工厂工业大型玻璃钢冷却塔
作者：晶杰冷却塔 时间：2021-05-18 16:40 阅读：
在大多数工业工厂大型玻璃钢冷却塔中，冷却水和空气直接接触。冷却水被泵入塔内的喷雾管和喷嘴系统，并通过重力被吸入下方的池塘。来自大气的空气进入塔架的底部，并流经下降的水。塔的整个横截面都设有“填料”，以确保水下降时对空气的表面积很大。水以薄膜形式流动或飞溅，并在塔的整个横截面中提供，以确保水在下降时对空气呈现较大的表面积。水以薄膜形式流动或在填料表面上飞溅和滴流，而空气在表面之间流动。取决于特定的设计，空气可能主要向上流动（逆流）或水平流动（错流）。随着水温降低，空气温度升高。在大多数水塔中，水和空气直接接触时，传热的“驱动力”不是局部温度差，而是局部焓差。即，差（hS – hG），其中hS是水/空气界面局部温度下饱和空气的比焓，hG是湿空气的局部体积比焓。从水到空气的局部热通量是该驱动力与具有质量通量单位的经验系数的乘积。这比如果局部温度差是驱动力的情况要大好几倍，就像“干式”传热的情况一样，在这种情况下，流体被固体壁隔开，不会发生蒸发。对于各种各样的工业工厂来说，必不可少的是热量以某种方式从工厂传递到周围。有时，这是通过与空气直接对流来实现的，例如在风冷内燃机中。更经常地，使用水流，即“冷却水”。如果植物在河流，湖泊或海洋附近，则可以在低温下向其提供大量此类冷却水，然后以较高的温度返回到冷却源。但是，工厂选址通常受其他因素控制，例如原材料，煤炭的位置。附近可能有河流或湖泊，但进一步升高水温可能是不可接受的。在这种情况下，冷却水本身在使用后必须通过热传递到大气中进行冷却，然后返回工厂再利用。玻璃钢冷却塔正是为此目的而设计的：将热量从冷却水流传递到大气中。
通过大型玻璃钢冷却塔的气流可以通过两种方式产生：自然通风或机械通风。在自然通风塔中，填充区域位于实际上是大烟囱的底部内部（图2）。与温暖的冷却水接触后，填料上方的空气密度比大气密度低5％左右。 “烟囱”中的空气与外部空气之间的重量差提供了驱动力，以克服阻止气流通过塔架的压力损失。选择此类塔架的典型“双曲线”轮廓（如图2所示）主要是出于结构和经济方面的原因-与普通的圆柱形外壳相比，它更能抵抗风引起的应力和振动，并且所需材料更少。
机械通风塔使用由电动机驱动的风扇来产生空气流。当风扇位于塔架底部的进气口时，该塔架称为“强制通风”。当风扇位于塔架顶部的出风口时，会产生“引风”。离心式和轴流式风机都可以使用，但是轴流式风机通常带有引风机。
总结了自然通风塔和机械通风塔的相对优点。在某些情况下，以“辅助通风”塔形式出现的经济妥协是一种自然通风塔，在通风口的基座周围装有风扇的自然通风塔，塔的大小比没有风扇时要小得多。
在大多数大型玻璃钢冷却塔中，即上述类型的直接接触或“湿”塔中，约有1％的水流率通过蒸发和空气夹带细小水滴损失到大气中。 （较大的水滴被“除水器”拦截，“除水器”通常是覆盖喷水系统上方塔架整个横截面的一系列板条。）这种损失必须通过外部供应来补充，并保持浓缩。水中的盐含量低到可以接受的程度，补充水的供应量可能必须在3％左右。在某些位置，提供这样的数量可能太困难或太昂贵，并且“干”塔可能是经济的。
在干燥塔中，水和空气不直接接触，因此不会因蒸发而损失水。实际上，填料被换热器代替，在换热器中，金属壁将两条流分开。干塔可以是自然塔，机械塔或辅助塔。但是要消除因蒸发而造成的水分流失，要付出很大的代价。蒸发冷却效果也消除了，据估计，达到相同冷却能力所需的空气流量将必须比湿塔大三倍或更多倍。因此塔将必须更大，更昂贵。而且，用于塔的热交换器组将比相应的填料生产成本更高。已经提出“湿干”塔作为湿塔和干塔之间的折衷。
包装使用了各种各样的材料和几何设计：水泥基或塑料制成的瓦楞屋顶板；三角形或矩形横截面的木板条；塑料浸渍纸“蜂窝”；由薄塑料材料制成的复杂蜂窝状几何体。 [Singham（1990）；希尔，普林和奥斯本（1990）和约翰逊（1990）]
可以通过列出以下五个数量的值来指定拟议的玻璃钢冷却塔的所需性能：
水的质量流量；
水的入口温度；
水的出口温度；
大气湿球温度；
大气干球温度。
除特殊情况外，大气压均假定为标准大气压。空气的质量流率未指定，确定其值是设计人员的首要任务。为了预测现有塔的性能，空气的质量流率取代了上面列表中的出口水温，必须确定后者。默克尔方程可对拟议的和现有的塔进行这两种计算。将上述变量与与拟议的或现有填料的传热性能相关的变量相关联。它基于均匀，一维逆流，但可以适应其他条件，该方程式可以表示为：
hw =水在任何水平上的比焓；
hG =相同水平下大量湿空气的比焓；
hS =在相同温度下水温下饱和空气的比焓；
=单位面积上水的质量流量；
=单位面积上的湿空气（“气体”）的质量流量；
NTU =包装的“转移单位数”。
IM的数量，由等式定义。 （2）是冷却要求的量度。由等式定义的量Ip。 （3）是包装性能的度量。默克尔方程式（1）要求它们相等。
通过指定上述五个设计量以及水和湿空气的焓特性数据，可以评估IM的水/空气质量流量比的任何值。所选填料的性能（以Ip表示）也是流量比的经验函数。因此，根据默克尔方程式，这两个量的相等性允许找到流量比。由于指定了水质量流量，因此现在知道了空气质量流量，而无需其他有关塔架设计的细节。对于自然通风塔和机械通风塔都适用，但是其余的设计过程取决于所考虑的塔类型。对于自然通风塔，塔的高度和横截面积必须达到使现在已知的空气流量下产生的估计压力损失之和等于由温暖的潮湿空气的浮力引起的驱动压力差。对于机械通风塔，必须选择一个风扇来提供以下功率：已知的空气流量，压力上升等于估计的压力损失。
满足这些传热和压力损失要求的任何设计在技术上都是有效的。无限数量的设计是可能的，它们在形状，高度，横截面积，包装类型，包装深度等方面互不相同。最终的选择是在考虑经济，环境和操作因素后做出的，通常是结合一些成本优化程序。
对于现有塔架，需要稍有不同的计算过程。目的是为可能感兴趣的其他四个变量中的任意一组确定上面列表中的第三个变量的值（出水温度）。第一步是通过匹配自然通风塔的浮力和压力损失来确定空气质量流量；或风扇压力上升和机械通风的压力损失。由于水的质量流量是已知的（指定的），因此可以计算出水/空气的质量流量比，并根据填料的已知特性求出Ip。最后一步与上面概述的步骤类似：最后通过试验求出导致IM达到所需值的出水温度值。
公认的事实是，实际塔楼中的空气和水流与设计和分析中通常假定的均匀一维流相距甚远。可以通过引入校正系数来考虑差异，校正系数的值是根据塔上的满量程测试数据估算得出的。此类数据供不应求，即使有可用数据，也仍然对纠正的有效性存有疑问；根据合同条款，某些“过度设计”可能是谨慎的做法。另一种方法是返回流体力学，传热和传质的基本方程，并借助计算流体动力学（CFD）技术得出数值解。这些解决方案原则上可以用作设计的唯一基础。或者它们可以用来修改和改进现有的更简单的方法。