冷卻塔雨區(qū)的熱力特性

1、冷卻塔雨區(qū)的熱力特性摘要：本文首先通過不同淋水高度、淋水密度、過塔風速等的逆流及橫流試驗塔的熱水試驗，求出相應條件下的淋水水滴當量直徑，再在工業(yè)塔的條件下，利用水滴散熱公式，計算出雨區(qū)散熱效果，化為無因次數(shù)冷卻數(shù)，作出圖及計算公式。利用所給圖或公式，即可計算冷卻塔雨區(qū)的溫降。在逆流式冷卻塔中，水的冷卻分三部分：噴頭、填料、雨區(qū)。但是，在進行填料的模擬試驗中，要把上述三部分的熱力特性分開，是很困難的?，F(xiàn)在我國各試驗單位所給出的冷卻塔填料熱力特性模擬塔試驗報告中，是把三部分混在一起的，名為填料熱力特性，實為三部分的混合體。因此，在冷卻塔的設計中，在進行熱力計算時，也是把三部分合在一起的。為了提高冷

2、卻塔的設計精度，必須將上述三部分的熱力特性、分開進行試驗，然后在設計中分開計算。在圓形逆流式自然通風冷卻塔中，噴頭和填料兩部分的水氣流動為一維的，或者說基本上是一維的，而雨區(qū)部分的水氣流動則是二維的，所以在逆流式試驗塔中所作的淋水試驗不能代表冷卻塔中的雨區(qū)情況，也就是說，即使我們在逆流塔填料模擬試驗中，能夠把噴淋區(qū)、填料區(qū)和雨區(qū)的熱力特性分開，雨區(qū)的試驗結(jié)果也不能夠直接用于冷卻塔雨區(qū)的熱力計算，而且試驗塔的尾流區(qū)高度也達不到大工業(yè)塔的雨區(qū)高度。本文通過室內(nèi)淋水試驗，經(jīng)過水滴當量直徑的換算，及雨區(qū)熱力特性數(shù)值計算，給出了逆流式圓形冷卻塔雨區(qū)熱力特性的二維計算圖及公式。1 研究方法先在試驗塔中作逆

3、流式及橫流式的淋水試驗，然后從這些試驗結(jié)果，求出相應于不同淋水高度、淋水密度、風速等條件下的水滴當量直徑，再用此當量直徑，在同樣參數(shù)條件下，做冷卻塔雨區(qū)的傳熱計算，求出雨區(qū)熱力計算公式。1.1 水滴散熱公式 水滴在氣流中降落，傳熱公式為：Sh=a+cRemScn(1)式(1)中：Sh雪爾伍特(Sherwood)數(shù)，Sh=Kd/Dc；K散質(zhì)系數(shù)(kg/m2·h)；d水滴直徑(m)；空氣密度(kg/m3)；Dc濕空氣的分子擴散系數(shù)。Dc=0.0805/P0(T/273)1.8 (m2/h)(2)P0大氣壓力(kg/cm2)；T空氣的絕對溫度(°K).Re雷諾(Reynolds)

4、數(shù)，Re=vd/；v氣流流過水滴的速度(m/s)；d水滴直徑(m)；空氣運動粘滯系數(shù)(m2/s)，Sc斯密特(Schmidt)數(shù)，Sc=/DpRnT，、T同上，Rn水蒸氣的氣體常數(shù)(kg·m/kg·k)'，Dp水蒸氣在空氣中的擴散系數(shù)，Dp=(6.27×10-6)/P0(T/273)0.8(m/h)(3)式(3)中符號同上。a、c、m、n常數(shù)。文獻15中都給出了相應的Sh數(shù)計算公式，經(jīng)比較其應用范圍及數(shù)值大小，我們選用文獻1中的公式，即a=0,c=0.6，m=1/2,n=1/3，Sh=0.6Re1/2Sc1/3(4)氣溫在0100范圍，Sc=0.63.由式

5、(4)得：K=0.514Dc(v/d)0.5 (kg/m2·h)(5)式(5)中符號見式(1).式(5)中K為面積散質(zhì)系數(shù)，在冷卻塔中不好用，故改為容積散質(zhì)系數(shù)Ka(kg/m3·h).Ka=K(6q/wvfd)(6)式(6)中：q雨區(qū)淋水密度(kg/m2·s)；w水的密度(kg/m3)；d水滴直徑(m)；vf水滴下降速度(m/s).計算水滴下降速度vf時，不考慮由于橫向氣流引起的淋水傾斜。下降速度計算方法見文獻6，氣流阻力系數(shù)CD，(7)上式中uz、ur為氣流速度(m/s).其計算仍用文獻7中的方法。uz=v0/h2(3z2-2/hz3)(8a)ur=v0/2h2

6、(6/h)z2-6zr(8b)上式中，v0塔填料進口處氣流速度(m/s)；h塔進風口高度(m)，r、z為坐標，原點在雨區(qū)底部中心。1.2 雨區(qū)淋水試驗 用式(6)即可計算雨區(qū)的容積散質(zhì)系數(shù)Ka，但是，除淋水密度q可給定外，還要求知道水滴直徑d.直徑d我們是通過模擬塔試驗來求得。 如圖1所示，逆流模擬塔淋水試驗(無填料)，淋水面積A(m2)，淋水高度h(m)，水量Q(m3/h)；進水溫度t1()，出水溫度t2()；進氣量G(kg/h)，進氣干球溫度1()，濕球溫度1()，大氣壓力P0(kPa).根據(jù)這些試驗參數(shù)即可算出冷卻數(shù)N及容積散質(zhì)系數(shù)Ka:圖1 逆流淋水試驗(9)Ka=Nq/h(10)式(

7、9)的來源可參考文獻8。其中i為空氣比焓，i為和水溫相應的飽和空氣比焓，c為水的比熱，q為淋水密度。設淋水水滴的當量直徑為d，代入式(6)，即可求出和vf點相應的Ka，通過積分可求出在高度h范圍的平均值Ka和式(10)比較，如Ka不相等，則另設水滴當量直徑d,直到和式(10)的試驗Ka值相等，則此直徑d即為該次試驗參數(shù)的淋水當量直徑。以此類推，可求出在不同參數(shù)時的水滴當量直徑。在這些參數(shù)中，進水溫度t1定為35，因為在工業(yè)塔中，進入雨區(qū)的淋水溫度和35相近，進氣濕球溫度1的變化，不影響Ka值，所以以北京常用濕球溫度1=25作計算和試驗。同樣進行了橫流模擬塔淋水試驗，試驗如圖2所示。圖2 橫流淋

8、水試驗2 淋水試驗及水滴直徑計算2.1 模擬塔淋水試驗2.1.1 逆流塔淋水試驗 試驗結(jié)果見圖3.圖3為根據(jù)文獻9、10及我們的試驗結(jié)果11繪成。文獻9的試驗，塔斷面1.0×1.0m2，試驗淋水高度0.78.4m，布水用濺水板條，淋水密度q=504010800kg/m2·h，空氣的質(zhì)量風速g=32408640kg/m2·h(0.82m/s)，進水溫度t1=4050，進氣溫度1=824，相對濕度1=5095%.式(9)的冷卻數(shù)N常表示為試驗公式：圖3 逆流淋水試驗結(jié)果N=An(11)上式中：A、n試驗常數(shù)；空氣量和水量比。文獻10中的試驗塔斷面為2.2×2

9、.2m2，試驗填料為雙斜波型，填料組裝高度為0.8、1.0、1.2、1.5m，填料下淋水高度7.5m，試驗淋水密度q=600012000kg/m2·h，填料層風速v=0.92.3m/s，進水溫度t1=4145，進氣濕球溫度1=2730。試驗結(jié)果見表1：表1 試驗結(jié)果填料高度(m)0.81.01.21.51冷卻數(shù)N1.700.431.970.562.240.532.410.532填料部分N11.060.431.330.561.600.531.770.533噴頭部分N20.230.430.230.560.230.530.230.534雨區(qū)部分N30.410.430.410.560.410

10、.530.410.53表1中的數(shù)據(jù)N為文獻10的試驗結(jié)果，N1值和N2值為我們根據(jù)過去所作過的許多試驗結(jié)果，對這兩部分所占數(shù)值的估算。則雨區(qū)部分N3=N-N1-N2，選用其中間值N=0.410.53(12)式(12)中試驗淋水高度7.5m，其N值和圖3很一致。我們的試驗為在本所的逆流式試驗塔上進行的，在噴頭下80cm處裝兩個直徑5cm,高6cm的圓白鐵盒，底部開小孔，在盒內(nèi)放溫度計測水溫，到底部的淋水高度為2.7m。試驗段為方形0.6×0.6m2，淋水密度q=6500、7600、8600kg/m2·h，風速v=1.0、1.5、2.0m/s，噴頭下80cm處水溫為約35，進氣

11、干球溫度1=2628，濕球溫度1=2223，大氣壓力P0=100.6100.7kPa.試驗結(jié)果為：N=0.390.53(13)上述試驗雖然是在三個不同的試驗塔上進行的，但結(jié)果基本一致。 2.1.2 橫流塔淋水試驗 試驗結(jié)果見圖4.圖4是根據(jù)文獻9及我們的試驗資料11繪成。由于后面作雨區(qū)熱力計算時，只采用由逆流試驗所求得的水滴當量直徑，為了節(jié)省篇幅，對橫流試驗經(jīng)過不再詳述。圖4 橫流淋水試驗結(jié)果2.2 淋水的水滴當量直徑 圖3和圖4給出了不同淋水高度時逆流和橫流的試驗結(jié)果。另一方面，假設相應于某一試驗工況，其淋水水滴當量直徑為d，則通過前面所述的計算方法，可以計算出該工況的冷卻數(shù)N，如果計算值和

12、試驗值相等，則該水滴直徑即為此工況的水滴當量直徑。利用此水滴當量直徑，計算相應淋水高度及直徑的冷卻塔雨區(qū)二維流的容積散質(zhì)系數(shù)Ka及冷卻數(shù)N.利用水滴當量直徑計算Ka及N的方法為：給出相應的大氣條件，由式(5)可得式(6)Ka，此Ka為某一淋水密度的當?shù)刂?，由各點的Ka可求出整個高度的平均Ka，將平均Ka值代入式(9)，即可求出冷卻數(shù)N.式(5)中的v為相對速度，在逆流中為水滴降落速度和氣流向上速度之和；在橫流中為水滴降落速度和氣流水平向流速的向量合速。對各種工況所求出的水滴當量直徑是不同的，h=610m，在圖示的工況下，水滴當量直徑d=3.85.2mm.淋水高度大時d大，冷卻數(shù)N大時d小。前面

13、給出了逆流及橫流的淋水試驗結(jié)果及計算出的水滴當量直徑。在作冷卻塔雨區(qū)熱力計算時，使用逆流計算所求得的水滴當量直徑，還是用橫流計算所得的水滴當量直徑?回答是用逆流計算所求得的當量直徑。理由是：1.二者所得直徑相近。2.用純逆流計算所得和橫逆流同時存在時計算所得Ka值差別不大。所以用逆流試驗所求得的水滴當量直徑，更具有代表性。3 逆流塔雨區(qū)熱力計算公式有了不同工況下的水滴當量直徑d，即可計算冷卻塔雨區(qū)的散質(zhì)系數(shù)及冷卻數(shù)，計算方法同上。這時的氣流場是軸對稱的，氣流速度由式(8)給出。3.1 計算方案 把逆流塔簡化為圖5所示的形式，第一步設填料底部和進風口上沿平。計算中選用D=60、80、110m，即

14、相當于塔面積為3000、5000、9500m2，這是目前常用的塔面積；進風口高度選用，使進風面積和塔面積比約為0.38和0.4；填料斷面風速選用v0=1.0及1.2m/s；淋水密度q=6000、7000、8000、9000(kg/m2·h).大氣壓力P0=100kPa，大氣干球溫度1=30，濕球溫度1=25。這里需要說明，因為散質(zhì)系數(shù)Ka不隨濕球溫度1的變化而變(參見文獻8)，所以所給大氣條件仍具有一般性，即也可使用于其他的大氣干、濕球溫度情況。圖5 計算區(qū)域示意填料底如在進風口上沿以上，可作修正。3.2 計算結(jié)果 對于上述各種方案的雨區(qū)冷卻數(shù)計算結(jié)果，見表2.表2 雨區(qū)冷卻數(shù)N塔直

15、徑D(m)進風口高度h(m)風速v0=1.0(m/s)風速v0=1.2(m/s)淋水密度(kg/m2·h)淋水密度(kg/m2·h)60007000800090006000700080009000605.750.2920.2660.2440.2280.3230.2980.2730.2576.00.2930.2670.2480.2300.3300.3010.2760.260807.50.2970.2710.2520.2340.3320.3020.2790.2628.00.2980.2740.2530.2360.3340.3040.2820.26411010.50.3000.2

16、750.2540.2360.3340.3050.2830.26511.00.3020.2760.2560.2380.3360.3060.2840.267將表2中的冷卻數(shù)和氣水比(干空氣量和水量之質(zhì)量比)關(guān)系點在圖6a，6b，6c，6d,6e,6f上，并用公式表示為：1)塔直徑D=60m，進風口高度h=5.75mN=0.3690.61(14a)2)塔直徑D=60m，進風口高度h=6.0mN=0.3750.61(14b)3)塔直徑D=80m，進風口高度h=7.5mN=0.3770.6(14c)4)塔直徑D=80m，進風口高度h=8.0mN=0.3780.6(14d)5)塔直徑D=110m，進風口高

17、度h=10.5mN=0.3780.595(14e)6)塔直徑D=110m，進風口高度h=11.0mN=0.3800.595(14f)將上列各式用一個統(tǒng)一的公式表示，即在塔直徑D=60110m，進風口面積和塔面積之比=0.380.4，進風口高度h=5.7511.0m，近似表示為： N=(0.340+0.00763h-0.000367h2)0.60(15)3.3 填料底高修正 公式(14)和(15)的使用條件如圖5所示，即填料底部和進風口上沿齊平，而實際工程中填料底部高于塔進風口，所以對上面公式進行修正。一般高0.5m左右，圖7中給出了抬高0.5m的修正曲線。曲線是用上述同樣方法計算求得。對于非0.5m的抬高，可以參考圖7曲線進行修正。圖7 填料底高修正曲線4 結(jié)語1.本文給出了自然通風逆流式冷卻塔雨區(qū)的熱力特性公式(14)及(15)，利用此公式即可進行雨區(qū)的水溫計算。圖6 N-關(guān)系式(14)及(15