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玻璃鋼冷卻塔風筒
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玻璃鋼冷卻塔風筒

在傳統機械通風冷卻塔運行過程中,冷空氣在冷卻塔內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,造成了蒸發損失。
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  1、冷卻塔節水消霧的重要性

  在傳統機械通風冷卻塔運行過程中,冷空氣在冷卻塔內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,造成了蒸發損失。同 時,由于機械通風冷卻塔高度較低,霧團飄散還影 響了周邊居民區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。隨著環保要求的提高,機械通風冷卻塔節水消霧顯得越來越重要。

  2、冷卻塔工作原理對比

  2.1 傳統機械通風冷卻塔的工作原理

  來自工藝裝置換熱器的熱循環水進入冷卻塔的配水系統,通過配水系統(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 的風機旋轉抽風,使冷卻塔內形成負壓,塔外干冷 空氣不斷進入塔內;熱循環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生蒸發散熱,實現傳質、傳熱過程;空氣的熱焓和濕度增加后成為濕熱空氣,通過風筒排向大氣;水的熱焓和溫度降低后,落入冷卻塔下部水池,經泵輸送至工藝換熱設備再次循環。

  2.2 節水消霧式冷卻塔的結祠

  節水消霧式冷卻塔結構如圖1所示。

圓形逆流玻璃鋼冷卻塔

圖1節水消霧式冷卻塔結構

  將傳統機械通風冷卻塔內配水管線全部拆除,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12根配水管(管道B和管道C)對填料區配水,進行水的蒸發散熱;上 層設6根配水管(管道A)連接翅片管換熱器,熱 循環水經換熱后直接流入冷卻塔下部水池。冷卻塔翅片管區由翅片管和填料(高0.5 m)組成。

  2.3 節水消霧式冷卻塔的工作原理

  2.3.1 節水工作原理

  每根配水管都設有獨立的操作閥門,可根據 實際溫度情況,調節各閥門的開度。環境溫度較高時,為了保證冷卻塔的冷卻效果,大部分熱循環水由下層配水管道B和配水管道C噴淋在原填料 區(高1.5 m)和翅片管下部填料區(高0.5 m),然后流入冷卻塔下部水池,此過程中熱循環水完全與空氣接觸進行蒸發式散熱,因此不節水。環境溫度較低時,在保證冷卻塔冷卻效果的前提下,一部分熱循環水經下層配水管道C噴淋在原填料 區,然后流入冷卻塔下部水池;另一部分熱循環水 經上層配水管道A進入翅片管換熱器進行間壁 傳熱,然后流入冷卻塔下部水池,此過程中熱循環 水不與空氣接觸,因此不存在蒸發,達到了 100% 節水效果。

  2.3.2 消霧工作原理

  當配水管道A和配水管道C打開時,翅片管 下部填料區不淋水,因此干冷空氣經翅片換熱器后溫度升高,變成干熱空氣,含濕量不變;原填料區淋水,因此干冷空氣通過填料區后變成濕熱空氣。干熱空氣與濕熱空氣在氣室內混合,最后從風筒排出,與外界大氣混合。經計算和數據模擬 混合空氣在風筒出口的狀態,溫度最低時,混合空氣在風筒出口為不飽和空

  氣,不產生水蒸氣凝結, 霧團基本消失,達到了減弱、消除霧團的目的。

  節水消霧式冷卻塔正常運行時,配水管道C 始終開啟,而同一風道的配水管道A和配水管道 B若同時開啟則無法達到節水效果,因此,最佳節水工藝流程是開啟配水管道C和配水管道A,關閉配水管道B。實際生產中,隨著環境溫度和熱循環水溫度的變化,可以逐只開啟或關閉配水管道A和配水管道B對應的閥門,來調節冷卻塔冷卻效果和節水量。

  3、節水消霧式冷卻塔設計參數

  1.1 節水消霧式冷卻塔設計參數

  節水消霧式冷卻塔由傳統機械通風冷卻塔為 基礎改造,以某企業冷卻塔為例,從能耗、節水效 果、消霧效果、經濟效益等幾個方面分析和說明本模式的可行性。

  原冷卻塔釆用鋼筋混凝土大跨距框架結構, 單塔軸線尺寸18 mxl8 m,塔型號CNF-4500;配 套MWDP型收水器和TX型填料;配水系統材質 選用Q235 + UPVC,填料支撐材質為FRP。節水消霧式冷卻塔設計基本參數如表1所示。

項目 參數

大氣壓力/kPa

88.96

進塔空氣溫度(干球)/℃

31.6

進塔空氣溫度(濕球)/℃

21.5

進塔水溫/℃

40

出塔水溫/℃

30

設計處理水量/(m3 ? h-1)

4500

風機直徑/mm

9750

電機功率/kW

200

進冷卻塔風*/(m3 -h-1)

2800000

表1節水消霧式冷卻塔設計基本參數

  霧團主要岀現在冬季。以神華新疆吐魯番煤化工有限責任公司生產裝置所處的吐魯番冬季氣溫為例,最冷月平均溫度為-6.69℃,節水消霧式冷卻塔干、濕段運行參數對比如表2所示,氣室內混合空氣參數如表3所示。

項目

參數

干段

濕段

水量/(m3 - h-1)

3500

1000

風量/(m3 - h-1)

1530000

1270000

進塔水溫/℃

40

40

進塔空氣溫度(干球)/℃

-6.69

-6.69

出塔水溫/℃

34.33

14.80

出塔空氣溫度℃

33.91

11.48

空氣實際含濕量/(kg?? kg)

0.001270

0.015597

空氣飽和含濕量/(kg ? kg)

0.0026

0.0096

相對濕度/%  

162(過飽和,有霧)

蒸發系數  

0.0008662

冷卻塔正常蒸發損失/(m3 -h)

 

38.98

干濕段混合出塔水溫/℃

29.99(保證了冷卻能力)

表2節水消霧式冷卻塔干、濕段運行參數對比

項目 參數
氣室內干濕混合空氣狀態參數  

溫度/℃

23.66

含濕量(kg . kg)

0.00777

飽和含濕量/(kg . kg)

0.02108

環境大氣狀態參數

 
氣體溫度(干球)/℃

-6.69

氣體含濕量/(kg? kg)

0.00127

氣體飽和含濕量/(kg ? kg)

0.00260

表3氣室內混合空氣參數

  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復合管,再經機械冷軋,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合為一體的翅片管。

  鋼鋁翅片管特點: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,長期 使用性能穩定;④最高使用壓力W3.2 MPa,保證 了其工作壓力的穩定性。

  3-2.2 翅片管換熱器參數

  翅片管換熱器共計6臺,其規格為18.00 mx 1.63 mx0.31 mo翅片管換熱器設計參數如表4 所示。

項目 參數 項目 參數

管內徑/mm

20

翅片管排數/排

6

管外徑/mm

25

翅片管根數/根

1944

翅片外徑/mm

50

單根翅片管長度/m

8.50

翅片厚/mm

1

翅片管總長度/m

16524

翅片間距/mm

8

管間距/mm

60

 表4翅片管換熱器設計參數

  4 節水消霧式冷卻塔工藝計算

  1.1 翅片管換熱器熱量計算

  傳熱能量守恒定律:φ0=φ1=φ2

  傳熱方程:φ0= kA△tm

  循環水放熱:φ1=Qm1Cq1(T進-T出)

  冷空氣吸熱:φ2=Qm2Cq2(t進-t出)

  平均溫差:△tm = ( △tmax -△tmin )/ln ( Atmax/Atmin )

  式中:T進,T出——進、出翅片管換熱器水溫,℃;t進,t出——進、出翅片管換熱器的空氣 溫度,℃;k——傳熱系數,W/(m2 ?℃);φ——熱流量,W;△tm ——平均溫差,℃;cq——定壓比熱容,J/(kg . K);Qm1 水質量流量,kg/s;Qm2——空氣質量流量,kg/s;A——傳熱面積,㎡。

  計算步驟: ①假設一個流體的出口溫度,按熱平衡方程求出另一個流體的出口溫度; ②根據4個流體進、出口溫度求得平均溫差△tm,; ③根據翅片管換熱器結構,算出相應工作條件下的傳熱系數k ; ④已知k、A和△tm ,按傳熱方程求出熱流量φ0; ⑤根據4個流體進、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,則說明步驟①中假設的溫度不符合實際情況,需重新假設一個流體出口溫度,重復上述步驟,直至φ1和 φ2彼此接近(兩者之差在 2% -5%)時為止。

  4.2 冷卻塔蒸發損失水量計算

  冷卻塔濕段蒸發損失水量:Qe =Ke ? △t.Q

  式中:Ke ——溫度系數(表5);

  △t——進出塔水溫差△t = t1-t2,℃

  Q——處理水量,m3/h。

進塔空氣

Ke

進塔空氣

Ke

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

表5氣溫與虬值變化對應關系

  4.3 節水消霧式冷卻塔消霧計算

  根據傳熱公式及冷卻塔工藝計算公式,環境 溫度最低時,出現霧團量最大。出塔空氣與環境 大氣的混合狀態如圖2所示。

圓形逆流玻璃鋼冷卻塔

圖2出塔空氣與環境大氣的混合狀態

  由圖2可知,環境溫度最低時,出塔空氣含濕 量曲線與飽和空氣含濕量曲線沒有交點,所以節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,達到了消除霧團的目的。

  4.4 翅片管換熱器風阻及風機軸功率變化

  4.4.1翅片管換熱器風阻計算

  翅片管換熱器風阻:

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

  f-—翅片管摩擦系數;

  n——翅片管排數;

  Gmax——翅片管最窄截面的質量流速,kg/ (m2 , s);

  p——空氣密度,kg/m3o

  4.4.2 風機功率變化計算

  翅片管下部填料區高為0.5 m,風阻約28 Pa; 翅片管換熱器風阻△P=60 Pa;因此,綜合風阻為 88 Pa。原填料高1.5 m,填料風阻△P=86Pa。翅 片管區和原填料區風阻基本一致,說明改造后風 機軸功率基本不變。

  4.5 水頭損失

  根據《給排水設計手冊(第一冊)》中關于沿 程損失的計算:沿程損失h =iL,局部損失按沿程損失的25%計,可得水力損失≤3 m。閥門處水頭壓力約為20 m,則經過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。

  通過加裝翅片管換熱器后,冷卻塔的經濟性在能耗、節水等方面明顯提高。加裝翅片管換熱器后,翅片管下部填料區高度降低,綜合風阻與原填料區風阻基本一致,所以軸功率基本不變,沒有增加能耗。

  按年運行365 d、噸水價格5元計,年均減少 蒸發水損失約90 kt,可節省資金約45萬元。

  翅片管換熱器投資成本為200萬元,則投資回報率為4. 44年。若需新建傳統機械通風冷卻塔,投資需增加200萬元。

  6 總結

  逆流冷卻塔節水消霧改造技術可降低風吹損失、減小蒸發損失,提高了熱循環水的使用率,更主要的是在節約水資源的同時,減少或消除可視霧團,是工業節水的有效措施和消霧的全新方向,在大型化工循環水場有較好應用前景。

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