长、换热器宽、换热器高；
塔型参数：塔长、塔宽、塔高；
S4：确定单塔风机风量Va，得到迎面风速，管间风速等值；
S5：假定喷淋水平均温度tw，计算对数平均温差△Tm；
S6：确定单塔喷淋水量Vw，计算布水密度vw；
S7：计算换热系数Ko’；
由以上确定的换热器结构和喷淋水量、风机风量，根据传热学基本公式分别计算椭圆管管外表面与喷淋水的换热系数ao，管内冷却水与壁面的对流换热系数ai，管壁导热热阻Rp，盘管内壁污垢热阻Ri，盘管外壁污垢热阻Rp，盘管总换热系数
Figure 204861DEST_PATH_IMAGE001
；
S8：计算传质系数；
根据喷淋水与空气之间的对流换热系数a’，得出传质系数km；
S9：计算湿区冷却面积；
根据水膜喷淋面积，得到湿区冷却面积；
S10：计算水膜面积冷却数Mw和传热单元数NTU；
根据盘管换热系数和传质系数计算水膜面积冷却数和传热单元数；
S11：校核喷淋水温；
根据水膜面积冷却数Mw和传热单元数NTU计算喷淋水温tw’；
S12：校核计算喷淋水温tw’与假设喷淋水平均温度tw，若计算喷淋水温不等于假设喷淋水温，则返回S5重新假设喷淋水温，直至两者两者相等；
S13：当S12条件满足后，计算热水出口温度T2’；
S14：比较计算热水出口温度T2’与设计出口温度T2；
若计算热水出口温度T2’小于等于设计出口温度T2且在一定误差范围内，则该设计风量、喷淋水量及换热盘管条可以满足冷却要求的，该塔设计合理；
若计算热水出口温度T2’大于设计出口温度T2且超出误差范围，则说明在该换热盘管条件下，选用此风机风量、喷淋水量不能达到冷却要求，该塔设计不合理；
S15：输出校核结果；
本发明的有益效果：本发明是对由椭圆管换热器组成的闭式冷却塔校核计算方法，利用能量守恒、传热传质基本公式和椭圆管传热传质经验公式，对管内流体为热水的闭式冷却塔进行热力分析，验证闭式冷却塔的冷却能力，指导闭式冷却塔的设计和优化；
为现有非常规闭式塔的生产提供成熟的闭式塔校核计算理论，验证闭式塔设计的合理性，提高换热效率，降低生产成本，节约运行费用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一种热水冷却的闭式冷却塔校核方法的流程示意图。
具体实施方式
S1：确定单塔冷却任务：单塔冷却循环水量Q（m3/h）、循环水进塔水温T1（℃），出塔水温T2（℃）；
S2：确定环境气象条件：环境大气压Pa(kPa)、环境空气干球温度θ(℃)、环境空气湿球温度τ(℃)，根据热力学计算公式，计算相对湿度φi、进塔空气含湿量xi，干球温度对应饱和蒸汽分压pθ，湿球温度对应饱和蒸汽分压pτ，进塔湿空气密度ρi,进塔空气焓值hi；
S3：确定盘管结构参数、塔型参数；
盘管结构参数包括：管型（椭圆管）、盘管外径、盘管壁厚、每流程盘管根数、单层盘管长度、排列方式、管心距、换热器长、换热器宽、换热器高；
塔型参数：塔长、塔宽、塔高；
S4：确定单塔风机风量Va，得到迎面风速，管间风速等值；
S5：假定喷淋水平均温度tw，计算对数平均温差△Tm；
S6：确定单塔喷淋水量Vw，计算布水密度vw；
S7：计算换热系数Ko’；
由以上确定的换热器结构和喷淋水量、风机风量，根据传热学基本公式分别计算椭圆管管外表面与喷淋水的换热系数ao，管内冷却水与壁面的对流换热系数ai，管壁导热热阻Rp，盘管内壁污垢热阻Ri，盘管外壁污垢热阻Rp，盘管总换热系数
Figure 59684DEST_PATH_IMAGE001
；
S8：计算传质系数；
根据喷淋水与空气之间的对流换热系数a’，得出传质系数km；
S9：计算湿区冷却面积；
根据水膜喷淋面积，得到湿区冷却面积；
S10：计算水膜面积冷却数Mw和传热单元数NTU；
根据盘管换热系数和传质系数计算水膜面积冷却数和传热单元数；
S11：校核喷淋水温；
根据水膜面积冷却数Mw和传热单元数NTU计算喷淋水温tw’；
S12：校核计算喷淋水温tw’与假设喷淋水平均温度tw，若计算喷淋水温不等于假设喷淋水温，则返回S5重新假设喷淋水温，直至两者两者相等；
S13：当S12条件满足后，计算热水出口温度T2’；
S14：比较计算热水出口温度T2’与设计出口温度T2；
若计算热水出口温度T2’小于等于设计出口温度T2且在一定误差范围内，则该设计风量、喷淋水量及换热盘管条可以满足冷却要求的，该塔设计合理；
若计算热水出口温度T2’大于设计出口温度T2且超出误差范围，则说明在该换热盘管条件下，选用此风机风量、喷淋水量不能达到冷却要求，该塔设计不合理；
S15：输出校核结果。
实施例1.
确定闭式塔工况：单塔冷却水流量Q=25m3/h，热水进口温度T1=42℃，出口温度T2=32℃，
确定气象条件：干球温度θ=31℃，湿球温度τ=27.5℃，大气压力Pa=101.325kPa，计算相对湿度φi0.765、进塔空气含湿量xi0.02182kg/kg(DA)，干球温度对应饱和蒸汽分压pθ4.49kPa，湿球温度对应饱和蒸汽分压pτ3.6698kPa，进塔湿空气密度ρi1.1487kg/m3,进塔空气焓值hi86.968kJ/kg。
确定盘管结构参数、塔型参数：材质：镀锌钢管，椭圆管规格：31.8×21.6×1.5mm，管长2.58m，每程管2层，每程41根，共10排，换热面积89.8m2，塔型参数：塔长2.794m，塔宽1.132m，塔高3.4m。
设计风机风量40000m3/h，计算迎面风速m/s，管间流速Ga=7.53m/s。
确定喷淋水量52m3/h，计算布水密度4.9kg/(m∙h)。
假设喷淋水平均温度为湿球温度27.5℃，计算该喷淋水温下物性参数。
计算换热系数Ko’；根据传热学基本公式分别计算椭圆管管外表面与喷淋水的换热系数ao2548w/(m²℃)，管内冷却水与壁面的对流换热系数ai1623.8w/(m²℃)，管壁导热热阻Rp0.00003049(m²℃)/w，忽略管壁污垢热阻，盘管总换热系数
Figure 42684DEST_PATH_IMAGE001
=1034.15w/(m²℃)。
计算湿区冷却面积；综合考虑盘管结构、喷淋水量估算湿区冷却面积为542m2。
计算传质系数；根据喷淋水与空气之间的对流换热系数a’=11603w/(m²℃)，得出传质系数km=0.3046kg/( m²•s)。
计算水膜面积冷却数Mw和传热单元数NTU；根据盘管换热系数计算计算传热单元数NTU=1.54，由传质系数计算水膜面积冷却数Mw=2.16。
校核喷淋水温；由Mw和NTU计算得喷淋水温tw’33.055℃，与假设喷淋水平均温度tw27.5℃不相等，重新假设喷淋水温，直至两者接近。两者相等时喷淋水温为30.299℃。
当tw=tw’时计算热水出口温度T2’为32.36℃，与要求出塔水温偏差0.36℃，在误差允许范围内，该塔设计合理，校核计算完成。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施。

Claims (2)

1.一种热水冷却的闭式冷却塔校核方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：确定单塔冷却任务：单塔冷却循环水量Q（m3/h）、循环水进塔水温T1，出塔水温T2；
S2：确定环境气象条件：环境大气压Pa(kPa)、环境空气干球温度θ(℃)、环境空气湿球温度τ(℃)，根据热力学计算公式，计算相对湿度φi、进塔空气含湿量xi，干球温度对应饱和蒸汽分压pθ，湿球温度对应饱和蒸汽分压pτ，进塔湿空气密度ρi,进塔空气焓值hi；
S3：确定盘管结构参数、塔型参数，盘管结构参数包括：椭圆管、盘管外径、盘管壁厚、每流程盘管根数、单层盘管长度、排列方式、管心距、换热器长、换热器宽、换热器高；塔型参数：塔长、塔宽、塔高；
S4：确定单塔风机风量Va，得到迎面风速，管间风速等值；
S5：假定喷淋水平均温度tw，计算对数平均温差△Tm；
S6：确定单塔喷淋水量Vw，计算布水密度vw；
S7：计算换热系数Ko’，由以上确定的换热器结构和喷淋水量、风机风量，根据传热学基本公式分别计算椭圆管管外表面与喷淋水的换热系数ao，管内冷却水与壁面的对流换热系数ai，管壁导热热阻Rp，盘管内壁污垢热阻Ri，盘管外壁污垢热阻Rp，盘管总换热系数
Figure 341305DEST_PATH_IMAGE001
；
S8：计算传质系数，根据喷淋水与空气之间的对流换热系数a’，得出传质系数km；
S9：计算湿区冷却面积，根据水膜喷淋面积，得到湿区冷却面积；
S10：计算水膜面积冷却数Mw和传热单元数NTU，根据盘管换热系数和传质系数计算水膜面积冷却数和传热单元数；
S11：校核喷淋水温，根据水膜面积冷却数Mw和传热单元数NTU计算喷淋水温tw’；
S12：校核计算喷淋水温tw’与假设喷淋水平均温度tw，若计算喷淋水温不等于假设喷淋水温，则返回S5重新假设喷淋水温，直至两者相等；
S13：当S12条件满足后，计算热水出口温度T2’；
S14：比较计算热水出口温度T2’与设计出口温度T2。若计算热水出口温度T2’小于等于设计出口温度T2且在一定误差范围内，则该设计风量、喷淋水量及换热盘管条可以满足冷却要求的，该塔设计合理；若计算热水出口温度T2’大于设计出口温度T2且超出误差范围，则说明在该换热盘管条件下，选用此风机风量、喷淋水量不能达到冷却要求，该塔设计不合理；
S15：输出校核结果。
2.根据权利要求1所述的一种热水冷却的闭式冷却塔校核方法，其特征在于：所述步骤S5-S12中假设喷淋水平均温度，计算传热系数、传质系数、湿区冷却面积，水膜面积冷却数Mw及传热单元数NTU的计算、校核喷淋水温度的计算、闭式塔热水出口温度的计算。
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