CN111043877B - 一种蒸汽冷凝用闭式冷却塔的设计方法 - Google Patents

一种蒸汽冷凝用闭式冷却塔的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种蒸汽冷凝用闭式冷却塔的设计方法，根据环境气象条件、冷凝要求，选择换热管规格，换热器结构根据生产实践经验设计：横向管心距、纵向管心距，每流程选用双层管结构，换热管倾斜设计等，根据能量守恒、传热学基本公式及圆管传热传质经验公式进行热力分析，考虑湿区传质过程，计算盘管传热系数、传质系数，确定换热器结构，得到闭式冷却塔所需配风量、喷淋水量，预测蒸汽冷凝出口温度、喷淋水平均温度及出塔空气温度、含湿量，喷淋水蒸发量、补水量等参数。本发明采用迭代计算思想，提高了设计过程准确性和规范性；结合换热器生产经验，使本设计方法更广泛的用于企业生产实践，提高设计效率，降低生产成本。

Description

一种蒸汽冷凝用闭式冷却塔的设计方法
技术领域
本发明设计方法适用于蒸汽冷凝用闭式冷却塔的设计计算，属于冷却塔设计领域。
背景技术
闭式冷却塔具做为一种新型的换热设备具有节水、节能、结构简单紧凑、安装维修简单等优点，比传统换热设备相比有更好的冷却效率，且冷却介质与外界不直接接触，保证了冷却介质的清洁性，在空调制冷、化学化工领域具有广阔的市场前景。但国内蒸汽冷凝用闭式塔设计方法目前发展还不成熟，厂家大多跟据工程经验进行估算，或者参考传统的设计方法进行设计，存在换热面积裕量大，耗材多，成本高、资源浪费等问题。
此外，传统的闭式冷却塔热力分析侧重于传热计算，但管内介质的热量依靠喷淋水的汽化潜热传给空气将热量带走，因此管外喷淋水和空气的传热传质计算也是闭式冷却塔热力分析中不可缺少的重要部分，然而在传统闭式冷却塔设计中湿区部分的传质分析是没有的。
发明内容
为解决上述问题，本发明对蒸汽冷凝用的闭式冷却塔设计方法进行优化，利用能量守恒、传热学基本公式及椭圆管传热传质经验公式，对管内流体为蒸汽的闭式冷却塔进行热力分析，设计换热器结构、计算所需喷淋水量、风机风量，通过校核计算预测冷凝水出口温度、喷淋水平均温度、出塔空气参数、喷淋水蒸发量、补水量等值，指导蒸汽冷凝用闭式冷却塔的优化设计。
计算过程如下：
S1：确定设计环境气象条件：环境气象条件包括：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；
S2：确定单塔冷却任务，计算热负荷：冷却任务包括：单塔冷却蒸汽流量Q（t/h）、蒸汽冷凝温度ts（℃），目标冷却温度T2（℃）；确定进出塔蒸汽或冷凝水的焓值，计算单塔冷却热负荷；
S3：确定换热盘管规格：根据生产经验确定换热管规格，包括盘管材质、管长、管径、壁厚、管心距、排列方式、每流程盘管根数等；
S4：假定喷淋水量Vw：根据1982年机械工业部制定的蒸发式冷凝器标准：最大配水量不超过0.043m3/1000kJ，假定喷淋水量Vw；
S5：假定配风量Va：根据1982年机械工业部制定的蒸发式冷凝器标准配风量小于45.3m3/1000kJ，假定风机风量Va；
S6：假定喷淋水平均温度tw，计算喷淋水平均温度下的物性参数；
S7：计算对数平均温差△Tm，基于被冷却介质及冷却介质的进出塔温度计算对数平均温差；
S8：初设换热系数，初估盘管换热面积，计算盘管流程：根据对数平均温差及初估换热系数计算初估换热面积Fo，计算盘管流程数；
S9：计算实际换热面积：确定盘管流程数后，根据盘管结构计算实际换热面积，换热盘管重量、总管长、换热器长度、宽度、高度等，继而得到塔型尺寸；
S10：假设管内流体温度tm，计算该温度下管内介质的物性参数；
S11：计算总传热系数：分别计算管内冷却介质与壁面的对流换热系数hi，管外表面与喷淋水的对流换热系数ho，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，计算盘管总换热系数
Figure 647222DEST_PATH_IMAGE001
；
S12：比较计算总换热系数与初估换热系数：若总换热系数大于初估换热系数，则继续计算；反之则返回S8，重新估算换热系数；
S13：计算湿区冷却面积：考虑湿区对闭式冷却塔的影响，估算湿区冷却面积；
S14：计算传质系数及水膜面积冷却数Mw和传热单元数NTU：计算喷淋水与空气的传质系数，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；
S15：计算管内流体温度t’m：根据能量守恒原理，计算盘管内流体温度t’m；
S16：比较计算的管内流体温度t’m与S10假设的管内流体温度tm是否相等：若假设的管内流体温度tm与计算的管内流体温度t’m不相等，则返回S10重新假设tm，直至两者相近；
S17：S16中计算管内流体温度于假设管内流体温度相等时，计算喷淋水温度t’w；
S18：比较计算喷淋水温度t’w与初设喷淋水平均温度tw：若两者不相等，则回到S6重新假设喷淋水平均温度，直至两者相近；
S19：比较S16中平衡的管内流体温度t’m与目标冷却温度T2，若t’m>T2未达到冷却要求，此时返回S4与S5增大喷淋水量与配风量。当Va增大至Vamax，Vw增大至Vwmax，仍无法达到冷却要求（t’m>T2），则需要返回S3重新调整盘管结构，重新计算；
S20：当计算管内流体温度t’m<T2达到冷却要求时，计算出塔空气参数、喷淋水蒸发量、补水量等值；
S21：设计结束。
本发明的有益效果：本发明的一种蒸汽冷凝用闭式冷却塔的设计方法，结合实际生产经验设计盘管结构，采用换热管倾斜双层交错排列方式，使换热器结构更为紧凑。并且该设计方法不仅包括换热器热力计算，也考虑到湿区喷淋水的传质过程，增加闭式塔的传质分析，增加闭式塔的设计严谨性与可靠性。并采用迭代计算思想，通过假设管内介质温度，喷淋水平均温度进行反复迭代，最终确定闭式冷却塔相关参数，预测管内出口温度、喷淋水及出塔空气参数等值。结合换热器生产经验，使本设计方法更广泛的用于企业生产实践，提高设计效率，降低生产成本。
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为本发明一种蒸汽冷凝用闭式冷却塔的设计方法的流程示意图。
具体实施方式
S1：确定设计环境气象条件：环境气象条件包括：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；
S2：确定单塔冷却任务，计算热负荷：冷却任务包括：单塔冷却蒸汽流量Q（t/h）、蒸汽冷凝温度ts（℃），目标冷却温度T2（℃）；确定进出塔蒸汽或冷凝水的焓值，计算单塔冷却热负荷；
S3：确定换热盘管规格：根据生产经验确定换热管规格，包括盘管材质、管长、管径、壁厚、管心距、排列方式、每流程盘管根数等；
S4：假定喷淋水量Vw：根据1982年机械工业部制定的蒸发式冷凝器标准：最大配水量不超过0.043m3/1000kJ，假定喷淋水量Vw；
S5：假定配风量Va：根据1982年机械工业部制定的蒸发式冷凝器标准配风量小于45.3m3/1000kJ，假定风机风量Va；
S6：假定喷淋水平均温度tw，计算喷淋水平均温度下的物性参数；
S7：计算对数平均温差△Tm，基于被冷却介质及冷却介质的进出塔温度计算对数平均温差；
S8：初设换热系数，初估盘管换热面积，计算盘管流程：根据对数平均温差及初估换热系数计算初估换热面积Fo，计算盘管流程数；
S9：计算实际换热面积：确定盘管流程数后，根据盘管结构计算实际换热面积，换热盘管重量、总管长、换热器长度、宽度、高度等，继而得到塔型尺寸；
S10：假设管内流体温度tm，计算该温度下管内介质的物性参数；
S11：计算总传热系数：分别计算管内冷却介质与壁面的对流换热系数hi，管外表面与喷淋水的对流换热系数ho，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，计算盘管总换热系数
Figure 914256DEST_PATH_IMAGE002
；
S12：比较计算总换热系数与初估换热系数：若总换热系数大于初估换热系数，则继续计算；反之则返回S8，重新估算换热系数；
S13：计算湿区冷却面积：考虑湿区对闭式冷却塔的影响，估算湿区冷却面积；
S14：计算传质系数及水膜面积冷却数Mw和传热单元数NTU：计算喷淋水与空气的传质系数，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；
S15：计算管内流体温度t’m：根据能量守恒原理，计算盘管内流体温度t’m；
S16：比较计算的管内流体温度t’m与S10假设的管内流体温度tm是否相等：若假设的管内流体温度tm与计算的管内流体温度t’m不相等，则返回S10重新假设tm，直至两者相近；
S17：S16中计算管内流体温度于假设管内流体温度相等时，计算喷淋水温度t’w；
S18：比较计算喷淋水温度t’w与初设喷淋水平均温度tw：若两者不相等，则回到S6重新假设喷淋水平均温度，直至两者相近；
S19：比较S16中平衡的管内流体温度t’m与目标冷却温度T2，若t’m>T2未达到冷却要求，此时返回S4与S5增大喷淋水量与配风量。当Va增大至Vamax，Vw增大至Vwmax，仍无法达到冷却要求（t’m>T2），则需要返回S3重新调整盘管结构，重新计算；
S20：当计算管内流体温度t’m<T2达到冷却要求时，计算出塔空气参数、喷淋水蒸发量、补水量等值；
S21：结束。
下面结合具体实施工况对本发明的蒸汽冷凝用闭式冷却塔设计方法作进一步说明。
实施例1.
设计工况：设计环境气象条件：环境大气压99.4PakPa、环境空气干球温度31.5℃、环境空气湿球温度28℃；单塔冷却蒸汽流量3t/h、蒸汽冷凝温度60.05℃，目标冷却温度40℃。
具体设计步骤如下：
设计环境气象条件下计算进塔空气相对湿度0.768，进塔空气含湿量0.023kg/kg(干空气)，干球温度对应饱和蒸汽分压4.62kPa，湿球温度对应饱和蒸汽分压3.778kPa，进塔湿空气密度1.124kg/m3，进塔空气焓值90.556kJ/kg；
单塔冷却蒸汽流量3t/h、蒸汽冷凝温度60.05℃，目标冷却温度40℃；确定进塔蒸汽比焓2608kJ/kg，目标冷却温度下的饱和水比焓167.54kJ/kg，计算单塔冷却热负荷2034.493kW；
确定换热盘管规格：选择企业较为多用的碳钢管、盘管外径25mm，壁厚1mm，采用单层管长2.5m盘管，交错排列，每流程双层管，每列管心距54mm，每流程间距94mm，每流程192根数盘管；
假定喷淋水量86m3/h，配风量100000m3/h；
假定喷淋水平均温度tw为30℃，此温度下喷淋水密度为995kg/m3，动力粘度0.0007Pa∙s；计算对数平均温差△Tm为14.008℃；
初设换热系数700w/m²℃，此时初估换热面积207.47m2，计算盘管流程数5.6程，取6程。该盘管结构下的盘管换热面积为226.19m2。换热器高1.28m，盘管总长2880m，总重1705kg。塔长*塔宽*塔高5.238*2.6*3.282m；
假设管内流体温度tm50℃，计算管内冷却介质与壁面的对流换热系数hi1608.35W/(m∙℃)，管外表面与喷淋水的对流换热系数ho1356.0W/(m∙℃)，管壁导热热阻Rp0.0000385(m∙℃)/W，忽略污垢热阻，计算盘管总换热系数
Figure 175473DEST_PATH_IMAGE002
=688.826W/(m∙℃)；
计算总换热系数688.826W/(m∙℃)小于初估换热系数700W/(m∙℃)返回S8，重新估算换热系数为600W/(m∙℃)。设计盘管流程为8程，换热器高1.708m，总重2272.8kg，总长3840m，塔长*塔宽*塔高5.238*2.6*3.709m；
计算湿区冷却面积265.553m2，计算传质系数0.194kg/( m²•s•Δd)水膜面积冷却数3.456和传热单元数1.25；
计算管内流体温度t’m38.237℃与假设的管内流体温度tm50℃不相近，返回S10重新假设tm，两者相近时t’m42.365℃；进而计算喷淋水温度t’w38.251℃，与初设喷淋水平均温度tw29℃不相等，返回S6重新假设喷淋水平均温度，最终得喷淋水平均温度为37.142℃；
此时的管内流体温度t’m大于目标冷却温度T240℃，返回S4与S5增大喷淋水量与配风量。经数次重新假设并迭代计算后，达到冷却要求时的喷淋水量为100m3/h，配风量为173000m3/h。此时的喷淋水平均温度为30.782℃，管内冷却流体温度为40.035℃，在允许误差范围。出塔空气温度为34.6℃，喷淋水蒸发量为2.605m3/h，补水量为2.879m3/h，输出计算结果。
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 (1)

1.一种蒸汽冷凝用闭式冷却塔的设计方法，其特征在于：
结合实际企业实际生产经验设计盘管结构，采用换热管倾斜双层交错排列方式，使换热器结构更为紧凑；
不仅包括换热器热力计算，也考虑到湿区喷淋水的传质过程，增加闭式塔的传质分析，增加闭式塔的设计严谨性与可靠性；
采用迭代计算思想，通过假设管内介质温度，喷淋水平均温度进行反复迭代，最终确定闭式冷却塔相关参数，预测管内出口温度、喷淋水及出塔空气参数等值；
计算过程如下：
S1：确定设计环境气象条件：环境气象条件包括：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；
S2：确定单塔冷却任务，计算热负荷：冷却任务包括：单塔冷却蒸汽流量Q（t/h）、蒸汽冷凝温度ts（℃），目标冷却温度T2（℃）；确定进出塔蒸汽或冷凝水的焓值，计算单塔冷却热负荷；
S3：确定换热盘管规格：根据生产经验确定换热管规格，包括盘管材质、管长、管径、壁厚、管心距、排列方式、每流程盘管根数等；
S4：假定喷淋水量Vw：根据1982年机械工业部制定的蒸发式冷凝器标准：最大配水量不超过0.043m3/1000kJ，假定喷淋水量Vw；
S5：假定配风量Va：根据1982年机械工业部制定的蒸发式冷凝器标准配风量小于45.3m3/1000kJ，假定风机风量Va；
S6：假定喷淋水平均温度tw，计算喷淋水平均温度下的物性参数；
S7：计算对数平均温差△Tm，基于被冷却介质及冷却介质的进出塔温度计算对数平均温差；
S8：初设换热系数，初估盘管换热面积，计算盘管流程：根据对数平均温差及初估换热系数计算初估换热面积Fo，计算盘管流程数；
S9：计算实际换热面积：确定盘管流程数后，根据盘管结构计算实际换热面积，换热盘管重量、总管长、换热器长度、宽度、高度等，继而得到塔型尺寸；
S10：假设管内流体温度tm，计算该温度下管内介质的物性参数；
S11：计算总传热系数：分别计算管内冷却介质与壁面的对流换热系数hi，管外表面与喷淋水的对流换热系数ho，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，计算盘管总换热系数
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
S12：比较计算总换热系数与初估换热系数：若总换热系数大于初估换热系数，则继续计算；反之则返回S8，重新估算换热系数；
S13：计算湿区冷却面积：考虑湿区对闭式冷却塔的影响，估算湿区冷却面积；
S14：计算传质系数及水膜面积冷却数Mw和传热单元数NTU：计算喷淋水与空气的传质系数，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；
S15：计算管内流体温度t’m：根据能量守恒原理，计算盘管内流体温度t’m；
S16：比较计算的管内流体温度t’m与S10假设的管内流体温度tm是否相等：若假设的管内流体温度tm与计算的管内流体温度t’m不相等，则返回S10重新假设tm，直至两者相近；
S17：S16中计算管内流体温度于假设管内流体温度相等时，计算喷淋水温度t’w；
S18：比较计算喷淋水温度t’w与初设喷淋水平均温度tw：若两者不相等，则回到S6重新假设喷淋水平均温度，直至两者相近；
S19：比较S16中平衡的管内流体温度t’m与目标冷却温度T2；
若t’m>T2未达到冷却要求，此时返回S4与S5增大喷淋水量与配风量；
当Va增大至Vamax，Vw增大至Vwmax，仍无法达到冷却要求（t’m>T2），则需要返回S3重新调整盘管结构，重新计算；
S20：当计算管内流体温度t’m<T2达到冷却要求时，计算出塔空气参数、喷淋水蒸发量、补水量等值；
S21：结束。
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