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冷却塔节水和羽雾现象的研究现状
论文作者:童鞋论文网  论文来源:www.txlunwenw.com  发布时间:2019/3/6 8:37:52  

摘要:虽然冷却塔羽雾的产生是由于冷却塔水损失所导致的,但是在现有的研究中,还很少有将冷却塔节水技术和冷却塔消雾技术进行结合研究的。由于排污损失较小,以下主要了解蒸发损失和漂水损失的回收研究现状,同时还叙述了这两种损失所引起的羽雾现象和消除羽雾的研究现状。

关键词:冷却塔 节水 羽雾现象

1冷却塔节水的研究现状

目前国内外对冷却塔节水技术的研究有两条途径:一条途径是设计新型结构冷却塔,从冷却塔的工作原理上来减少冷却水的损失,例如增加收水器来减少冷却塔的漂水损失。另一条途径是从冷却塔的运行参数着手来提高冷却塔的冷却效率,从而减少冷却水的损失。应用收水器来减少冷却塔的漂水损失已经很成熟,目前研究的收水器对冷却塔漂水损失的回收率已经超过99%。对于收水器的试验研究[16, 17]和数值模拟研究[18, 19]都已经很稳定。

但是,对于冷却塔的蒸发损失,Pozzobon等[20]对加有特制的不规则多孔介质的横流式冷却塔进行了试验研究,该方法能够明显提高水蒸气回收率,但是该方法所用的成本高,对空气的流动产生了较大的阻力。Deziani等[21]提出了在冷却塔塔顶处增加气-气板式换热装置和辅助风扇来减少水蒸气的蒸发损失。该方法相比应用翅片管和多孔介质的方法不仅不存在堵塞的情况,还能得到纯度较高的水。通过试验的研究,应用该方法水蒸气的回收率最高能达到50%左右。

2冷却塔羽雾现象的研究现状

2.1冷却塔羽雾生成和扩散的研究

对冷却塔羽雾现象的研究主要集中在理论分析羽雾形成机理、对工程塔周围的羽雾现象进行实际观察和测量、对试验塔产生的羽雾现象进行观察和测量以及应用数值模拟对实际工程塔或试验塔羽雾的生成和扩散进行预测。

在冷却塔羽雾的形成方面,Buss[22]和Campbell[23]从饱和焓湿图着手对冷却塔消雾进行了理论研究,并预测了冷却塔产生羽雾的环境条件以及计算了羽雾的生成量。

Chen Norbert and Jung[24]率先建立了一个有关于模拟羽雾扩散和液滴沉积的数学模型,并进行数学模拟。之后Hanna等[12]根据已有的关于羽雾生成的研究理论,建立了能预测羽雾生成的数值计算模型。Michioka等[25]利用风洞试验来预测试验塔羽雾的生成量和扩散情况。

Koening等[26]研究了自然通风冷却塔引起的异常降雪,他得出当室外温度低于-13℃时,容易引发降雪。Policastro等[27]发现机械通风冷却塔比自然通风冷却塔形成的羽雾现象和霜降现象会更严重。Foster等[28]研究了出塔湿热空气与环境空气混合形成小液滴的形成过程和扩散过程,开发了一个冷却塔羽雾模型,用来模拟顺风时羽雾的形成过程和预测羽雾带来的降水量。

Lucas等[29]开发了一个用于模拟冷却塔的漂移沉积对环境影响的数值模拟模型,该数值模拟方法可以评估液滴的分散性和预测羽雾的侵蚀区域,还分析了冷却塔羽雾的沉积对周围大气湿度的影响。Policastro[30, 31]应用工程实验对以上数值模拟方法进行了验证,结果与该数值模拟方法所得结果比较相近,验证了该数值模拟方法的可靠性。

Meroney[32]表示当冷却塔内部含有水处理化学物品时,冷却塔产生的羽雾容易给人身体健康带来危害。应用计算流体力学预测冷却塔羽雾的扩散情况,分别预测了羽雾在重力、不同塔外风速和建筑阻碍物情况下的扩散轨迹。同时还研究了随羽雾的扩散,其所携带的化学物品的浓度变化情况。

Sánchez等[33]应用数值模拟与试验相结合的方法,研究了机械通风冷却塔所产生的羽雾在环境中的扩散。研究表明液滴在环境中的存在时间主要取决于环境空气的温度和湿度、出塔时液滴的大小这三个因素,当环境空气温度越高,相对湿度越低,直径越小的液滴在环境中存在的时间越短。

Lee等[34]应用CFD软件对机械通风冷却塔周围的羽雾的扩散进行了研究,主要考虑受到周围环境中建筑物的干扰导致羽雾回流的现象。因为冷却塔内部流场和外部流场的相互干扰,所以将整个物理模型为冷却塔内部区域和冷却塔外部区域。他得出冷却塔周围环境的湿度与周围建筑物的高度成正比。

Andrea等[35]研究了应用于某大型发电厂中的冷却塔周围的羽雾情况,分析了产生的羽雾对附近气候的影响,结果表明羽雾扩散不仅会导致周围环境的相对湿度增加还会使降雨增多。Wingley等[36]应用CFD方法,对羽雾生成量随环境空气状态的变化情况进行了研究,发现环境温度越低、湿度越高的情况下,羽雾生成越多。

Slawson等[37]对田纳西河天堂蒸汽厂的自然通风冷却塔的羽雾进行了研究,通过调整操作系统来控制羽雾的生成,并建立了一个简单的封闭集成化模型,用来模拟观察羽雾的生成和扩散。

Carhart等[38]通过对自然通风冷却塔羽雾扩散轨迹进行观察测量,结合冷却塔周围的实际情况,建立了了16种可以预测羽雾扩散的数学模型,Cheng等[39]为研究不同类型干湿冷却塔的热力学和经济性能,开发了计算机模型。该模型考虑了湿、干传热、汽轮机和冷凝器的基本热力学、不同负荷模式的影响和变化的气象条件,以及各种经济参数。

2.2冷却塔羽雾的消除方法

除了对冷却塔产生的羽雾的生成、扩散的研究,还有部分学者致力于消除冷却塔羽雾现象的研究。如Bornoff等[40]设计了紧凑型冷却塔,研究该冷却塔羽雾在环境中的扩散和相互作用。研究了多塔联合使用时羽雾的生成和相互作用的情况,并与单塔使用时羽雾的生成量进行对比。

Winter等[41]得出当环境温度为5℃、相对湿度为90%时,冷却塔周围最容易出现羽雾现象,并应用干湿式段混合的方法来防止冷却塔羽雾的产生。Kariem[42]对干湿式冷却塔的填料进行不同的排布,能使循环水损失降低至原来的51%左右。

Tyagi[43]对比了应用热泵和太阳能集热器来减少羽雾的生成的经济型。研究表明应用电热泵的装置费比地热泵的装置费便宜,但地热泵的操作费比电热泵贵;且应用太阳能集热器的费用比应用热泵要低,但是太阳能集热器效率需要根据天气情况而定,效果不稳定。

Wang[44]研究了亚热带电厂中热泵在系统中的不同排布对消除羽雾的影响。若采用冷却水作为热源,不同的热泵排布方式除雾效果相近,且能降低0.85%的能耗。

张国钢[45]对机械通风冷却塔防止羽雾生成的措施进行了分析研究,分别研究了安装翅片管和太阳能集热器的除雾冷却塔的除雾性能。

李楠[46]在其研究生阶段对干湿式冷却塔进行了结构的改进,以适应济南的冬季消雾。但是他的研究缺少试验的验证,仅仅只是应用经验公式和数值模拟进行了探究。

王为术等 [47]针对冷却塔蒸发损失,设计了两种节水思路:一种思路是在冷却塔收水器上方施加冷却剂,将饱和湿热空气降温,回收凝结水,但效果差、阻力大、成本高;另一种思路是将循环水降温过后再送入冷却塔中,其实质是利用换热设备分担冷却塔的冷却任务,降低冷却负荷,从而减小循环水蒸发量,虽然该方法冷空气含湿量保持不变,但换热器耗费比较大。

金深洋等人[48]对密闭式喷淋冷却塔的白雾防止进行了试验研究,基本无白雾产生,而且运行中的噪声也能控制在标准之内,但产生的压力降较大,较大程度的加大了风机的负荷。

朱文杰[49]根据羽雾产生的原因,提出一种改变冷却塔内部结构来减少羽雾生成的方法。他将填料分成上下两段,中间加上隔离板,进入填料上段的空气不与冷却水换热,通过填料下段的空气与冷却水换热,然后经过风机风力的作用,两股不同状态的气体在出塔前进行了混合,进入收水器将形成的水滴被收集,达到除雾节水的效果。

唐韵[50]将冷却塔分为干、湿两段,形成干湿串联冷却塔,将出塔空气在冷却塔内部进行加热后排除塔外。除此之外,她还将降膜蒸发理论应用于除雾冷却塔中,并在实际应用中,能有效减少羽雾的生成。

吴晓敏[51, 52]结合空气冷却器无水蒸发等特点,提出了一种环保节水型冷却塔。对该新型塔进行了理论分析,对塔内换热、气动力性能等进行了数值计算,对塔内空气换热器和填料层间的冷却负荷以及与风机性能等进行了耦合匹配,结合北方气候条件的计算分析表明新型塔确有良好的节水和环保效果。

王晓静[53]将光管换热器安装在某供热机组冷却系统的冷却塔中,研究了在不同环境空气状态参数情况下,如何调节操作参数,使冷却塔在单塔和或塔时运行,可以有效避免羽雾的产生。

宋阳[54, 55]分析了应用翅片管的节水环保冷却塔的热力性能,研究了其运行模式。针对机械通风节水环保冷却塔,分析了环境温度、上进风口开度等对冷却塔节水环保性能的影响;还提出了新的运行模式,并进行了热理性性能分析,提出了最佳运行模式。

对比以上节水和消雾的研究,从减少冷却塔蒸发损失入手,可以同时实现回收水蒸气和减少羽雾生成的研究只有Pozzobon和Dezianid等人,Pozzobon在横流式冷却塔中加入了不规则多孔介质,并对其进行实验研究的进行了试验研究,该方法能够明显提高水蒸气回收率,同时减少羽雾的生成,但是该方法所用的成本高,对空气的流动产生了较大的阻力。而Deziani等人提出的在冷却塔塔顶处增加气-气板式换热装置和辅助风扇来的节水消雾方法,相比应用翅片管和多孔介质的方法不仅不存在堵塞的情况,还能得到纯度较高的水,而且作者通过试验的研究表明应用该方法水蒸气的回收率最高能达到50%左右。

参考文献

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[2]   胡连江,王敬.浅谈冷却塔节能技术[J].冷却塔技术发展与研讨会,2006.

[3]   李永安,刘杰,李继志.空调用封闭式冷却塔热工性能的实验方法[J].实验室研究与探索,2005,24(1):16-17.

[4]   李红艳.单位工业增加值用水量[J].数据,2011(11):96-96.

[5]   李善同,许新宜.南水北调与中国发展[M].北京:经济科学出版社,2004.

[6]   吕扬.冷却塔水损失变化规律及节水方法的研究[D].硕士学位论文.山东青岛:山东大学, 2009.

[7]   赵顺安,冷却塔工艺原理[M].北京:中国建筑工业出版社,2015.

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[9]   Hanna S R,Predicted and observed cooling tower plume rise and visible plume length at the John E. Amos power plant[J].Atmospheric Environment,1976,10(12):1043-1052.

[10]  沙战,周亚素.干湿式冷却塔研究现状及发展前景.能源研究与信息,2009. 25(4):192-197.

[11]  宋阳.节水环保冷却塔热力性能及运行模式研究[D].硕士学位论文.北京:清华大学,2014.

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