1、冷卻塔節(jié)水消霧的重要性
在傳統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)冷卻塔運(yùn)行過(guò)程中，冷空氣在冷卻塔內(nèi)部與水換熱后生成了飽和的濕熱空氣，濕熱空氣與冷空氣混合后，冷卻、凝縮形成含 有許多微小液粒群的霧團(tuán)，造成了蒸發(fā)損失。同 時(shí),由于機(jī)械通風(fēng)冷卻塔高度較低,霧團(tuán)飄散還影 響了周邊居民區(qū)及交通道路的可見度，冷卻塔周 圍路面濕滑,影響工作人員的正常巡檢。隨著環(huán)保要求的提高，機(jī)械通風(fēng)冷卻塔節(jié)水消霧顯得越來(lái)越重要。
2、冷卻塔工作原理對(duì)比
2.1 傳統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的工作原理
來(lái)自工藝裝置換熱器的熱循環(huán)水進(jìn)入冷卻塔的配水系統(tǒng),通過(guò)配水系統(tǒng)(配水管、噴頭)噴灑至比表面積很大的填料中形成水膜;冷卻塔頂部 的風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)抽風(fēng),使冷卻塔內(nèi)形成負(fù)壓，塔外干冷 空氣不斷進(jìn)入塔內(nèi);熱循環(huán)水和干冷空氣在填料表面逆向接觸，空氣從水膜表面帶走水分子產(chǎn)生蒸發(fā)散熱，實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)、傳熱過(guò)程;空氣的熱焓和濕度增加后成為濕熱空氣,通過(guò)風(fēng)筒排向大氣;水的熱焓和溫度降低后,落入冷卻塔下部水池,經(jīng)泵輸送至工藝換熱設(shè)備再次循環(huán)。
2.2 節(jié)水消霧式冷卻塔的結(jié)祠
節(jié)水消霧式冷卻塔結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1節(jié)水消霧式冷卻塔結(jié)構(gòu)
將傳統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)冷卻塔內(nèi)配水管線全部拆除,改為新型配水方式。新型配水方式采用塔外分支配水，共分2層,下層設(shè)12根配水管(管道B和管道C)對(duì)填料區(qū)配水，進(jìn)行水的蒸發(fā)散熱;上 層設(shè)6根配水管(管道A)連接翅片管換熱器，熱 循環(huán)水經(jīng)換熱后直接流入冷卻塔下部水池。冷卻塔翅片管區(qū)由翅片管和填料(高0.5 m)組成。
2.3 節(jié)水消霧式冷卻塔的工作原理
2.3.1 節(jié)水工作原理
每根配水管都設(shè)有獨(dú)立的操作閥門，可根據(jù) 實(shí)際溫度情況，調(diào)節(jié)各閥門的開度。環(huán)境溫度較高時(shí),為了保證冷卻塔的冷卻效果，大部分熱循環(huán)水由下層配水管道B和配水管道C噴淋在原填料 區(qū)(高1.5 m)和翅片管下部填料區(qū)(高0.5 m),然后流入冷卻塔下部水池，此過(guò)程中熱循環(huán)水完全與空氣接觸進(jìn)行蒸發(fā)式散熱，因此不節(jié)水。環(huán)境溫度較低時(shí)，在保證冷卻塔冷卻效果的前提下，一部分熱循環(huán)水經(jīng)下層配水管道C噴淋在原填料 區(qū)，然后流入冷卻塔下部水池;另一部分熱循環(huán)水 經(jīng)上層配水管道A進(jìn)入翅片管換熱器進(jìn)行間壁 傳熱,然后流入冷卻塔下部水池,此過(guò)程中熱循環(huán) 水不與空氣接觸，因此不存在蒸發(fā),達(dá)到了 100% 節(jié)水效果。
2.3.2 消霧工作原理
當(dāng)配水管道A和配水管道C打開時(shí)，翅片管 下部填料區(qū)不淋水，因此干冷空氣經(jīng)翅片換熱器后溫度升高，變成干熱空氣,含濕量不變;原填料區(qū)淋水,因此干冷空氣通過(guò)填料區(qū)后變成濕熱空氣。干熱空氣與濕熱空氣在氣室內(nèi)混合，*后從風(fēng)筒排出，與外界大氣混合。經(jīng)計(jì)算和數(shù)據(jù)模擬 混合空氣在風(fēng)筒出口的狀態(tài)，溫度*低時(shí)，混合空氣在風(fēng)筒出口為不飽和空
氣，不產(chǎn)生水蒸氣凝結(jié)， 霧團(tuán)基本消失，達(dá)到了減弱、消除霧團(tuán)的目的。
節(jié)水消霧式冷卻塔正常運(yùn)行時(shí)，配水管道C 始終開啟，而同一風(fēng)道的配水管道A和配水管道 B若同時(shí)開啟則無(wú)法達(dá)到節(jié)水效果，因此，*佳節(jié)水工藝流程是開啟配水管道C和配水管道A,關(guān)閉配水管道B。實(shí)際生產(chǎn)中，隨著環(huán)境溫度和熱循環(huán)水溫度的變化,可以逐只開啟或關(guān)閉配水管道A和配水管道B對(duì)應(yīng)的閥門，來(lái)調(diào)節(jié)冷卻塔冷卻效果和節(jié)水量。
3、節(jié)水消霧式冷卻塔設(shè)計(jì)參數(shù)
1.1 節(jié)水消霧式冷卻塔設(shè)計(jì)參數(shù)
節(jié)水消霧式冷卻塔由傳統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)冷卻塔為 基礎(chǔ)改造，以某企業(yè)冷卻塔為例，從能耗、節(jié)水效 果、消霧效果、經(jīng)濟(jì)效益等幾個(gè)方面分析和說(shuō)明本模式的可行性。
原冷卻塔釆用鋼筋混凝土大跨距框架結(jié)構(gòu), 單塔軸線尺寸18 mxl8 m,塔型號(hào)CNF-4500;配 套MWDP型收水器和TX型填料;配水系統(tǒng)材質(zhì) 選用Q235 + UPVC,填料支撐材質(zhì)為FRP。節(jié)水消霧式冷卻塔設(shè)計(jì)基本參數(shù)如表1所示。
項(xiàng)目
參數(shù)
大氣壓力/kPa
88.96
進(jìn)塔空氣溫度(干球)/℃
31.6
進(jìn)塔空氣溫度(濕球)/℃
21.5
進(jìn)塔水溫/℃
40
出塔水溫/℃
30
設(shè)計(jì)處理水量/(m3 ? h-1)
4500
風(fēng)機(jī)直徑/mm
9750
電機(jī)功率/kW
200
進(jìn)冷卻塔風(fēng)*/(m3 -h-1)
表1節(jié)水消霧式冷卻塔設(shè)計(jì)基本參數(shù)
霧團(tuán)主要岀現(xiàn)在冬季。以神華新疆吐魯番煤化工有限責(zé)任公司生產(chǎn)裝置所處的吐魯番冬季氣溫為例，*冷月平均溫度為-6.69℃，節(jié)水消霧式冷卻塔干、濕段運(yùn)行參數(shù)對(duì)比如表2所示，氣室內(nèi)混合空氣參數(shù)如表3所示。
項(xiàng)目
參數(shù)
干段
濕段
水量/(m3 - h-1)
3500
1000
風(fēng)量/(m3 - h-1)
進(jìn)塔水溫/℃
40
40
進(jìn)塔空氣溫度(干球)/℃
-6.69
-6.69
出塔水溫/℃
34.33
14.80
出塔空氣溫度℃
33.91
11.48
空氣實(shí)際含濕量/(kg? kg)
0.
0.
空氣飽和含濕量/(kg ? kg)
0.0026
0.0096
相對(duì)濕度/%
162(過(guò)飽和，有霧)
蒸發(fā)系數(shù)
0.
冷卻塔正常蒸發(fā)損失/(m3 -h)
38.98
干濕段混合出塔水溫/℃
29.99(保證了冷卻能力)
表2節(jié)水消霧式冷卻塔干、濕段運(yùn)行參數(shù)對(duì)比
項(xiàng)目
參數(shù)
氣室內(nèi)干濕混合空氣狀態(tài)參數(shù)
溫度/℃
23.66
含濕量(kg . kg)
0.
飽和含濕量/(kg . kg)
0.
環(huán)境大氣狀態(tài)參數(shù)
氣體溫度(干球)/℃
-6.69
氣體含濕量/(kg? kg)
0.
氣體飽和含濕量/(kg ? kg)
0.
表3氣室內(nèi)混合空氣參數(shù)
3.2 翅片管換熱器
3.2.1 翅片管換熱器概述
翅片管換熱器采用鋼鋁翅片管，由鋁管與鋼管先加工成雙金屬?gòu)?fù)合管，再經(jīng)機(jī)械冷軋,利用鋁管的物理特性，制成以鋼管為芯的管與冷軋成的鋁翅片緊密結(jié)合為一體的翅片管。
鋼鋁翅片管特點(diǎn):①翅片緊密纏繞在基管外 表面，傳熱性能高，接觸熱阻小;②翅片與基管接 觸面積大，貼合緊密、牢靠;③抗腐蝕性能好,長(zhǎng)期 使用性能穩(wěn)定;④*高使用壓力W3.2 MPa,保證 了其工作壓力的穩(wěn)定性。
3-2.2 翅片管換熱器參數(shù)
翅片管換熱器共計(jì)6臺(tái)，其規(guī)格為18.00 mx 1.63 mx0.31 mo翅片管換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)如表4 所示。
項(xiàng)目
參數(shù)
項(xiàng)目
參數(shù)
管內(nèi)徑/mm
20
翅片管排數(shù)/排
6
管外徑/mm
25
翅片管根數(shù)/根
1944
翅片外徑/mm
50
單根翅片管長(zhǎng)度/m
8.50
翅片厚/mm
1
翅片管總長(zhǎng)度/m
翅片間距/mm
8
管間距/mm
60
表4翅片管換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)
4 節(jié)水消霧式冷卻塔工藝計(jì)算
1.1 翅片管換熱器熱量計(jì)算
傳熱能量守恒定律:φ0=φ1=φ2
傳熱方程：φ0= kA△tm
循環(huán)水放熱：φ1=Qm1Cq1(T進(jìn)-T出)
冷空氣吸熱：φ2=Qm2Cq2(t進(jìn)-t出)
平均溫差：△tm = ( △tmax -△tmin )/ln ( Atmax/Atmin )
式中：T進(jìn)，T出——進(jìn)、出翅片管換熱器水溫,℃;t進(jìn)，t出——進(jìn)、出翅片管換熱器的空氣 溫度,℃;k——傳熱系數(shù),W/(m2 ?℃);φ——熱流量,W;△tm ——平均溫差，℃;cq——定壓比熱容,J/(kg . K);Qm1 水質(zhì)量流量,kg/s;Qm2——空氣質(zhì)量流量,kg/s;A——傳熱面積,㎡。
計(jì)算步驟： ①假設(shè)一個(gè)流體的出口溫度，按熱平衡方程求出另一個(gè)流體的出口溫度; ②根據(jù)4個(gè)流體進(jìn)、出口溫度求得平均溫差△tm, ③根據(jù)翅片管換熱器結(jié)構(gòu),算出相應(yīng)工作條件下的傳熱系數(shù)k ; ④已知k、A和△tm ，按傳熱方程求出熱流量φ0; ⑤根據(jù)4個(gè)流體進(jìn)、出口溫度,用熱平衡方程求出φ1和φ2; ⑥比較步驟④和⑤中求得的φ1和 φ2，如兩者不同，則說(shuō)明步驟①中假設(shè)的溫度不符合實(shí)際情況，需重新假設(shè)一個(gè)流體出口溫度，重復(fù)上述步驟，直至φ1和 φ2彼此接近(兩者之差在 2% -5%)時(shí)為止。
4.2 冷卻塔蒸發(fā)損失水量計(jì)算
冷卻塔濕段蒸發(fā)損失水量:Qe =Ke ? △t.Q
式中:Ke ——溫度系數(shù)(表5);
△t——進(jìn)出塔水溫差△t = t1-t2，℃
Q——處理水量,m3/h。
進(jìn)塔空氣
Ke
進(jìn)塔空氣
Ke
-10
0.0008
20
0.0014
0
0.0010
30
0.0015
10
0.0012
40
0.0016
表5氣溫與虬值變化對(duì)應(yīng)關(guān)系
4.3 節(jié)水消霧式冷卻塔消霧計(jì)算
根據(jù)傳熱公式及冷卻塔工藝計(jì)算公式，環(huán)境 溫度*低時(shí)，出現(xiàn)霧團(tuán)量*大。出塔空氣與環(huán)境 大氣的混合狀態(tài)如圖2所示。
圖2出塔空氣與環(huán)境大氣的混合狀態(tài)
由圖2可知，環(huán)境溫度*低時(shí)，出塔空氣含濕 量曲線與飽和空氣含濕量曲線沒有交點(diǎn)，所以節(jié)水消霧式冷卻塔外排的空氣為不飽和濕空氣，沒有水蒸氣凝結(jié)，達(dá)到了消除霧團(tuán)的目的。
4.4 翅片管換熱器風(fēng)阻及風(fēng)機(jī)軸功率變化
4.4.1翅片管換熱器風(fēng)阻計(jì)算
翅片管換熱器風(fēng)阻：
△p =f.n. Gmax/2p=60(Pa)o 式中:△p——風(fēng)阻,Pa;
f-—翅片管摩擦系數(shù);
n——翅片管排數(shù);
Gmax——翅片管*窄截面的質(zhì)量流速,kg/ (m2 , s);
p——空氣密度,kg/m3o
4.4.2 風(fēng)機(jī)功率變化計(jì)算
翅片管下部填料區(qū)高為0.5 m,風(fēng)阻約28 Pa; 翅片管換熱器風(fēng)阻△P=60 Pa;因此，綜合風(fēng)阻為 88 Pa。原填料高1.5 m,填料風(fēng)阻△P=86Pa。翅 片管區(qū)和原填料區(qū)風(fēng)阻基本一致,說(shuō)明改造后風(fēng) 機(jī)軸功率基本不變。
4.5 水頭損失
根據(jù)《給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)(**冊(cè))》中關(guān)于沿 程損失的計(jì)算:沿程損失h =iL,局部損失按沿程損失的25%計(jì),可得水力損失≤3 m。閥門處水頭壓力約為20 m,則經(jīng)過(guò)換熱器的水頭壓力損失不大，完全能夠滿足噴頭的配水壓力。
通過(guò)加裝翅片管換熱器后，冷卻塔的經(jīng)濟(jì)性在能耗、節(jié)水等方面明顯提高。加裝翅片管換熱器后，翅片管下部填料區(qū)高度降低,綜合風(fēng)阻與原填料區(qū)風(fēng)阻基本一致，所以軸功率基本不變，沒有增加能耗。
按年運(yùn)行365 d、噸水價(jià)格5元計(jì)，年均減少 蒸發(fā)水損失約90 kt,可節(jié)省資金約45萬(wàn)元。
翅片管換熱器投資成本為200萬(wàn)元,則投資回報(bào)率為4. 44年。若需新建傳統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，投資需增加200萬(wàn)元。
6 總結(jié)
逆流冷卻塔節(jié)水消霧改造技術(shù)可降低風(fēng)吹損失、減小蒸發(fā)損失，提高了熱循環(huán)水的使用率，更主要的是在節(jié)約水資源的同時(shí)，減少或消除可視霧團(tuán)，是工業(yè)節(jié)水的有效措施和消霧的全新方向，在大型化工循環(huán)水場(chǎng)有較好應(yīng)用前景。
