现有的逆流闭式冷却塔一般采用从塔体的下部进风方式, 存在流通面积小、流动阻力大的缺点。本文提出一种从中部进风、上下分流的闭式冷却塔的塔型设计, 流通面积是普通塔的倍, 可提高风量, 增强冷却塔的冷却效果。与上下进风逆流闭式冷却塔相比, 避免了由于上部进风容易造成湿热空气回流的缺点。这种新型冷却塔具有良好的应用前景。
关健词：闭式冷却塔 中部进风 空气回流

冷却塔根据被冷却水在塔内是否与空气接触, 可以分为开式与闭式。开式冷却塔中, 循环水和空气与塔部件相接触会带来一系列问题水质易受污染, 滋生军团菌, 设备腐蚀结垢等。闭式冷却塔主要依靠管外喷淋水的蒸发带走热量, 其冷却流体环路封闭, 不受环境污染的影响, 降低了系统结垢的可能性, 有利于系统的高效运行。随着空调系统对节能性要求的提高, 闭式冷却塔这种主要依靠自然冷源来提供冷量的设备也可以作为供冷设备使用, 比如在秋冬季节为全年需要制冷的场所供冷。另外, 闭式冷却塔在电力、冶金、化工和建筑空调领域, 都有着广泛的应用。随着闭式冷却塔的应用方面越来越多, 其研究也日益受到重视。

冷却塔按喷淋水与空气的流向又可分为横流塔和逆流塔。逆流塔中, 喷淋水与空气逆向流动,其传热传质温差或烩差比横流塔的大, 有利于传热闭。横流塔的空气流通面积比普通逆流塔的大空气流量比逆流塔的大, 有助于换热。逆流闭式冷却塔与逆流开式冷却塔塔型相似, 由于盘管数量增加, 逆流塔的阻力也相应增加, 空气流量进一步降低。在目前已有的相似于逆流开式冷却塔的闭式冷却塔中, 填料与管束无论是交错布置还是分开布置, 大多数还是存在上述的空气流通面积小和流动阻力大的缺点。为了克服这些缺点, 一些厂家设计从塔的上部或下部进风, 分别流过管束和填料。此举的确有利于形成较大的空气流通面积, 但这种塔的填料部分是横流形式, 比逆流形式的传热效果差, 而且容易从上部进风口吸人冷却塔排放的热空气, 不利于换热。也有研究人员设计从上下部进风的逆流闭式塔, 填料部分也为逆流形式叫, 尽管这改善了传热,但从上部进风的缺陷依然存在。为此, 笔者提出一个行之有效的改进方案, 即从中部进风的闭式冷却塔。此塔的主要设计思路是, 从塔的中部进风, 空气分股向上流经填料区, 与喷淋水逆向流动并进行热质交换向下则流经管束区, 与喷淋水同向流动并进行热质交换, 同时空气和喷淋水均横掠管束, 与管内流体呈叉流,但与管内流体总的流向呈逆流。以上种流体流向的布置在传热传质机制上更趋合理, 并已获专利。

新塔型结构以及与其他塔型的比较

在闭式冷却塔内进行个传热传质过程被冷却水的冷却过程和空气的增温增湿过程。被冷却水的降温是由于其与喷淋水的换热。如果不考虑循环使用的喷淋水蒸发被空气带走的水分, 且因为喷淋水对于换热段的进口水温等于出口水温,就可以将喷淋水视为传热过程的增强媒介, 在整个冷却过程中起着重要的作用。下面笔者将对“ 无填料逆流闭式冷却塔” 、“ 普通带填料逆流闭式冷却塔”和“ 新型中部进风闭式冷却塔”这种塔型的结构进行比较。根据传热原理, 对比各塔型的优缺点,定性论证“ 新型中部进风闭式冷却塔” 的优越性。

塔型一无填料逆流闭式冷却塔无填料逆流闭式冷却塔的结构如图所示被冷却水上进下出。图为该塔的流体温度变化曲线图。

从图可以看到, 整个换热过程温差或烩差不均匀, 特别是塔体下半部分喷淋水与被冷却水之间的温差太小, 影响了传热。改进的方法通常是在塔的底部放置填料, 如塔型二。

塔型二普通带填料逆流闭式冷却塔普通带填料逆流闭式冷却塔的结构如图所示, 与塔型一的区别在于塔的下部放置了填料。另外, 被冷却水是下进上出, 与喷淋水形成逆流,有利于换热。从塔型一的温度分布图可以看出,在塔型一的下部, 喷淋水温度出现了下降。这说明下部部分换热管的功能与开塔填料的功能使喷淋水降温相同, 而其效率低于填料的效果, 管子成本又高于填料成本。因此, 在管束下部放置填料, 实现使喷淋水降温的功能, 既节省成本, 又提高效率。图为普通带填料逆流闭式冷却塔的流体温度变化曲线。

从图可以看出, 被冷却水与喷淋水之间的温差在换热过程中比较均匀, 平均换热温差高于塔型一。另外, 喷淋水在管束区中的温度变化基本上是上升的, 管束区承担填料的功能弱化。虽然空气经过填料区被增温增湿, 其在管束区的蒸发冷却能力有所减弱, 但下部填料区使喷淋水降温, 提高了管束区的喷淋水与被冷却水间的传热温差, 从而总体提高了管束区的冷却效果。但是如前所述, 该塔型空气的流通面积小, 流动阻力大, 因而空气流通量小, 传热效率的提高受限。另外, 管束区喷淋水与空气之间的温差或焙差不均匀, 也影响了传热效率。为此, 笔者提出了下面的塔型改进方案。

塔型三新型中部进风逆流闭式冷却塔

笔者所提出的新型中部进风逆流闭式冷却塔结构如图所示。塔型三和普通逆流闭式冷却塔的最大不同是, 在冷却塔的个侧面中部分别开有进风口, 每个进风口又被中间水盘分隔为上下部分。从中部进人的空气分股向上流经填料区,与喷淋水逆向流动并进行热质交换后从塔顶排出向下则流经管束区, 与喷淋水同向流动并进行热质交换, 同时空气和喷淋水均横掠管束, 与管内流体呈叉流, 但与管内流体总的流向呈逆流。向下的空气到塔底部后, 又从另个侧面与块通道隔板构成个排风通道向上从塔顶排出。图为该塔的流体温度变化曲线图。

与图相比, 管束区喷淋水与空气之间的温差或恰差在换热过程中更均匀。更为重要的是该塔型的空气流通面积是“ 塔型一”或“ 塔型二”的倍, 流动阻力则为。这种结构的风量和风阻, 更适合于大流量、低全压特点的冷却塔轴流风机。风量增大后, 空气的增温增湿减缓, 空气与喷淋水之间的传热传质驱动力增大, 能够非常有效地改善换热效果。管束区空气与喷淋水的同向流动, 能够使喷淋水很好地覆盖在盘管上, 保持盘管表面完全湿润, 并且可以有效减少因空气与喷淋水逆向流动在管表面形成干点而产生结垢的可能性。

值得一提的是, 李辉等提出的上下进风逆流闭式冷却塔, 同样具有“ 塔型三” 的传热机制和结构方面的优点, 但上部进风口离出风口太近, 易造成湿热空气回流。另外, 该塔型管束在上部, 填料在下部, 而笔者所提出的“ 塔型三” 管束在下, 填料在上, 重心降低, 有利于塔体稳定, 也有利于安装与检修。

结论

笔者提出了一种在传热传质机制上更加合理的新型中部进风闭式冷却塔。该塔能够很好地解决普通逆流闭塔空气流通面积小、风阻大的缺点。该新型冷却塔中的换热部分—填料区和盘管区分别形成空气与喷淋水、喷淋水与被冷却水的逆向流动, 可以增大喷淋水和被冷却水之间、空气和喷淋水之间的传热传质的平均温差或烩差, 增强换热效果。与上下进风逆流闭式冷却塔相比较, 新型冷却塔可以减弱出口湿热空气回流的不利影响。该冷却塔中的盘管位于底部, 便于安装与检修, 并使塔体重心下降, 更稳定。