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密閉式冷卻塔密閉式冷卻塔源于工業(yè)用的蒸發(fā)冷卻器，而實際上仍是一種將水冷卻式冷卻器和常規(guī)冷卻塔的性能相結(jié)合的熱交換器。冷卻60℃~80℃的流體時，采用蒸發(fā)冷卻器比空冷式熱交換器有利[1]，因為它利用了管外側(cè)水的蒸發(fā)潛熱，具有比空冷式熱交換器傳熱面積少的優(yōu)點，只有管外壁容易結(jié)垢而影響冷卻效果的問題，一直困擾著它的應(yīng)用。但對被冷卻工質(zhì)在50℃以下的情況來說，結(jié)垢問題并不嚴(yán)重[2]，這對于要求被冷卻介質(zhì)潔凈或空氣污染嚴(yán)重的場合來說，密閉式冷卻塔成了必須且合適的選擇。隨著環(huán)保、節(jié)能要求的日益迫切和各種換熱設(shè)備的小型化發(fā)展，對密閉式冷卻塔的需求也日益增加。蒸發(fā)冷卻器的設(shè)計，國內(nèi)外研究已較多[1-4]，但按常規(guī)的設(shè)計方法，所需的盤管換熱面積較大、塔體笨重、造價昂貴，有待改進(jìn)，本文就有關(guān)設(shè)計的優(yōu)化問題進(jìn)行討論。
1優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)
在密閉式冷卻塔中，熱量從管內(nèi)的工藝流體經(jīng)管壁傳給管外流動的水，再從水傳給空氣，而水向空氣的傳熱，是由水蒸發(fā)的潛熱傳熱和水與空氣的顯熱交換組成的。對盤管段微元高度dz來說，噴淋水熱量的得失GwCwdtw等于管內(nèi)工藝流體失去的熱量GfCfdtf與空氣得到的熱量Gadi之差。除了被冷卻工質(zhì)的進(jìn)出口溫度和流量及大氣干濕球溫度、大氣壓等設(shè)計參數(shù)外，風(fēng)量、噴淋水量、淋水密度、噴淋水水溫、盤管的尺寸和內(nèi)外形狀及布置形式，管程數(shù)（管內(nèi)流）、空氣和工藝流體及噴淋水三者間的流向關(guān)系等對塔的設(shè)計都有影響，而且在某些結(jié)構(gòu)形式中，不少因素是相互制約的，如逆流塔（噴淋水和空氣流向相反，盤管簇水平放置且工藝水下進(jìn)上出），塔內(nèi)風(fēng)速與淋水密度就是相互關(guān)聯(lián)的。設(shè)計優(yōu)化的目標(biāo)在于確定當(dāng)工藝流體所需釋放的熱量全部被空氣帶走時，恰好讓出塔的空氣達(dá)到飽和，而因此所花的代價(將制造成本與運行成本綜合考慮)最低。
2圍繞盤管的優(yōu)化
對圓光管來說，Kfw與管內(nèi)流體界膜導(dǎo)熱系數(shù)αi、管外噴淋水界膜導(dǎo)熱系數(shù)αo、管內(nèi)外壁污垢熱阻rI和ro、管材導(dǎo)熱系數(shù)λ及管子內(nèi)、外直徑dI和do有關(guān)，以管外表面為基準(zhǔn)。且以工藝流體進(jìn)出口平均溫度tf為定性溫度，而εt=（μf/μpw）0.25為大溫差下管內(nèi)液體被冷卻時的溫度修正系數(shù)，μf和μpw分別為以流體平均溫度和壁面平均溫度為定性溫度時的流體動力黏度。αo與管簇布置形式有關(guān)，各文獻(xiàn)的經(jīng)驗公式和使用范圍有所差異，對水平光管簇的盤管形式，若單位寬度上的噴淋水量為Γ（kg/m·s），當(dāng)Γ/do為0.194kg/m2·s～0.556kg/m2·s及do為0.0127m～0.04m時,αo=2.1×103×（Γ/do）1/3[1]；當(dāng)Γ/do為1.389kg/m2·s～3.056kg/m2·s及最小截面處濕空氣的質(zhì)量速度Vmax為0.694kg/m2·s～5.278kg/m2·s時，αo=9.8×102×（1+0.016tf）(Γ/do)1/3[4]。
對水平放置的光管簇，Kwa在不同的文獻(xiàn)上也給出了不同的經(jīng)驗公式。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，在空氣雷諾數(shù)Rea=do.Ga/μa為1.2×103～1.4×104，噴淋水雷諾數(shù)Rew=4Γ/μw為50～240，管徑do為0.0127m～0.04m，管間距p與管徑do之比為1.5～3.0條件下：
Kwa=4.457×10-4(Gaμa)0.9(Γμw)0.15do-0.7P(5)式中,μa和μw分別為空氣和噴淋水的黏度(kg/m·s)。在Vmax為0.694kg/m2·s～5.278kg/m2·s和Γ/do為1.389kg/m2.s～5.278kg/m2.s范圍內(nèi)，1/Kwa=20.4Vmax-0.905+8.5985×10-5di*dtw(6)根據(jù)式(4)和式(5)或式(6)，理論上可有幾種優(yōu)化方式:
1）采用內(nèi)螺紋管，強(qiáng)化管內(nèi)流體的界膜導(dǎo)熱系數(shù)αi[5]，這一研究主要集中在有相變的水平管內(nèi)流動，即蒸發(fā)器或冷凝器的優(yōu)化中，而在密閉式冷卻塔的實際應(yīng)用中還不多見。
2）采用復(fù)合翅片管，強(qiáng)化管外噴淋水的界膜導(dǎo)熱系數(shù)αo[6]。這一方案應(yīng)用于密閉式冷卻塔的理論計算已不成問題，結(jié)果表明在管排數(shù)、塔體高度和塔重等方面比采用光管的密閉塔有較明顯的減少，這是因為一般情況下，管外側(cè)界膜熱阻相對較大，強(qiáng)化它比較有效，但這時所需的噴淋水量
也較大。
3）改圓管為橢圓管，長軸與氣流方向及噴淋水方向一致，這一方案在密閉式冷卻塔中已有實際應(yīng)用，且同時影響Kfm和Kwa，但對其機(jī)理有待進(jìn)一步研究。
4）適當(dāng)提高管內(nèi)流速，對αi的增大有明顯的效果，但流動阻力的增大也較明顯。
5）采用直徑較小的管子，對αi和αo的強(qiáng)化及管金屬熱阻的減小都有好處，Kwa的增大則更明顯，但管內(nèi)流體流動阻力和管外空氣流動阻力也會有所增大。
對以上1）點～3）點，由于強(qiáng)化管的成本比光管高，這些方案實施的可行性取決于因強(qiáng)化而節(jié)省成本，是否大于強(qiáng)化管本身成本的升高，另外還需注意以下問題：
①關(guān)于管子熱阻。理論上采用管材導(dǎo)熱系數(shù)大的金屬，有利于導(dǎo)熱，但與其他熱阻相比，一般情況下此項僅是其他單項熱阻的1/5～1/20，而鋁合金、銅管與鍍鋅鋼管的λ比約為2:1～6:1，因此在一般密閉式冷卻塔中，選擇鍍鋅鋼管將大大降低成本，且有利于提高盤管的強(qiáng)度和剛度，而冷卻塔性能卻不會受到很大影響。
②關(guān)于污垢熱阻。結(jié)垢是影響密閉式冷卻塔性能的一大頑癥，其危害性比我們想象的要厲害得多。如果指望有一定的防垢措施而在設(shè)計中取小rI或ro將是危險的，尤其在那些水質(zhì)硬度較大的地區(qū)。對工藝流體溫度較高的冷卻塔，設(shè)計中取0.00022m2·oC/W的污垢系數(shù)較安全，對工藝流體溫度較低的冷卻塔，設(shè)計中可取0.00017m2·oC/W左右。對除垢問題，較經(jīng)濟(jì)的做法還是定期清洗。
③風(fēng)量與淋水密度的選取要與管內(nèi)工藝流體到噴淋水的傳熱性能相匹配，增大風(fēng)量和淋水密度會提高Kwa，但將使設(shè)備和運行成本提高，是不經(jīng)濟(jì)的。
3用預(yù)冷卻技術(shù)優(yōu)化設(shè)計
過去對密閉式冷卻塔的設(shè)計，都建立在twi=two的邊界條件上，即由于噴淋水是循環(huán)的，所以盤管區(qū)入口的噴淋水溫度twi等于盤管區(qū)出口處的噴淋水溫度two。鑒于噴淋水的溫度對傳熱面積數(shù)有很大的影響，在噴淋水循環(huán)過程中加入一個噴淋水的預(yù)冷卻過程，將大大減少盤管長度。雖然預(yù)冷卻過程增加了一些填料，風(fēng)量也會增大，但總的成本將有所降低。對工藝流體溫度較高的冷卻塔來說，這是一個有前途的優(yōu)化措施。國內(nèi)外也有了若干基于這一原理的各種塔型，其中一些已取得中國實用新型獨特[7]。
舉一實例對比如下：
設(shè)計條件：大氣壓力P=100391.46Pa(753mmHg)，空氣干球溫度θ=31.5oC，空氣濕球溫度τ=28oC，處理水量Q=150t/h，工藝水進(jìn)塔水溫T1=37oC，出塔水溫T2=32oC。但采用這一技術(shù)需要注意以下幾個問題：
（1）如果盤管區(qū)與填料區(qū)相并聯(lián)并且共用一個風(fēng)機(jī)，風(fēng)量匹配是個難點。
（2）果盤管區(qū)與填料區(qū)相串聯(lián)，兩者冷卻性能將相互影響，尋找一個最佳的結(jié)合點是關(guān)鍵。
（3）如果密閉塔的工藝流體溫度較低，噴淋水的溫度也不會高，對填料區(qū)來說，由于冷幅較小，會使所需填料體積很大，往往得不償失，所以不適合采用預(yù)冷卻。
4結(jié)論
根據(jù)以上分析和實踐經(jīng)驗，圍繞優(yōu)化目標(biāo)，得到以下結(jié)論：
1）密閉式冷卻塔的優(yōu)化應(yīng)側(cè)重于管外側(cè)強(qiáng)化傳熱。適當(dāng)增大管內(nèi)流速和采用小管徑，是現(xiàn)實和有效的強(qiáng)化措施。優(yōu)化應(yīng)放在管徑與塔的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系上。
2）對一般的密閉式冷卻塔來說，應(yīng)盡量選用鍍鋅鋼管以降低設(shè)備成本。
3）采用預(yù)冷卻技術(shù)是優(yōu)化密閉式冷卻塔的有效手段，但不適合應(yīng)用于工藝流體溫度較低的情況。
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