无填料喷雾式冷却塔是一种新型的冷却塔,相较于传统型冷却塔取消了填料,采用高效低压离心雾化装置将水喷射成微小雾滴,增大了传热面积,改善了冷却效果,降低了运行及维护成本。
无填料喷雾式冷却塔的发展(1)下喷式喷雾冷却塔
填料式冷却塔如果使用在水质较差的系统中,塔内填料容易堵塞,另外填料易老化、变形、脆裂,易产生沟流现象,填料碎片还会堵塞工艺系统的设备和管道,影响气、水原始分布,降低塔内的有效换热面积。针对这些问题,国外首先开始试用下喷式喷雾冷却塔,这是一种和传统的填料式冷却塔完全不同的新型冷却塔。热水通过塔上部的布水管从与之连接的多个喷头向下喷洒,在塔内重新分布并与自下而上流动的冷空气逆流接触,水在冷却塔内是呈雾状与冷空气换热,大大增加了与冷空气的接触面积,使气水接触比表面积增大,与填料塔相比较,气水接触比表面积增大10%以上。另外,由于水在冷却塔内呈雾状,使塔内冷却介质的流动阻力大大减小,与填料塔相比较,在冷却空间对冷风的阻力从90~ 110Pa降至30Pa,阻力降低60%以上,风机、电机节电35%,通风量增大20%。
虽然下喷式喷雾冷却塔有这些明显的优势,但是在下喷的过程中,如果水由于压力或其它的原因无法充分地喷洒开来,有时甚至形成水流向下淌,不能使水呈雾状,会影响气水接触的比表面积,水下落的速度也会较快,导致气水换热时间不足。如果出现这种情况,会减弱无填料喷雾塔的优势,从而使得喷雾冷却塔的降温效果和填料式冷却塔的降温效果差别不大。从实际的使用情况来看,这种下喷式喷雾冷却塔尽管还有一些方面有待改进,但基本上能够满足生产需要,目前国内有少数厂家采用这种塔型。
(2)上喷式喷雾冷却塔
随着冷却塔技术的不断发展,现在的喷雾塔大多由下喷式改为上喷式。在塔内设置多组向上喷雾的装置,采用与冷风顺向喷雾的方法,使冷却具有顺流和逆流两个过程。首先,喷头将水与冷风同向向上喷出,在顺流换热的过程中水滴被冷风吹散雾化,达到一定高度后雾化的细小水滴开始向下运动,与冷风逆流换热。与填料塔和下喷式喷雾冷却塔相比较,水在上喷式无填料喷雾冷却塔内的换热时间长,降温效果要明显优于前两种塔。所以从操作过程来看上喷式塔保留了下喷式塔的优点,同时彻底解决了它的两个主要缺点,即水不易形成雾状和下落速度较快,使降温效果得到了很大程度的提高。
目前这种塔型正在国内较大面积地推广,从降温效果上看,要比填料塔好得多,特别是在高温水的降温上更加明显。同样的条件下,采用无填料喷雾冷却塔可降低温度10℃左右,在降温效果上具有很明显的优势。1
基本原理从热力学角度,无填料喷雾冷却塔和传统填料冷却塔都属于湿式冷却塔,主要通过水与空气直接接触时的热湿交换进行热量传递。热湿交换的结果是热量由水传给空气,水温下降,空气温度和含湿量增加。
由热力学理论可知,温差是传热过程的推动力,而水蒸汽分压力则是湿(质)交换的推动力。空气与水接触时,部分水吸收主体水的热量,蒸发形成水蒸汽,水蒸汽很快进入附近空气中,在水表面形成饱和空气边界层。饱和空气边界层和主流水之间存在热传导,同时与主流空气之间存在分子扩散和紊流扩散。正是这些扩散作用,使得边界层的饱和空气与主流空气不断掺混,主流空气越来越接近饱和状态,因此,水与空气的热湿交换过程可以视为水蒸发吸热过程、水与饱和空气边界层之间的导热过程和主流空气与边界层空气不断混合过程的叠加。假定与空气接触的水质量无限大,空气与水的接触时间无限长,即在所谓极限条件下,那么全部空气都能达到等于水温的饱和状态。而在冷却塔系统中,极限情况就是水温降低到进入冷却塔的空气初状态下的湿球温度。
众所周知,冷却塔的冷却降温效果取决于3个方面:(1)气水比,即塔内冷却空气量与冷却水量的比值;(2)塔内冷却空气和冷却水接触的比表面积;(3)冷却水在塔内与空气的换热时间。无填料喷雾冷却塔去除了填料,极大地减小了塔内系统阻力,增大了冷却空气量,从而增大了气水比;同时,无填料喷雾冷却塔通过喷雾装置将冷却水雾化成细小水滴,在换热区内热水滴与冷风进行显热交换和潜热交换,增加了换热面积,从而增大了气液接触的比表面积。1
结构特点1、无填料喷雾冷却塔采用高效低压离心雾化装置作为冷却元件取代了传统的填料塔的填料和布水装置,使整塔几乎成为一个空塔,结构大大简化。
2、无填料喷雾冷却塔在取消填料和布水装置后,将雾化装置安装在进风道上方,水的喷射方向与轴流风机抽吸的冷风同向,同时水有上升和下降两个过程,冷却也有顺流冷却和逆流冷却两个过程。
3、无填料喷雾冷却塔是通过雾化装置将水喷成雾状,使空气和水的微小粒状均匀接触,而填料塔是通过布水喷头将水分布在填料上以膜状与冷风接触。
4、无填料喷雾式塔因填料取消,使塔体载荷大大减小,勿需更多支承梁板,土建结构简化,节约土建投资。1
优点1、阻力小、冷却温差大、效果好
该型冷却塔由于取消了填料,塔的系统阻力降至原来的1/2,在风机相同的情况下,由风机特性曲线可知,风量增至原来的1.2倍。气水比也增至原来的1.2倍,因此冷却温差较填料塔大2℃。无填料喷雾式冷却塔喷雾雾粒均匀、无堵塞、无维修、运行稳定可靠。由于无填料冷却塔的冷却元件(高效低压离心雾化装置)将水喷射成0.5mm微小雾滴,其比表面积远大于水被填料分散成膜状的比表面积,气水传热表面积大,且布水均匀,避免了填料老化变形及堵塞而产生的死区、沟流等导致冷却点温度分布不均匀现象,冷却效果明显优于填料塔。
2、寿命延长
该型克服了填料塔填料老化、变形脆裂和布水喷头堵塞及冲落、填料脆片堵塞管道、泵和换热器等一系列影响塔和工艺系统设备性能的现象。其寿命较填料塔延长叁年以上。
3、运行费用低,后期维护费用少
节能效果显著:低压雾化装置工作压力仅为0.035MPa,比水压自转式雾化装置工作压力0.2MPa低0.17MPa,配套水泵功率大大降低。无填料喷雾塔系统阻力为填料塔的1/2左右,在冷却水量、风机相同时,配套电机功率降至填料塔的60%,节能效果显著,加之消除了清洗更换填料和布水喷头的费用,运行费用大大降低。1
无填料喷雾冷却塔的改进思路无填料喷雾式冷却塔虽然比填料式冷却塔在降温上有了很大的改善,但是其结构和使用情况还不完善,仍然有待进一步改进。下面针对现有的喷雾冷却塔在结构上的缺点提出几点改进思路:
(1)利用塔内有效高度
现在的喷雾冷却塔在喷头设计上有一定的缺陷,因为在热水上塔压力较高时,由于目前采用的喷头技术上的缺陷,水被喷头喷出的高度有限,为了使向上喷出的水达到最高点(即以不飞出收水器为极限),喷雾喷头的位置也相应较高,这样液滴在下落时利用了塔内的最大高度,但喷头以下的高度在水滴向上飞行过程中没有利用,首先损失了水的压力,其次使水在塔内的停留时间减少。在热水上塔压力较低的情况下,喷雾喷头的位置就必须设计得较低,利用静压使热水从喷头喷出时具有一定的喷出速度,以保证热水能形成喷雾状态。但在这种情况下,液滴无法达到收水器的高度,喷头上部的部分空间没有被有效地利用,难以达到理想的冷却效果。可以说,现有的喷雾式冷却塔设计主要受喷头喷水高度的限制,因此喷头的结构设计还有待进一步地改进。
(2)减少喷头数量,提高喷头效率
水从喷头飞出后以细小液滴的形式和空气进行换热是最佳的,但是塔内喷头数量多,会导致相应的布水管线复杂,细小液滴在下落时遇到管线会在其外表面凝聚,形成小的水流向下淌,然后降落,这样会减少水与空气的接触面积,降低冷却效果。现有的喷雾装置所使用的喷头通常每小时的喷量是3吨,冷却水量在500吨的冷却塔需要喷头多达167个,这样多的喷头需要在塔内分布很多的支管,从而使细小液滴在下落到这些支管上的时候凝聚。
现在使用的喷头,水从喷孔喷出时只能旋出一层水流,如果能够改进喷头的结构,按角度和高度不同分出多层水流,则单个喷头的喷量就会增加,这对于改善塔内的气水分布也是很重要的。因此,如何使单个喷头的设计喷量增加,减少喷头数量,同时尽量使水均匀分布开来并形成细小的液滴,是将来喷头设计时应着重考虑的一个问题。
(3)应用水流喷射技术
喷雾技术的应用在国外的研究已经达到了较高的水平,据美国Baitore Airced公司的最新设计成果,采用水流喷射技术,冷却塔不但没有填料,风机也省去了,但是热水需要达到一定的压力。热水通过压力喷头喷向塔内,同时带入大量的空气,空气和水流在塔内分散、扰动并充分地接触,在接触和蒸发过程中完成热量的传递,使水得到充分的冷却。由于没有风机,这种冷却塔的运行噪音较小。1
一种无填料二次雾化喷雾冷却塔在无填料喷雾冷却塔中,仅依靠喷雾装置还不能将冷却水雾化到理想的雾滴状态,水滴粒径仍比较大。同时,雾化后的小水滴在塔内分布也不均匀,通常是雾化喷嘴正下方的水滴分布密集,其它区域相对稀疏。另外,在塔内有一定的壁流现象,从而造成塔内冷却水换热不充分,影响冷却塔整体的降温效果。因此,为了改善上述缺陷,无填料二次雾化喷雾冷却塔在采用旋流雾化喷头的基础上增加了二次雾化装置,来增强其雾化效果。
塔体概述无填料二次雾化喷雾冷却塔的基本结构如图所示。
从上到下主要由电动机、风机、收水器、进水管、漩流雾化喷头、二次雾化装置、进风百叶窗、集水盘、出水管和支座组成,是一种新型的实验阶段的喷雾冷却塔。在塔内均匀设置了多个向下喷雾的漩流雾化喷头,与常规的喷雾冷却塔不同,它不仅采用了新型的漩流雾化喷头,而且在雾化喷头下方还布置了二次雾化装置。热水在水泵加压后通过塔上部的布水管从与之连接的多个漩流雾化喷头向下喷洒形成雾化水滴。高速的雾化水滴与布置在雾化喷头下方的二次雾化装置碰撞使水滴再次雾化,在塔内重新分布并与自下而上流动的冷空气逆流接触。水在冷却塔内是呈雾状与冷空气换热,大大增加了与冷空气的接触面积,使气水接触比表面积大大增大,同时,使水滴重新分布,更加均匀。2
雾化部件介绍1、漩流雾化喷头
现有雾化喷头,通常采用离心原理,将进水通过喷嘴和空气混合雾化,这类喷头的缺点是喷射雾滴的直径随进入喷头的压头相关性很高,在水压偏低的系统雾滴粒径偏大,影响了水滴的传热传质。同时由于喷嘴的喷射扩散角较大且存在中空现象,在小型塔容易产生壁流和水滴分布不均现象。无填料二次雾化喷雾冷却塔采用了一种雾化均匀且避免中空喷水的漩流雾化喷头,如图所示。
对应不同的水质,漩流雾化喷头采用工程塑料或者不锈钢制成。漩流进水管与供水干管采用螺纹连接,进水管内径同时与漩流腔内圆、漩流腔底面相切。漩流腔为圆柱体,漩流腔上部与漩流收缩腔连接。漩流收缩腔为圆锥体结构,漩流收缩腔与渐缩喷管和渐扩喷管组成的雾化喷嘴相连。渐缩喷管和渐扩喷管采用拉法尔喷管形状设计。渐扩喷管与喷嘴出口连接,喷嘴出口四周设有喷嘴引风孔和遮水沿。喷嘴引风孔直径为1mm~3mm,遮水沿高度为3mm~10mm。喷嘴出口与喷嘴引风孔和遮水沿组合控制扩散角度和淋水均匀性。其工作原理为:经过水泵加压后,水从漩流进水管沿切线进入漩流腔,随着水向漩流腔的中心流动,曲率半径越小,根据角动量守恒原理,其切线速度越大,在进入渐缩喷管和渐扩喷管时,水具有较高的旋转速度,较高的切线旋转速度有利于水滴克服表面张力形成较小的雾化水滴;水高速流出渐扩喷管时带动喷管出口区域的气体流动使得喷管的出口区域形成负压,从而使气体通过喷嘴引风孔进入喷头,强化水滴的雾化,同时由于喷嘴引风孔的空气流动方向是向中心引风,与出水方向相交,一方面强化了传热交换,另一方面使得部分水滴落在中心区域,缓解了雾化喷头中空现象;在喷嘴的四周布置了遮水沿,可以有效地控制水滴喷射流的扩散角度,从而减少壁流现象的发生。
2、二次雾化装置
由于受水压和雾化喷头本身结构的限制,水经喷头雾化后的水滴直径具有一定的限值,为了得到更小直径的水滴或雾滴,在无填料喷雾冷却塔中引入一种二次雾化装置,从而通过辅助手段来达到二次雾化水滴的目的。二次雾化装置为格栅状,材质为铝合金,厚度为15mm,格栅孔为边长10mm的小正方形,小正方形边厚为0.5mm。其工作原理为:水经漩流雾化喷头喷出后,形成快速下降的水滴,由于雾化喷头具有一定的扩散角,因此水滴下降与竖直方向具有一定的夹角。当快速下降的水滴与二次雾化装置碰撞时,一部分水滴直接撞在格栅孔边缘上而被切成更小的水滴,大部分水滴会与格栅孔的侧面碰撞而分裂成许多更小的水滴,从而达到二次雾化水滴的目的,增大水滴与空气的接触面积。同时,二次雾化装置还具有整流作用,水滴与二次雾化装置碰撞后,在塔内重新均匀分布,有效避免了水滴分布疏密不均的现象,有利于水与空气的充分换热。2
本词条内容贡献者为:
杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所