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冷却塔
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冷却塔

在传统机械通风冷却塔运行过程中,冷空气在冷却塔内部与水换热后生成了饱和的湿热空气,湿热空气与冷空气混合后,冷却、凝缩形成含 有许多微小液粒群的雾团,造成了蒸发损失。
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  1、冷却塔节水消雾的重要性

  在传统机械通风冷却塔运行过程中,冷空气在冷却塔内部与水换热后生成了饱和的湿热空气,湿热空气与冷空气混合后,冷却、凝缩形成含 有许多微小液粒群的雾团,造成了蒸发损失。同 时,由于机械通风冷却塔高度较低,雾团飘散还影 响了周边居民区及交通道路的可见度,冷却塔周 围路面湿滑,影响工作人员的正常巡检。随着环保要求的提高,机械通风冷却塔节水消雾显得越来越重要。

  2、冷却塔工作原理对比

  2.1 传统机械通风冷却塔的工作原理

  来自工艺装置换热器的热循环水进入冷却塔的配水系统,通过配水系统(配水管、喷头)喷洒至比表面积很大的填料中形成水膜;冷却塔顶部 的风机旋转抽风,使冷却塔内形成负压,塔外干冷 空气不断进入塔内;热循环水和干冷空气在填料表面逆向接触,空气从水膜表面带走水分子产生蒸发散热,实现传质、传热过程;空气的热焓和湿度增加后成为湿热空气,通过风筒排向大气;水的热焓和温度降低后,落入冷却塔下部水池,经泵输送至工艺换热设备再次循环。

  2.2 节水消雾式冷却塔的结祠

  节水消雾式冷却塔结构如图1所示。

圆形逆流玻璃钢冷却塔

图1节水消雾式冷却塔结构

  将传统机械通风冷却塔内配水管线全部拆除,改为新型配水方式。新型配水方式采用塔外分支配水,共分2层,下层设12根配水管(管道B和管道C)对填料区配水,进行水的蒸发散热;上 层设6根配水管(管道A)连接翅片管换热器,热 循环水经换热后直接流入冷却塔下部水池。冷却塔翅片管区由翅片管和填料(高0.5 m)组成。

  2.3 节水消雾式冷却塔的工作原理

  2.3.1 节水工作原理

  每根配水管都设有独立的操作阀门,可根据 实际温度情况,调节各阀门的开度。环境温度较高时,为了保证冷却塔的冷却效果,大部分热循环水由下层配水管道B和配水管道C喷淋在原填料 区(高1.5 m)和翅片管下部填料区(高0.5 m),然后流入冷却塔下部水池,此过程中热循环水完全与空气接触进行蒸发式散热,因此不节水。环境温度较低时,在保证冷却塔冷却效果的前提下,一部分热循环水经下层配水管道C喷淋在原填料 区,然后流入冷却塔下部水池;另一部分热循环水 经上层配水管道A进入翅片管换热器进行间壁 传热,然后流入冷却塔下部水池,此过程中热循环 水不与空气接触,因此不存在蒸发,达到了 100% 节水效果。

  2.3.2 消雾工作原理

  当配水管道A和配水管道C打开时,翅片管 下部填料区不淋水,因此干冷空气经翅片换热器后温度升高,变成干热空气,含湿量不变;原填料区淋水,因此干冷空气通过填料区后变成湿热空气。干热空气与湿热空气在气室内混合,最后从风筒排出,与外界大气混合。经计算和数据模拟 混合空气在风筒出口的状态,温度最低时,混合空气在风筒出口为不饱和空

  气,不产生水蒸气凝结, 雾团基本消失,达到了减弱、消除雾团的目的。

  节水消雾式冷却塔正常运行时,配水管道C 始终开启,而同一风道的配水管道A和配水管道 B若同时开启则无法达到节水效果,因此,最佳节水工艺流程是开启配水管道C和配水管道A,关闭配水管道B。实际生产中,随着环境温度和热循环水温度的变化,可以逐只开启或关闭配水管道A和配水管道B对应的阀门,来调节冷却塔冷却效果和节水量。

  3、节水消雾式冷却塔设计参数

  1.1 节水消雾式冷却塔设计参数

  节水消雾式冷却塔由传统机械通风冷却塔为 基础改造,以某企业冷却塔为例,从能耗、节水效 果、消雾效果、经济效益等几个方面分析和说明本模式的可行性。

  原冷却塔釆用钢筋混凝土大跨距框架结构, 单塔轴线尺寸18 mxl8 m,塔型号CNF-4500;配 套MWDP型收水器和TX型填料;配水系统材质 选用Q235 + UPVC,填料支撑材质为FRP。节水消雾式冷却塔设计基本参数如表1所示。

项目 参数

大气压力/kPa

88.96

进塔空气温度(干球)/℃

31.6

进塔空气温度(湿球)/℃

21.5

进塔水温/℃

40

出塔水温/℃

30

设计处理水量/(m3 • h-1)

4500

风机直径/mm

9750

电机功率/kW

200

进冷却塔风*/(m3 -h-1)

2800000

表1节水消雾式冷却塔设计基本参数

  雾团主要岀现在冬季。以神华新疆吐鲁番煤化工有限责任公司生产装置所处的吐鲁番冬季气温为例,最冷月平均温度为-6.69℃,节水消雾式冷却塔干、湿段运行参数对比如表2所示,气室内混合空气参数如表3所示。

项目

参数

干段

湿段

水量/(m3 - h-1)

3500

1000

风量/(m3 - h-1)

1530000

1270000

进塔水温/℃

40

40

进塔空气温度(干球)/℃

-6.69

-6.69

出塔水温/℃

34.33

14.80

出塔空气温度℃

33.91

11.48

空气实际含湿量/(kg・• kg)

0.001270

0.015597

空气饱和含湿量/(kg • kg)

0.0026

0.0096

相对湿度/%  

162(过饱和,有雾)

蒸发系数  

0.0008662

冷却塔正常蒸发损失/(m3 -h)

 

38.98

干湿段混合出塔水温/℃

29.99(保证了冷却能力)

表2节水消雾式冷却塔干、湿段运行参数对比

项目 参数
气室内干湿混合空气状态参数  

温度/℃

23.66

含湿量(kg . kg)

0.00777

饱和含湿量/(kg . kg)

0.02108

环境大气状态参数

 
气体温度(干球)/℃

-6.69

气体含湿量/(kg・ kg)

0.00127

气体饱和含湿量/(kg • kg)

0.00260

表3气室内混合空气参数

  3.2 翅片管换热器

  3.2.1 翅片管换热器概述

  翅片管换热器采用钢铝翅片管,由铝管与钢管先加工成双金属复合管,再经机械冷轧,利用铝管的物理特性,制成以钢管为芯的管与冷轧成的铝翅片紧密结合为一体的翅片管。

  钢铝翅片管特点:①翅片紧密缠绕在基管外 表面,传热性能高,接触热阻小;②翅片与基管接 触面积大,贴合紧密、牢靠;③抗腐蚀性能好,长期 使用性能稳定;④最高使用压力W3.2 MPa,保证 了其工作压力的稳定性。

  3-2.2 翅片管换热器参数

  翅片管换热器共计6台,其规格为18.00 mx 1.63 mx0.31 mo翅片管换热器设计参数如表4 所示。

项目 参数 项目 参数

管内径/mm

20

翅片管排数/排

6

管外径/mm

25

翅片管根数/根

1944

翅片外径/mm

50

单根翅片管长度/m

8.50

翅片厚/mm

1

翅片管总长度/m

16524

翅片间距/mm

8

管间距/mm

60

 表4翅片管换热器设计参数

  4 节水消雾式冷却塔工艺计算

  1.1 翅片管换热器热量计算

  传热能量守恒定律:φ0=φ1=φ2

  传热方程:φ0= kA△tm

  循环水放热:φ1=Qm1Cq1(T进-T出)

  冷空气吸热:φ2=Qm2Cq2(t进-t出)

  平均温差:△tm = ( △tmax -△tmin )/ln ( Atmax/Atmin )

  式中:T进,T出——进、出翅片管换热器水温,℃;t进,t出——进、出翅片管换热器的空气 温度,℃;k——传热系数,W/(m2 •℃);φ——热流量,W;△tm ——平均温差,℃;cq——定压比热容,J/(kg . K);Qm1 水质量流量,kg/s;Qm2——空气质量流量,kg/s;A——传热面积,㎡。

  计算步骤: ①假设一个流体的出口温度,按热平衡方程求出另一个流体的出口温度; ②根据4个流体进、出口温度求得平均温差△tm,; ③根据翅片管换热器结构,算出相应工作条件下的传热系数k ; ④已知k、A和△tm ,按传热方程求出热流量φ0; ⑤根据4个流体进、出口温度,用热平衡方程求出φ1和φ2; ⑥比较步骤④和⑤中求得的φ1和 φ2,如两者不同,则说明步骤①中假设的温度不符合实际情况,需重新假设一个流体出口温度,重复上述步骤,直至φ1和 φ2彼此接近(两者之差在 2% -5%)时为止。

  4.2 冷却塔蒸发损失水量计算

  冷却塔湿段蒸发损失水量:Qe =Ke • △t.Q

  式中:Ke ——温度系数(表5);

  △t——进出塔水温差△t = t1-t2,℃

  Q——处理水量,m3/h。

进塔空气

Ke

进塔空气

Ke

-10 0.0008 20 0.0014
0 0.0010 30 0.0015
10 0.0012 40 0.0016

表5气温与虬值变化对应关系

  4.3 节水消雾式冷却塔消雾计算

  根据传热公式及冷却塔工艺计算公式,环境 温度最低时,出现雾团量最大。出塔空气与环境 大气的混合状态如图2所示。

圆形逆流玻璃钢冷却塔

图2出塔空气与环境大气的混合状态

  由图2可知,环境温度最低时,出塔空气含湿 量曲线与饱和空气含湿量曲线没有交点,所以节水消雾式冷却塔外排的空气为不饱和湿空气,没有水蒸气凝结,达到了消除雾团的目的。

  4.4 翅片管换热器风阻及风机轴功率变化

  4.4.1翅片管换热器风阻计算

  翅片管换热器风阻:

  △p =f.n. Gmax/2p=60(Pa)o 式中:△p——风阻,Pa;

  f-—翅片管摩擦系数;

  n——翅片管排数;

  Gmax——翅片管最窄截面的质量流速,kg/ (m2 , s);

  p——空气密度,kg/m3o

  4.4.2 风机功率变化计算

  翅片管下部填料区高为0.5 m,风阻约28 Pa; 翅片管换热器风阻△P=60 Pa;因此,综合风阻为 88 Pa。原填料高1.5 m,填料风阻△P=86Pa。翅 片管区和原填料区风阻基本一致,说明改造后风 机轴功率基本不变。

  4.5 水头损失

  根据《给排水设计手册(第一册)》中关于沿 程损失的计算:沿程损失h =iL,局部损失按沿程损失的25%计,可得水力损失≤3 m。阀门处水头压力约为20 m,则经过换热器的水头压力损失不大,完全能够满足喷头的配水压力。

  通过加装翅片管换热器后,冷却塔的经济性在能耗、节水等方面明显提高。加装翅片管换热器后,翅片管下部填料区高度降低,综合风阻与原填料区风阻基本一致,所以轴功率基本不变,没有增加能耗。

  按年运行365 d、吨水价格5元计,年均减少 蒸发水损失约90 kt,可节省资金约45万元。

  翅片管换热器投资成本为200万元,则投资回报率为4. 44年。若需新建传统机械通风冷却塔,投资需增加200万元。

  6 总结

  逆流冷却塔节水消雾改造技术可降低风吹损失、减小蒸发损失,提高了热循环水的使用率,更主要的是在节约水资源的同时,减少或消除可视雾团,是工业节水的有效措施和消雾的全新方向,在大型化工循环水场有较好应用前景。

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