工厂工业大型玻璃钢冷却塔,工厂工业大型烤炉

在大多数工业厂房的大型玻璃钢冷却塔中，冷却水与空气直接接触。冷却水通过塔内的喷淋管和喷嘴系统泵送，并在重力作用下被吸入下方的水池中。来自大气的空气进入塔底并流过下降的水。塔的整个横截面都装有“填料”，以确保水下降时空气有较大的表面积。水以薄膜形式流动或飞溅，并遍布整个塔的横截面，以确保水在下降时向空气呈现较大的表面积。当空气在表面之间流动时，水以薄膜形式流动或飞溅并滴落在填充表面上。根据特定的设计，空气可能主要向上流动（逆流）或水平流动（横流）。随着水温降低，空气温度升高。在大多数水塔中，水与空气直接接触，传热的“驱动力”不是局部温差，而是局部热函差。即，差值 (hS – hG)，其中 hS 是饱和空气在水/空气界面局部温度下的比焓，hG 是湿空气的比局部体积焓。从水到空气的局部热通量是该驱动力与具有质量通量单位的经验系数的乘积。这比局部温差是驱动力的情况大几倍，如在“干式”热传递的情况下，流体被固体壁隔开并且没有蒸发发生。

对于各种工业厂房，热量必须以某种方式从工厂转移到周围环境。有时这是通过与空气的直接对流来实现的，例如在风冷内燃机中。更经常地，使用水流，即“冷却水”。如果工厂靠近河流、湖泊或海洋，可以为其提供大量低温冷却水，然后返回到更高温度的冷却源。然而，工厂选址通常受其他因素控制，例如原材料、煤炭的位置。附近可能有河流或湖泊，但进一步提高水温可能是不可接受的。在这种情况下，冷却水本身必须在使用后通过向大气传热进行冷却，然后返回工厂重新使用。玻璃纤维冷却塔正是为此目的而设计的：将热量从冷却水流传递到大气中。

通过大型玻璃纤维冷却塔的气流可以通过两种方式产生：自然通风或机械通风。在自然通风塔中，填充区域位于实际上是大烟囱的底部内部（图 2）。与温暖的冷却水接触后，填料上方的空气密度比大气低约 5%。 “烟囱”中的空气与外部空气之间的重量差提供了克服阻碍气流通过塔的压力损失的驱动力。选择这种塔的典型“双曲线”轮廓（如图 2 所示）主要是出于结构和经济原因——它比普通圆柱形外壳更能抵抗风致应力和振动，并且需要更少的材料。

机械通风塔使用由电动机驱动的风扇来产生气流。当风扇位于塔底部的进气口时，塔被称为“强制通风”。当风扇位于塔顶的出风口时，会产生“引风”。离心风机和轴流风机都可以使用，但轴流风机通常带有引风机。

总结了自然通风塔和机械通风塔的相对优点。在某些情况下，“辅助通风”塔形式的经济折衷是自然通风塔，自然通风塔在通风口底部安装了风扇，塔的尺寸比没有通风塔小得多扇子 。

在大多数大型 FRP 冷却塔、直接接触塔或上述类型的“湿式”塔中，大约 1% 的水流量通过细小水滴的蒸发和空气夹带损失到大气中。 （较大的液滴被“除水器”拦截，通常是一系列板条覆盖喷水灭火系统上方塔的整个横截面。）这种损失必须由外部供应来替代并保持集中。水中的盐分含量低得可以接受，补充水的供应量可能必须在 3% 左右。在某些地方，提供这样的数量可能太困难或太昂贵，“干燥”塔可能是经济的。

在干燥塔中，水与空气不直接接触，不会因蒸发而损失水分。实际上，填料被换热器取代，其中金属壁将两股气流隔开。干塔可以是自然塔、机械塔或辅助塔。但通过蒸发消除水分损失的代价很高。蒸发冷却效应也被消除，估计达到相同冷却能力所需的空气流量必须是湿塔的三倍或更多倍。所以塔必须更大更贵。此外，塔的热交换器组的生产成本将高于相应的填料。 “湿-干”塔已被提议作为湿式塔和干式塔之间的折衷方案。

包装使用了多种材料和几何设计：由水泥基或塑料制成的瓦楞屋顶板；横截面为三角形或矩形的木条；由材料制成的复杂蜂窝几何形状。 [辛厄姆 (1990)； Hill、Pullin 和 Osborne (1990) 以及 Johnson (1990)]

所有提议的 FRP 冷却塔都可以通过列出以下五个数量的值来指定：所需属性：

水的质量流量；

水的入口温度；

水的出口温度；

大气湿球温度；

大气压假定为标准大气压，特殊情况除外。空气的质量流量没有规定，确定它的值是设计者的首要任务。为了预测现有塔的性能，必须确定空气的质量流量代替上表中的出口水温。默克尔方程允许对拟建和现有塔楼进行计算。将上述变量与与拟议或现有填料的传热性能相关的变量相关联。它基于均匀的一维逆流，但可以适应其他条件，方程可表示为：

hw = 水在任何水平的比焓；

hG = 在同一水平下的大量湿空气的比焓；

hS = 在与水相同温度下的饱和空气的比焓；

=单位面积水的质量流量；

=单位面积潮湿空气（“气体”）的质量流量；

NTU = "包的传输单元数”。

IM 的数量，由等式定义。 (2)是冷却要求的量度。由 Eq. 定义的数量 Ip。 (3)是衡量包装性能的指标。默克尔的等式（1）要求它们相等。

IM的水/空气质量流量比的任意值都可以通过指定上述五个设计量以及水和湿空气的焓特性数据来评估。所选填料的性能（表示为 Ip）也是流量比的经验函数。因此，这两个量的相等性允许根据默克尔方程找到流量比。由于指定了水质量流量，因此现在无需塔设计的其他详细信息即可知道空气质量流量。这适用于自然通风塔和机械通风塔，但其余设计过程取决于所考虑的塔类型。对于自然通风的塔，塔的高度和横截面积必须使得在现在已知的空气流量下估计的压力损失之和等于由于温暖潮湿空气的浮力而产生的驱动压力差.对于机械通风塔，必须选择风机来提供以下动力：对于已知的空气流量，压力上升等于估计的压力损失。

任何满足这些传热和压力损失要求的设计在技术上都是有效的。可以有无数种设计，在形状、高度、截面积、包装类型、包装深度等方面各不相同。最终选择是在考虑经济、环境和操作因素后做出的，通常是综合考虑一些成本优化程序。

对于现有的塔，需要稍微不同的计算过程。目标是确定上面列表中的第三个变量的值（出水温度）对于任何一组可能感兴趣的其他四个变量。第一步是通过匹配自然通风塔的浮力和压力损失来确定空气质量流量；或机械通风的风机压力升高和压力损失。由于水的质量流量已知（指定），因此可以计算水/空气质量流量比，并从已知的填料特性中获得 Ip。最后一步类似于上面概述的步骤：最后，通过实验找出将导致 IM 达到所需值的出水水温值。

一个公认的事实是，真实塔中的空气和水流与设计和分析中通常假设的均匀一维流动相去甚远。可以通过引入校正因子来解决差异，该校正因子的值是根据色谱柱上的满量程测试数据估算的。此类数据供不应求，即使有，修正的有效性仍存疑；根据合同条款，一些“过度工程”可能是谨慎的。另一种方法是回到流体力学、传热和传质的基本方程，并借助计算流体动力学 (CFD) 技术推导出数值解。这些解决方案原则上可以用作设计的唯一基础。或者它们可用于修改和改进现有的更简单的方法。

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