湿式逆流冷却塔热力计算的方法
湿式逆流冷却塔的热力计算方法主要有两种,一是三变量法,即基于水温、空气温度和水蒸气分压力;二是两变量法,即基于水温和空气的焓,该法应用最为普遍。
一、三变量法
在三变量法中,主要根据水与空气之间热交换的基本原理,将湿式逆流冷却塔内水温的变化关系采用以下二步进行计算:
①温度较高的待冷却水通过接触传热传给空气热量(dQc),将使微元体积(dV)空气干球温度(t)升高。
②温度较高的待冷却水通过蒸发传热过程,使微元体积(dV)空气内水蒸气分压力因水的蒸发而增加。
冷却塔的基本方程,可以区分出冷却塔在空气流量高于、低于水泵理论流量时的差别,并能进行沿整个塔高的有关参数的计算,是比较完整的理论计算方法;但该方法十分复杂,也非十分精确,故南方水泵厂家较少采用。
二、焓差法
1、基本方程
以湿式逆流冷却塔(图1)某一微断(dz)进行分析。在塔高z处的微元体积(dV)内,假定水通过蒸发传热和接触传热过程将热量传向空气,即总传热量为蒸发传热量和接触传热量之和。
图1:逆流冷却塔的工作参数
方程的左边含有具体的冷却塔数据,如冷却塔水和空气的流量、填料的体积及其容积传质系数等,南方水泵股份有限公司对其进行计算可得在既定冷却塔结构和工作条件下冷却塔所能提供的冷却能力,此称冷却塔的特性数;反之,对方程的右边进行计算可得水冷却的具体任务(或要求),此称冷却塔的冷却数。冷却塔的设计即在于使冷却塔的特性数和冷却数相等。
2、求解方法
AC线表示冷却塔水-空气界面上空气的饱和焓值的整个变化过程,相当于方程中的i项,故以水温T2和H来画,与空气温度无直接关系。PQ线即操作线,表示方程中的i项在填料中的变化过程,P点焓值由空气进入填料底部时的焓(D定出,该点温度为T2,即填料底部的水温;Q点焓值由空气流出填料顶部时的焓(i2)定出,该点温度为T1,即填料顶部的水温。
图2:计算所需的空气饱雜线与操作线
操作线中的PQ两点与温度的关系可由方程对整个填料高度积分获得。
3、填料的热力和阻力特性
冷却过程在冷却塔的填料中完成,填料应满足以下要求:(1)在填料层内能使为完成冷却所需的空气流量带走为冷却所需的蒸汽流量,该要求由填料的容积传质系数表征,其单位为kg(蒸汽)/m3(填料).h.kg(干空气);(2)当冷却所需的空气通过填料塔时,其阻力应不超过所允许的压力损失(即通风装置的总风压扣除冷却塔内其他压力损失后的剩余压力),该要求由填料的阻力系数表征。填料的热力和阻力特性反映它满足这两个要求的具体性能。
冷却塔内结构、南方水泵参数、进水水温及气象条件均对容积传质系数产生一定的影响,故容积传质系数的经验公式只能在冷却塔的整个构型和运行条件接近,空气流量密度和淋水密度变化不大的情况下,才具有K为常数的意义。
4、气水比
气水比(R)是指冷却塔中冷却每公斤热水达到预定温度所需的空气的公斤数,即R=G/L。由方程(2.22)可见,气水比的倒数(1/R)代表计算时所需的操作线的斜率,故采用不同的气水比,可得到不同斜率的操作线;但所有操作线的起点是个固定点,该点取决于当地的湿球温度和给定的湿球温差。
有4条操作线,其中Q„点与饱和线的C电重合,其斜率(1/R)最大,即空气流量(G)最小,出塔空气的温度等于进塔水温,其焓值也达到该温度的饱和值,此情况代表空气吸收热量的能力被100%利用,该气水比被称为理论气水比,以Rt表示。另一方面,对于操作线,应用前述的求解方法可以计算所需的冷却数,进而得到所需的特性数,将得到最大的填料体积(V),由于V太大,故理论气水比只是理论上的极限值,在实际设计中南方水泵厂一般不采用。对于操作线PQ。,其斜率(1/R)最小,即空气流量(G)为无穷大,对应填料体积(V)为零,该气水比实际也不存在。
在实际设计中,操作线介于PQn和PQ。之间,即气水比介于上述两个极端数值之间,可根据冷却塔的热力特性曲线进行计算和确定。在冷却任务(对应某个冷却数N)确定的情况下,采用选定填料的冷却塔的特性数(N’)也必然要与该冷却数相等,据此原理,N和N’对R曲线的交点即为应取的设计气水比(Rd)。对于N和N’对R曲线,可通过事先假设不同的气水比,采用前述方法计算相应的N和N’,并绘制于同一张图上,两曲线的交点D即为设计气水比。如不进行上述准确计算,设计气水比也可根据冷却水温差和肯富来水泵参数结合,采用表1中所示的经验值加以选取,所需气水比一般随冷却水温差的增加而增大。