机械通风冷却塔冷凝节水消雾特性的耦合研究

李 森 杨玉杰 刘忠超 赵元宾

(1.国能宝清煤电化有限公司,黑龙江 双鸭山 155600;2.山东大学能源与动力工程学院,山东 济南 250061;3.济南蓝辰能源技术有限公司,山东 济南 250101)

0 引言

冷却塔广泛用于冶金、电力、化工等领域工业用水的冷却[1-2]。在以传热传质形式将热量释放至环境过程中,出塔湿空气遇冷凝结形成可沉降雾羽,即造成大量的循环水损失,还对周围环境产生不利影响[3-5],因此,冷却塔消雾节水研究成为近年来的研究热点。

目前,冷却塔消雾节水方式主要有干湿联合消雾和冷凝消雾2种。其中,干湿联合消雾节水冷却塔,在冷却塔顶部增加翅片管换热器或者在冷却塔填料上部侧面增加翅片管换热器[6-7]。通过干区散热,减少水蒸发,达到节水消雾的目的[8]。陈铁峰等[9]与胡少华等[10]综合评价了干湿联合冷却消雾冷却塔的消雾节水性能、冷却性能。干湿联合消雾冷却塔干段换热器对防腐要求较高,且易发生堵塞等问题,影响换热器的性能,并大大地减弱其消雾节水性能[11-13]。

而冷凝式消雾节水冷却塔,则在冷却塔收水器上方气室中安装一种板式交叉气-气换热器消雾模块,设计冷热通道,利用塔外干冷空气对塔内湿热空气进行间壁式冷凝。王为术等[14-15]构建了冷凝收水装置设计计算流程。贾明晓等[16]则对冷凝式消雾节水冷却塔的出塔空气参数及节水率进行了试验研究,在估算蒸发量的基础上计算了试验工况下节水率。DEZIANI M 等[17]则对冷凝消雾节水进行了实验室试验,节水率可达35%左右。蔡虹等[18]对2种消雾节水技术方案进行了对比。袁小伟等[19]综合评价了常见消雾节水技术方案,指出采用消雾节水装置需权衡增加泵或风机功耗带来的耗电量与节水收益。

针对冷凝消雾型机械通风冷却塔核心冷凝模块,本文建立了其内冷热空气间接换热过程的热力计算模型并进行了验证;结合成熟的机械通风冷却塔热力计算模型,通过出塔空气参数的精确计算及机械通风冷却塔消雾节水特性的耦合研究,系统分析了冷凝模块关键尺寸如冷通道长度、热通道长度、通道间距及冷凝模块进风口高度等对其消雾节水性能产生的耦合影响,为带冷凝模块的机械通风冷却塔的设计优化及运行优化等提供了重要的参考。

1 计算模型

1.1 带冷凝模块的机械通风冷却塔

冷凝模块位于机械通风冷却塔收水器上方,其冷通道进风口即冷凝模块进风口位于塔侧,冷凝模块进风口高度为H,冷凝模块位于其进风口上方一边边长定义为冷通道长度Lc;其热通道与机械通风冷却塔进风口相通,流经吸热吸湿的热湿空气;冷凝模块进风口侧热通道的边长定义为热通道长度Lh。图1为一种冷热通道长度可调的机械通风冷凝消雾节水冷却塔[20]。

图1 带冷凝模块的机械通风冷却塔

冷凝模块为间壁式换热器,在热力计算时,利用复合换热系数作为总传热系数[21]。湿热空气通过冷凝模块向干冷空气传递热量,采用复合传热准则[15]关联式,其湿热空气侧表面复合换热系数计算如下,

式中:Nuh为复合努塞尔数;λh为湿热空气导热系数;Deh为热通道的当量直径,m。

在冷凝模块内,既有显热交换又有潜热交换,湿热侧空气放出的热量为

式中:qh为湿热空气的干空气质量流量,kg/s;Δh为换热比焓差,kJ/kg;Δd为湿热空气在消雾装置中的凝水量,kg/s;hw为凝结水的比焓,kJ/kg。

冷空气侧表面换热系数k c计算如下,

式中:Dec为冷通道的当量直径,m。

干冷侧空气吸收的热量为

式中:qc为干冷空气的质量流量,kg/s;Cc为干冷空气的比热,kJ/(kg·K);t'、t″为干冷空气进出口温度,℃。

通过冷凝模块总的换热量为

式中:k为总传热系数;A为换热面积,m2;ΔTm为对数平均温差,℃;

冷凝模块的温差采用传热平均温差计算,

式中:Ψ为小于1的修正系数;ΔTlm,c为对流平均温差。

1.2 冷凝消雾评价

机械通风冷却塔消雾性能评价方法,多基于CTI冷却塔验收测试规程[22]和中国工程建设协会有关消雾节水型冷却塔验收测试规程[23],其评价参数有出塔空气最大相对湿度、成雾频率、塔雾指数等。其中冷却塔出塔空气最大湿度曲线是以出塔空气最大相对湿度为纵坐标,进塔空气干球或湿球温度为横坐标绘制给出;成雾频率曲线,则取在某一进塔空气干球温度对应出塔空气最大相对湿度等于100%时的进塔空气相对湿度,在图上拟合曲线绘制给出;塔雾指数则根据出塔空气最大相对湿度曲线计算得到所设计的出塔空气最大相对湿度Rhgc,在实测大气压与湿空气焓图对应的大气压不一致时对实测空气相对湿度进行修正得Rhc,并定义塔雾指数TPI为两者之比,即TPI=Rhgc/Rhc。

2 模型验证

基于表1验证性冷凝模块的结构及其设计参数[24],对所建冷凝模块的热力计算模型进行了计算验证。表2为该冷凝模块文献数据与所建模型计算结果的对比值。

表1 验证性冷凝模块结构及设计参数

表2 针对验证性冷凝模块的计算分析

由表2可知,在设计冷热通道长度、冷热通道片距下,给定冷通道进口冷空气参数和热通道进口热湿空气参数时,计算热通道出口空气温度为13.52 ℃,与文献值14.05 ℃偏差0.53 ℃,误差-3.77%;计算冷通道出口空气温度3.04 ℃,与文献值2.96℃偏差0.08℃,误差2.70%;阻力方面,冷热通道压降计算值和文献值偏差分别为1.96%和2.04%。这表明所建冷凝模块的热力计算模型,可实现其冷热通道中冷热空气传热过程的准确计算。结合已验证的机械通风冷却塔热力计算模型[25]建模方法及表3所示某带冷凝模块的机械通风冷却塔数据[16],计算分析带冷凝模块的机械通风冷却塔的消雾节水特性。

表3 环境空气参数及冷却塔运行状态参数

3 冷凝模块尺寸对消雾节水性能的影响

3.1 冷热通道长度对消雾节水性能的影响分析

3.1.1 冷热通道长度相等

以表3所述某带冷凝模块的机械通风冷却塔参数为研究对象,其冷通道长度Lc和热通道长度Lh均为1.61 m。同时改变冷凝模块的冷热通道长度分别为1.81 m、1.61 m、1.41 m、1.21 m、1.01 m,对比分析其对机械通风冷却塔消雾节水性能的影响。经计算得到各冷热通道长度下的成雾频率曲线、最大相对湿度对比曲线、塔雾指数、节水率等如图2所示。由图2可知,消雾性能随着冷热通道长度增加逐渐增强,所研究范围内冷热通道长度均为1.81 m 时消雾性能最佳,且在空气干球温度大于3 ℃后,成雾频率曲线对应进塔空气相对湿度可到100%,表明在空气干球温度大于3°C后,0～100%环境空气相对湿度范围内,所研究热负荷下冷却塔出口均无雾羽现象。

图2 相同冷热通道长度对消雾节水性能的影响

由图2(a)可知,随着冷热通道长度变小,同等环境空气干球温度下,成雾频率曲线所对应的进塔空气相对湿度相应减小;在同等进塔空气相对湿度下,成雾频率曲线所对应的空气干球温度则随冷热通道长度的减小而增加。以干球温度3 ℃为例,冷热通道由1.81 m 依次减小至1.61 m、1.41 m、1.21 m、1.01 m,每减少0.2 m 则进塔空气相对湿度依次减少4%、2%、1%、2%。表明冷热通道长度越小,冷却塔出口成雾概率越大。

由图2(b)可知,随着冷热通道长度减小,同一进塔空气干球温度下,出塔空气最大相对湿度逐渐增加。以进塔空气干球温度8 ℃为例,冷热通道由1.81 m 依次减小至1.61 m、1.41 m、1.21 m、1.01 m,每减少0.2 m 则出塔空气最大相对湿度依次增大3.27%、0.75%、1.91%、2.83%,这表明冷热通道长度越小,冷却塔出口成雾概率越大

由图2(c)可知,所研究工况不同,冷热通道长度对应的塔雾指数均大于100%,满足消雾要求,且随着冷热通道长度的增加塔雾指数逐渐增大。

由图2(d)可知,随着冷热通道长度的增加,冷凝消雾冷却塔的节水效果越好,这表明冷热通道长度越长,带冷凝模块机械通风冷却塔的消雾性能越强,节水性能越好。

3.1.2 冷热通道长度不相等

冷热通道长度越大,相应通风阻力越大,机械通风冷却塔风机功率越大。如何同时实现机械通风冷却塔的节水消雾性能和冷却性能,杨玉杰[18]提出了一种冷热通道长度可调的节水消雾冷却塔。以表3所示某带冷凝模块的机械通风冷却塔参数为基础,按照表4改变冷热通道长度。

表4 冷热通道长度

图3为各方案下冷热通道尺寸对机械通风冷却塔成雾特性的影响。由图3(a)可知,当热通道长度一定时,依次减小冷通道长度,冷凝消雾冷却塔的消雾性能逐渐下降:以空气干球温度-2 ℃为例,冷通道长度由1.41 m 依次减小至1.31 m、1.21 m、1.11 m、1.01 m,每减小0.1 m 则成雾频率曲线所对应进塔空气相对湿度依次下移2%、2%、3%、2%。由图3(b)可知,当进塔空气干球温度相同时,冷通道长度越长对应的出塔空气最大相对湿度越小,说明消雾性能越好。当热通道长度不变,增加冷通道长度,即增加了冷凝模块中湿热空气的换热面积,同时减小了冷空气的进风阻力,机械通风冷却塔的冷凝节水性能增强。由图3(c)可知,冷通道长度由1.01 m 依次增大至1.11 m、1.21 m、1.31 m、1.41 m,每增加0.1 m 则节水率依次增加0.47%、0.59%、0.69%、0.5%。由此,可根据实际需要,设计冷凝模块冷通道长度和热通道长度,满足消雾和节水需求。

图3 冷通道长度对节水性能的影响

3.2 冷热通道间距对消雾节水性能的影响分析

以表3所示某带冷凝模块的机械通风冷却塔参数为研究对象,保持冷热通道长度相等,均为1.61 m,改变冷热通道间距,分析冷热通道间距对消雾节水性能的影响。计算分析时,共设置了5组冷热通道间距,分别为20.7 mm、18.7 mm、16.7 mm、14.7 mm、12.7 mm,进行消雾节水性能的计算分析,计算结果如图4所示。

图4 通道间距对机械通风冷却塔消雾节水性能的影响

由于冷凝模块尺寸不变,冷热通道间距增大,则冷凝模块单元片数减少,导致冷凝模块总的换热面积减小,相同的换热量下,冷凝模块冷凝降温效果减弱。由图4可知,随着冷热通道间距增大,冷却塔的消雾节水性能逐渐减弱:由图4(a)可知,以环境干球温度2 ℃为例,冷热通道间距由12.7 mm 依次增大至14.7 mm、16.7 mm、18.7 mm、20.7 mm,每增加2 mm 则成雾频率曲线所对应进塔空气相对湿度分别下移3%、2%、3%、1%;由图4(b)可知,以环境干球温度2 ℃为例,冷热通道间距由12.7 mm 依次增大至14.7 mm、16.7 mm、18.7 mm、20.7 mm,每增加2 mm,则出塔空气最大相对湿度依次增加1.17%、1.25%、1.53%及1.68%。由图4(c)可知,冷热通道间距由12.7 mm 依次增大至14.7 mm、16.7 mm、18.7 mm、20.7 mm,每增加2 mm,则节水率依次降低1.6%、1.22%、0.84%、1.06%。

3.3 冷凝模块进风口高度对消雾节水性能的影响分析

以表3所示某带冷凝模块的机械通风冷却塔实测工况为研究对象,改变冷凝模块进风口高度,计算分析冷凝模块进风口高度对消雾节水性能的影响,计算结果如图5所示。

图5 冷凝模块进风口高度对机械通风冷却塔消雾节水性能的影响

由图5可知,当空气干球温度小于2 ℃时,随着进风口高度的增加,冷却塔的消雾性能有所提高,成雾频率曲线所对应进塔空气相对湿度小幅增大。以空气干球温度-5 ℃为例,由图5(a)可知,进风口高度由2 m 依次增大至2.5 m、3 m、3.5 m、4 m,每增加0.5 m 则成雾频率曲线所对应环境空气相对湿度均依次上升1%。当空气干球温度大于2 ℃后,改变冷凝模块进风口高度对消雾性能几乎无影响。对比图2(a)与图3(a)、图4(a)、图5(a)发现,改变冷凝模块进风口高度对冷却塔成雾频率曲线的影响最小。

由图5(b)可知,随着进风口高度的增加,同一进塔空气干球温度下,出塔空气最大相对湿度逐渐减小。以进塔空气干球温度6 ℃为例,进风口高度由2 m 依次增大至2.5 m、3 m、3.5 m、4 m,每增加0.5 m 则最大空气相对湿度依次减小1.22%、0.17%、1.14%、0.36%,由此可以看出进风口高度对出塔空气最大相对湿度影响较小。

由图5(c)可知,随着进风口高度的增加,冷却塔的节水效果越来越好。进风口高度由2 m 依次增大至2.5 m、3 m、3.5 m、4 m,每增加0.5 m 则节水率依次增加0.64%、0.34%、0.51%、0.27%。

4 结论

本文建立了冷凝模块的热力计算模型,并结合成熟机械通风冷却塔热力计算模型,分析了冷凝模块冷通道长度、热通道长度、冷热通道间距及冷凝模块进风口高度等对其冷凝节水消雾性能的耦合影响,主要结论如下。

(1)结合文献实测数据,验证了所建带冷凝模块的机械通风冷却塔热力计算模型的准确性,为机械通风冷却塔冷凝节水消雾特性的耦合研究提供了理论模型。

(2)冷热通道长度相等时,通道长度越大,冷凝节水消雾性能越佳。所研究工况,冷热通道长度由1.01 m 依次增大至1.21 m、1.41 m、1.61 m、1.81 m,每增大0.2 m 则成雾频率曲线所对应进塔空气相对湿度相应上移2%、1%、2%、4%;节水率依 次增加1.56%、1.11%、0.44%、2.07%。

(3)固定热通道长度不变,随着冷通道长度的增加,冷凝节水消雾性能增强。所研究工况,冷通道长度由1.01 m 依次增加至1.11 m、1.21 m、1.31 m、1.41 m,每增加0.1 m,则成雾频率曲线所对应进塔空气相对湿度依次上移2%、3%、3%、2%;节水率依次增加0.47%、0.59%、0.69%、0.5%。

(4)随着冷热通道间距的增大,冷凝模块的冷凝节水消雾性能下降。所研究工况,冷热通道间距由12.7 mm 依次增加至14.7 mm、16.7 mm、18.7 mm、20.7 mm,每增加2 mm 则成雾频率曲线所对应进塔空气相对湿度分别减小3%、2%、3%、1%;节水率依次降低1.6%、1.22%、0.84%、1.06%。

(5)冷凝模块进风口高度对成雾频率曲线的影响,在低温时相对较大,在高温时相对较小。以进塔空气干球温度-5 ℃为例,冷凝模块进风口高度每增加0.5 m,成雾频率曲线对应进塔空气相对湿度依次上升约1%;在进塔空气干球温度大于2 ℃时,进风口高度对其成雾频率曲线影响较小;所研究工况冷凝模块进风口高度由2 m 依次增加至2.5 m、3 m、3.5 m、4 m,每增加0.5 m 则研究工况出塔空气最大相对湿度依次减小1.22%、0.17%、1.14%、0.36%;节水率依次增加0.64%、0.34%、0.51%、0.27%。

本文针对带冷凝模块的机械通风冷却塔消雾节水特性的耦合研究,可为机械通风冷却塔冷凝节水消雾特性的设计优化和运行优化提供理论参考。