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密閉式冷卻塔技術的發展及現狀
密閉式冷卻塔技術的發展及現狀

在開放式冷卻塔中,冷卻水與空氣直接接觸,所以使用過一段時間後,冷卻水會有污垢現象產生,不易清洗,進而管路堵塞,設備傳熱效果下降。密閉冷水塔則可避免這一情況,管內之工作流體不與空氣直接接觸,保持了工作流體的清潔。

密閉式冷卻塔源于蒸發冷卻器,始于上個世紀中期,隨著化工、冶金、電子工業的發展,才逐漸開始被應用。對于蒸發冷卻技術,早在公元前250年,古埃及人就己經懂得利用水分蒸發進行供冷。上個世紀,世界各國對蒸發冷卻技術也進行過多方面的研究,到了70年代,能源危機的出現使得蒸發冷卻技術的應用逐步得到重視。在80年代,當發現對人類生存構成巨大威脅的災難性氣候都和空調制冷行業有關以後,蒸發式冷卻技術等利用自然條件取得冷量的被動式供冷技術得到了迅速發展。美國人ASHRAE為此成立了名為“蒸發冷卻”的技術委員會,旨在提倡應用蒸發冷卻技術,收集並出版蒸發冷卻系統的應用、安裝、運行與維護數據,發布規範、標準,肯定並獎勵對蒸發冷卻的研究,以此來推廣蒸發冷卻設備在全世界的應用。

Parker和Treyball基于忽略蒸發到冷卻空氣中的水量,假設在常溫下將飽和空氣的焓看作溫度的線性函數,從蒸發式冷卻器的管內介質傳熱、傳質性能出發,闡述了蒸發式冷卻器的傳熱、傳質機理,並通過實驗得到了傳熱膜系數的關聯式。

Mazushina對蒸發冷卻器的熱力計算,提出可假定管外噴淋水溫度恆定或者認為噴淋水膜溫度變化的計算方法,並在編著的熱交換器手冊中詳細地介紹了一套換熱器的設計計算方法。

Webb將冷卻塔、蒸發式冷凝器和蒸發式冷卻器三者的理論模型統一起來,水膜的傳熱系數和通過水膜傳遞給空氣的傳質系數分別用不同的系數表示。隨後,Webb和Villacres用三個運算法則和計算模型來描述和分析了冷卻塔、流體冷卻器和蒸發式冷凝器。

Peterson采用數值模擬的方法來分析間接蒸發冷卻,但數值模擬與實驗測試數據的比較表明模型對一些運行條件下系統能量的節約和系統特性的準確預測存在一定的缺陷。在這種條件下,Peterson推薦使用試驗數據得來的相關系數來獲得必要的設計與特性依據。

WoJciechZalewski提出一種水與空氣以逆流形式來冷卻盤管中流體的數學模型,並通過運用傳熱和傳質之間的類比來得到傳質系數。JorgeFacao對一個小型密閉式冷卻塔進行了傳熱傳質測試,擬合傳熱過程關聯式,得出的熱質傳遞關系式與簡化的理論模型比較吻合。

國內在蒸發冷卻技術方面的研究也做了一些工作,包括蒸發冷卻理論的研究、密閉式冷卻塔的性能試驗研究等。

劉乃玲等人以要求換熱面積最小、阻力最小為限制條件,對閉式冷卻塔的管式蒸發冷卻器的結構優化進行了研究,分析了結構參數對管式蒸發冷卻器的面積及風機和水泵能耗的影響。

李子鈞等人以各種逆流密閉式冷卻塔換熱模塊為研究對象,分析不同情況下的淋水溫度分布,並提出了一套熱力計算方法。

劉晶分析了密閉式冷卻塔冷卻過程的換熱機制,建立了穩態換熱模型,並根據解析求解結果編制穩態換熱仿真程序,利用該程序對密閉式冷卻塔內部流體溫度和焓值分布進行模擬計算,將塔內流體的出口參數的理論計算結果與實測數據進行比較,最大誤差在9%以內,證明了該結果的可靠性。

趙芳平研究了密閉式冷卻塔中通過對中央空調冷卻水系統的清洗和水質處理,來提高換熱效率,防止和減少腐蝕,延長空調的使用壽命。

牛潤萍等人主要研究空氣焓值、含濕量、冷卻水溫等的分布情況,通過對閉式冷卻塔內部換熱機理的研究,建立數學模型而得到解析解來探討對閉式冷卻塔性能的影響規律。李永安等人則利用所建的小型實驗台對空調系統用密閉式冷卻塔的各項性能指標進行測試,通過對密閉式冷卻塔的熱工性能模擬以及空氣入口參數,空氣質量流量,噴淋水量等參數的研究對冷卻塔性能的影響,得到了冷卻盤管空氣阻力計算式。

劉東興等人,分析了空氣和水的熱、質交換過程,在遵循能量守恆和物質守恆定律基礎上,建立了逆流密閉式冷卻塔淋水填料熱、質交換的數學模型。利用迭代法,通過計算機程序求解模型,並進行了實驗驗證。研究結果表明︰數學模型計算所得到的計算值與實驗測量值進行比較,偏差在0.25%以內。

游江等人基于CFD軟件和逆流密閉式冷卻塔相關理論,對氣流運動采用標準k-ε湍流模型,填料區、雨區和盤管區采用離散相模型計算,對填料區的膜狀流動用滴狀流動近似模擬。模擬分析了淋水密度和環境條件對冷卻塔熱力特性的影響,並分析得到了使冷卻塔性能達到最優的無量綱參數氣水比的取值,得到如下結論︰淋水密度和環境條件對逆流密閉式冷卻塔的換熱效果影響很大。

周文淵等人提出了一種新型結構的密閉型濕式冷卻塔,冷卻水與噴淋水通過銅管換熱,且在冷卻塔中布置塑料管增加空氣和噴淋水的傳質面積,噴淋水和空氣在銅管和塑料管表面進行熱質交換。並且基于一維瞬態數學模型,考察了該冷卻塔在不同運行條件下的性能,並與傳統閉式冷卻塔進行比較,得到了關于這種新的密閉型濕式冷卻塔的可行性的結論。