闭式冷却塔结构介绍及热力计算分析

黄莉萍，刘自力

(中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司,湖南长沙 410007)

前言

带闭式冷却塔的循环水系统是一种成熟的循环冷却水工艺系统，国内外带闭式冷却塔的循环水系统广泛应用于航天、电子、仪表、纺织、化工、钢铁等行业。闭式冷却塔又叫蒸发式冷凝器、蒸发冷却器等，它是集湿冷、空冷于一身，具有两种散热功能，冬季循环水介质经过换热盘管表面将热直接传给空气;其它季节换热盘管表面自循环喷水，循环介质将热由换热盘管传给其表面的喷淋的水层，喷淋的水层与空气接触，通过传热与蒸发将热量传给空气。

1 闭式冷却塔的结构及种类

闭式冷却塔结构如图1所示，一般由风机、换热盘管、自循环水泵、配水系统（喷淋水系统)、收水器、塔体结构、填料（有的塔没有填料）和闸阀等组成。循环冷却水在换热盘管内流动换热，与空气不接触，与污染源隔离，能保证循环冷却水的水质。

闭式冷却塔按有无填料可以分为两种：一种是塔内布置有淋水填料,另一种是塔内无淋水填料。按冷却塔的外壳材质可分为镀锌钢板闭式冷却塔、镀铝镁板闭式冷却塔、不锈钢闭式冷却塔、玻璃钢闭式冷却塔和混凝土闭式冷却塔。按换热盘管的材质可分为铜管闭式塔、不绣钢管闭式塔、碳钢管闭式塔、钛管闭式塔和铝管闭式塔。按风机的类型可分为抽风式闭式塔、鼓风式闭式塔。按水气的流动方式又可分为横流式闭式塔和逆流式闭式塔。

常用的无淋水填料的闭式塔的换热盘管和通风布置也有两种方式，一种是水气为逆流式，另一种是横流式。一般常常采用无填料抽风逆流式闭式塔，外界冷空气由进风栅进入闭式塔内，与淋水、换热盘管上的水膜进行传热传质，经过淋水装置和收水器由风机排出塔外；热水由换热盘管的入口进入将热量由换热盘管传给淋水和空气后从出口流出；塔内的淋水由自备水泵将水送入淋水装置，淋水装置将自循环的水喷洒在换热盘管上，经过与换热盘管的传热以及空气的传热传质后落入集水箱供自循环使用。集水箱安装有自动补水阀门，当自循环的集水箱因蒸发水位下降至某位置时，阀门开启自动补水。

图1 闭式冷却塔结构图

2 闭式冷却塔的热力分析计算

2.1 闭式冷却塔的热交换流程

闭式冷却塔热力计算的难点主要集中在换热盘管区域的热力计算。闭式冷却塔传热模式如图2所示。

图2 闭式冷却塔传热模式图

闭式冷却塔换热盘管的换热主要过程为：换热盘管中流体的热量对流换热到换热盘管圆管内壁，再导热传递到换热盘管圆管外壁。自循环喷淋水在换热盘管圆管外壁形成水膜，换热盘管圆管外壁热量经水膜传递到冷却塔内部的对流空气，并通过空气将热量带出。

2.2 闭式冷却塔的换热盘管热力计算

为推导逆流式闭式冷却塔换热盘管的总传热系数计算时需进行如下假定：

以水膜在整个换热器中为平均的水膜温度，并保持不变；

水膜的表面积近似等于盘管的表而积，盘管可视为薄壁管；

自循环水被平均地分布于不同的换热盘管管排上，每一根盘管的表面都存在水膜。

换热盘管的换热性能直接影响整个换热的工作效率，而总传热系数K是影响换热性能的重要参数，总传热系数由管内侧换热热阻、管壁和污垢换热热阻以及管外侧水膜换热热阻等串联组成，其大小直接影响闭式冷却塔盘管换热面积的选择。

（1）根据热平衡方程式计算换热盘管的换热量

式中：W——换热量，kW；

Q——盘管内的热水的流量，kg/s；

CW——水的比热，4.187 kJ/(kg·℃)；

t1——换热盘管出口水温，℃；

t2——换热盘管进口水温，℃。

（2）总传热系数

式中:k——总传热系数，W/(m2·℃)；

a0——换热盘管外壁与管外水膜之间传热系数，W/(m2·℃)；

r0——换热盘管外的水垢热阻力，(m2·℃)/W；

δ——换热盘管的的厚度，m；

λ——换热盘管的导热系数，W/(m2·℃)；

di、d0——分别为换热盘管圆管内径、圆管外径，m；

dm——换热盘管圆管平均直径，m ；

ri——换热盘管内的水垢热阻力，(m2·℃)/W；

ai——换热盘管内流体与管内壁之间传热系数，W/(m2·℃)。

（3）总传热系数的主要影响要素a0、a i的计算及r0、ri取值。

a）盘管内流体与管内壁之间传热系数ai

式中：Nuf——努谢尔数，Nuf=0.023Re0.8Prn；

大龄单身男女最怕被问的不是事业，而是婚姻；老人最惦记的不是自己，而是儿女啥时候结婚生娃。人与人之间应该有心理边界，父母过问儿女婚事要适度，尽量正面引导，否则不仅会破坏亲情，还可能起反作用，影响儿女理性选择。

V——水在管内的流速，m/s；

μ——流体的运动粘度，Pa.s；

ρ——水的密度，kg/m3；

b）盘管外壁与管外水膜之间传热系数a0

式中：twr——自循环喷淋水的平均温度，℃；

Γ——自循环喷淋水的密度，kg/m2·s。

c）盘管内外的水垢热阻力r0、ri

（4）计算换热盘管的换热面积

式中：F——换热盘管换热面积，m2；

B——水垢系数，汽水换热取0.9～0.85，水水换热取0.8～0.7；

Δtpj——对数平均温差，℃,

Δta、Δtb——盘管内外入口及出口处的最大、最小温度差值，℃。

利用式（5）初步得到闭式冷却塔的换热盘管换热面积。实际上在进行闭式冷却塔选型时，还要通过喷淋水水膜到空气的散质系数Km计算出的盘管换热面积进行修正得到最终的换热面积。喷淋水水膜到空气的散质系数Km其值与水膜的状态和厚度有关，也与自循环水量、风速、风量、盘管直径、盘管布置形式等参数有关，一般由生产厂家通过试验及经验获得。

3 某工程设计案例

某电厂辅机循环水系统采用带闭式冷却塔的循环水系统，盘管内循环水系统的补充水为除盐水，自循环喷淋水水水质为pH值：6.5～8.5；悬浮物（SS）：≤20 NTU；氯离子（Cl-）：平时 4 000～5 000 mg/L，最大到7 000 mg/L。

设计条件见表1。

表1 设计条件

利用式（1）计算W=QC(t2-t1)=2361 kW；利用式（2）K=885 W/(m2·℃)；利用式（5）得F=850.7 m2。经过修正得到最终的换热面积取值F=860 m2。

4 结论

通过闭式冷却塔换热盘管热交换理论分析，从数学上分析各热阻的影响要素，计算出闭式冷却塔换热盘管面积，同步考虑盘管生产厂家试验和经验，为闭式冷却塔的选型设计提供参考。