無填料冷卻塔的理論與實驗研究.pdf

1、針對填料冷卻塔存在的某些缺陷，無填料噴霧冷卻塔去除了冷卻塔的填料部分，對配水部分進行了較大改進，使循環(huán)水在淋水區(qū)域形成足夠小的水滴，在無填料的情況下能夠進行充分的水氣熱質(zhì)交換，從而達(dá)到循環(huán)水冷卻的目的，對處理高溫、高濁度、易結(jié)垢循環(huán)水有著重要的意義。本文對無填料噴霧冷卻塔中熱水水滴在空氣中的運動規(guī)律及其與空氣間的傳熱傳質(zhì)問題建立合理的數(shù)學(xué)模型以及進行了以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的炯分析，用數(shù)值模擬結(jié)果指導(dǎo)實驗研究和理論分析，結(jié)合對噴破碎技術(shù)

2、對海水無填料冷卻塔性能進行了分析，并根據(jù)理論和實驗研究設(shè)計了上噴式無填料冷卻塔，形成了一套較為系統(tǒng)的研究內(nèi)容，為無填料冷卻塔設(shè)計及運行的實際應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。本文研究內(nèi)容及結(jié)論分述如下： 在已有水滴受力及運動分析研究的基礎(chǔ)上，針對其在無填料冷卻塔中運動特性方面的基本認(rèn)識，詳細(xì)推導(dǎo)并求解了水滴在無填料冷卻塔中的運動方程，得到了計算噴霧冷卻塔高度、噴頭安裝位置、塔高以及噴頭塔壁距離的方法，為無填料冷卻塔的設(shè)計提供了理論依據(jù)。根據(jù)水

3、滴與氣流的不同方式，分析了水滴在無填料冷卻塔中的詳細(xì)過程，并得到了不同風(fēng)速下可能存在的水滴的最大半徑和最小半徑。研究了上噴式無填料冷卻塔中水滴當(dāng)量直徑及初速度對水滴上升高度的影響，分析中發(fā)現(xiàn)，在空氣速度和水滴直徑不變的情況下，水滴初速度越大，上升高度越高，水滴容易飛出；但是空氣速度和水滴初速度不變的情況下，并非小水滴容易飛出，水滴過大也會造成上升高度過高，給除水器造成過大壓力。 為了更深入地研究對噴式無填料冷卻塔的冷卻特性，根據(jù)

4、最新的碰撞分離模型，對水滴的對碰破碎情況做了分析，分析發(fā)現(xiàn)液滴碰撞現(xiàn)象很大程度上依賴液滴的屬性。通過比較淡水與海水水滴的碰撞情況發(fā)現(xiàn)，由摩擦分離和反濺分離生成的海水水滴直徑大于淡水水滴的直徑。根據(jù)碰撞模型給出了對噴式無填料冷卻塔海水水滴冷卻性能分析，通過分析發(fā)現(xiàn)，如果在塔內(nèi)將海水霧化后得到的水滴直徑較小時，海水冷卻效果可以與淡水冷卻效果相近，為海水無填料冷卻塔的研究奠定了理論基礎(chǔ)。 對無填料冷卻塔的傳熱傳質(zhì)進行了理論研究，建立了

5、在Merkel假設(shè)基礎(chǔ)上的一維無填料冷卻塔的數(shù)值模型和初步的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將傳熱傳質(zhì)模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算的結(jié)果應(yīng)用于對噴式無填料冷卻塔同實驗結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)果更為接近實驗數(shù)據(jù)，因此采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性數(shù)學(xué)模型可以提高無填料冷卻塔出口水溫的計算精度，更適應(yīng)各種非線性參數(shù)的變化，能夠?qū)o填料冷卻塔的運行特性進行精確評價。但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型只能得到最后的結(jié)果，要對冷卻塔的各個參數(shù)進行分析優(yōu)化，并要更加深入了解塔內(nèi)的傳熱傳質(zhì)狀況

6、，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型就無法發(fā)揮作用了。本文所建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對工程領(lǐng)域中冷卻塔運行特性的評估過程具有重要參考意義。 在摒棄模型1的兩個假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立了無填料冷卻塔2，并對無填料冷卻塔中過熱空氣與水的傳熱傳質(zhì)過程進行了模擬，對兩個模型的計算結(jié)果與實驗結(jié)果進行了分析比較。發(fā)現(xiàn)使用模型2得到的結(jié)果與實際測量結(jié)果更為接近。因為模型2中并未使用冷卻塔計算中通常假定的條件，更接近冷卻塔的實際運行情況，因此更為精確嚴(yán)格。分析發(fā)現(xiàn)，使用模型

7、1和模型2預(yù)測的出口水溫差別不大。但是在溫度較高和濕度較小的周圍環(huán)境下，模型1和模型2方法得到的出口水溫差別增大，即模型2方法預(yù)測的出口水溫低于模型1預(yù)測的結(jié)果。這是因為模型1和模型2方法預(yù)測的出口空氣溫度存在差異。而傳統(tǒng)冷卻塔中是否使用假設(shè)的兩種方法預(yù)測的出口水溫基本一致，是因為在填料性能分析中使用了實驗測試的方法，減小了假設(shè)條件引起的差異。使用模型2方法預(yù)測的空氣出口溫度高于模型1的預(yù)測結(jié)果。周圍溫度較低時，使用兩種方法預(yù)測的空氣出

8、口溫度之間的差異最小。當(dāng)周圍空氣溫度上升，如果空氣濕度很小，預(yù)測的空氣出口溫度的差異會增大。當(dāng)給定的溫度下的空氣濕度增加，這種差異減少。 以本文的傳熱傳質(zhì)模型為基礎(chǔ)，利用火用分析研究無填料冷卻塔的性能，為無填料冷卻塔性能深入研究提供了一個方法。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：水火用定義為水中攜帶的有用能，其隨著塔從項部到底部不斷減少，水提供的火用數(shù)量大于空氣吸收的數(shù)量，因為系統(tǒng)產(chǎn)生了熵。為了描述水和空氣之間的可用火用，給出沿著塔內(nèi)每種工作流體的炯。通

9、過研究發(fā)現(xiàn)，空氣火用主要由蒸發(fā)換熱來獲得。火用損自塔頂部至底部逐漸增大，火用損的這種分布特性可作為優(yōu)化方法增大無填料冷卻塔的運行性能。結(jié)合這一結(jié)論，對于無填料冷卻塔，制約其性能的一個重要因素，就是隨著水滴的下落，到達(dá)塔底部時，水滴速度迅速增大，與新鮮空氣之間的傳熱傳質(zhì)過程極其短暫，使得水傳遞給空氣的有用能減少，也就使得火用損增大。另外，無填料冷卻塔內(nèi)，由于沒有填料整流作用，上部空氣速度更大，這也是造成項部火用損小于底部火用損的一個原因。

10、 通過對引氣霧化噴頭進行試驗研究發(fā)現(xiàn)，引氣霧化噴頭的流量系數(shù)平均為0.463，1mm以下的占整個粒徑的絕大部分，達(dá)到85％以上；對于同一噴頭出口壓力，沿徑向從里到外1mm以下的粒徑所占的百分比逐漸降低，1mm以上粒徑所占百分比逐漸升高；對于不同出口壓力，在徑向同一位置隨著噴頭出口壓力的增加粒徑呈現(xiàn)逐步細(xì)化的趨勢。噴頭布水均勻性較好，所需工作壓力低，霧化效果明顯，適合于無填料冷卻塔的使用。本文設(shè)計的無填料上噴式霧化冷卻塔采用試驗選