水的冷却原理解析与优化方案

冷却塔冷却水的过程属热质传递过程。被冷却的水用喷嘴、布水器或配水盘分配至冷却塔内部填料处，大大增加水与空气的接触面积。空气由风机、强制气流、自然风或喷射的诱导效应而循环。部分水在等压条件下吸热而汽化，从而使周围的液态水温度下降。

图10-1的空气焓湿图中反映逆流式冷却塔中水与空气的温度关系。水温从A点降到B点，空气状态从C点升到D点，Δh则为空气焓值的增加。冷却塔进出口水温差（t_wA-t_wB）为冷却塔的冷却范围。在稳态系统中，如冷却塔与换热器的水量相等，此值亦为换热器中水的温度升高值。因此，冷却塔的冷却范围由热负荷及水流量决定，而不是由冷却塔的尺寸或热容量而定。

冷却塔出口水温t_wB与入口空气湿球温度t_s之差（t_wB-t_sC），表示与湿球温度的接近程度，或简称冷幅。此值为冷却塔容量的函数，水、空气流量、入口空气状态、热负荷一定时，大的冷却塔该值就小（出口水温低）。

图10-1 水与空气的温度关系

在冷却塔中主要考虑蒸发散热和接触散热。设水温为t_w，空气的干球温度为t_g，湿球温度为t_s，单位面积、单位时间的接触散热量为q_a，蒸发散热量为q_b。可分为图10-2所示的四种传热情况：

1）t_w＞t_g，即水温大于气温。两种热量都由水面散向空气，q=q_a+q_b，水温降低，水量产生蒸发损失。

2）t_w=t_g，即水温和气温相等。接触散热停止，蒸发散热照常进行，q=q_b，水温降低，水量产生蒸发损失。

3）t_s＜t＜t_g。由于水温低于空气干球温度，从空气向水中产生接触传热；水面蒸发散热照常进行，q=q_b-q_a＞0，水温降低。(www.xing528.com)

4）t_w=t_s＜t_g。同3）的传热情况，但q_a=q_b，所以q=0，即水温不再降低，但蒸发仍在发生。如果水温继续下降，将产生q_a＞q_b，水温又会升高，所以t_w=t_s是水冷却的极限。

图10-2 水面散热过程

a）t＞θ b）t=θ c）τ＜t＜θ d）t=I＜θ

上述情况可用图10-3表示。图中横坐标为水温，纵坐标为单位冷却面积上的散热量。空气参数：干球温度t_g1=26.6°C；湿球温度t_s1=15.7℃，大气压力p_a=99.3kPa；相对湿度φ=0.27，表面传热系数a=0.1419kW/（m²·K）。由图可见，随着水温的升高，总散热量也在增大，且蒸发散热量大于接触散热量。由于散热而使水温降低，当水温降到空气的干球温度26.6℃时，接触散热变为零，只剩下蒸发散热。当水温再降低，接触散热变为负值，即由空气向水传热，总散热量越来越小。当水温降到湿球温度15.7℃时，水的蒸发散热量等于空气向水中所输入的接触传热量，总散热量变为零，水温不再下降。当水温接近湿球温度时，焓差将很小，散热很慢，塔体积必须非常大。从经济出发，冷却后的水温总要比空气的湿球温度高几度，即t_wB-t_sC＞0。（t_wB-t_sC）称冷却幅高，在冷却塔设计中冷却幅高取3～5℃。

图10-3 接触散热与蒸发散热的关系

1—总散热 2—蒸发散热 3—接触散热