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2023-06-30
水的冷却原理及应用技术
【摘要】：图7-8水和空气之间的传热过程2.传热量计算蒸发传热量Qe。冷却塔运行过程中，其传热速率的主要影响因素有气水的界面面积、相对流速、接触时间以及冷却范围等。湿球温度代表在当地气温条件下，水可能被冷却的最低温度，也是冷却设备出水温度的理论极限值。
循环冷却水的冷却是在冷却构筑物中以空气为冷却介质，由蒸发传热、接触传热和辐射传热三个过程共同作用的结果。除冷却池外，辐射传热对其他各种型式冷却塔的影响不大，一般可忽略不计。湿式冷却塔中空气与热水混合时，热水通过与空气间的接触传热和蒸发传热而使自身温度得到降低。
1.空气—水的蒸发和接触传热过程
水与空气接触时，根据分子热运动学理论，水分子会向空气中不断逸出，空气中的水分子也会不断返回到水中。当两者达到平衡时，就认为这时空气中的水蒸气是饱和的。一般空气中水蒸气都是处于不饱和状态，这样当水与空气接触时，水就会向空气中蒸发，直到空气中水蒸气达到饱和时为止，这一过程会带走水自身热量，这就是蒸发传热。热会从高温物体传到低温物体，水与空气之间还会直接通过自身温度的差异进行传热，冷却塔中热水温度一般都高于空气温度，热会直接传到空气中，即接触传热。
如图7-8所示，认为水与空气的接触层很薄，水层为一个饱和蒸汽层，这个薄层的饱和水蒸气分压力为
，在空气中存在一个水蒸气主体压力
，空气通常是不饱和的，
永远大于
，水中的水分子向空气中逸出，水通过蒸发传热得到冷却，饱和层的温度为
，其两侧分别为水和空气的主体温度T和t。
可能大于、小于或等于t。接触传热可能从水传向空气，也会从空气传向水。
图7-8 水和空气之间的传热过程
2.传热量计算
（1）蒸发传热量Qe。
通过蒸发所产生的传热过程称为蒸发传热，其传热通量的推动力为蒸汽压力差
-
，Qe也称潜热。故可表示为下列关系：
式中：Qe——蒸发传热通量，W/m2；
——水的蒸发通量系数，kJ/kg；
——压力传质系数，kg/（m2·h·atm）。
蒸汽压
-
与含湿量差
间是相关的，同样，Qe还可表示成含湿量
的关系，于是得出
式中：kx称为质量传质系数，单位为kg/（m2·h·kg）。
（2）接触传热量Qc。
温差
是另一个传热的推动力，所传热量属于接触传热，Qc也称显热，传热通量由下列公式计算：
式中：Qc——接触传热通量，W/m2；
a——传热系数，W/m2。
（3）总传热量Q。
蒸发传热Qe与接触传热Qc之和代表了从水传人空气的总传热通量Q，即
Q也就是水所损失的热量，水损失热量后，水温T将下降，从而得到冷却。
冷却塔运行过程中，其传热速率的主要影响因素有气水的界面面积、相对流速、接触时间以及冷却范围等。对冷却塔而言，为增加空气—水界面面积，通常在冷却塔内加填料，相对流速的大小通过强化通风来确定（一般采用风机或增加塔高），而接触时间与塔的几何尺寸相关。
冷却塔的总传热量中，蒸发传热和接触传热在不同的季节所占的比例是不同的。在春、夏、秋三季中，水与空气的温差小，蒸发传热起主导作用，夏季最高时可达总传热量的80%～90%；而在冬季，水与空气的温差较大，接触传热起主导作用，传热量可达总传热量的50%以上，在寒冷地区，甚至可高达70%。冷却设备的设计计算，以夏季不利条件考虑。
3.湿球温度
假设冷却塔中的循环水初温
大于
，且空气是不饱和的，即
>x，水与空气接触初始，潜热与显热都大于0，水得到冷却直到水温等于空气温度，这时显热为0。但蒸发传热（即潜热）仍将继续，因为水面气膜的温度与水面相等，认为是饱和的，其含湿量
>x，也就存在蒸发的推动力，继续使水温降低，此时水温低于空气的温度，显热为负值，即有接触传热量从空气中传入水中，当水温继续降低，水向空气中的蒸发传热量与空气向水中的接触传热量相等时，这时水温便不会继续下降，此时循环水达到其冷却极限温度，用
表示。
极限冷却温度通常用湿球温度计来测量，故称湿球温度，干球温度指用一般温度计所测得的气温。于球温度与湿球温度为设计冷却设备所需要的主要气象资料。
湿球温度的测定见图7-9温度计的水银球包有湿布，空气与水银球不直接接触，气流不断通过温度计，空气的温度及含湿量分别为t及x，由于空气不是饱和的，当气流通过温度计时，湿布上必然会不断蒸发出微量的水蒸气，为气流所带走。由于空气是大量的，水蒸气是微量的，所以通过湿球温度计后的空气，其温度及含湿量可以认为不变，即仍然是t及x。这样包有湿布温度计所测得的温度，即为湿球温度
。
图7-9 湿球温度的测定图
图7-9中，由于湿布上的水是不断蒸发的，所以必须不断补充水，而补充水的温度即为湿球温度
。测试中要注意通风，避免有辐射传热，不要在阳光下直射。
湿球温度
代表在当地气温条件下，水可能被冷却的最低温度，也是冷却设备出水温度的理论极限值。当要求冷却后的水温越接近湿球温度时，冷却任务就越困难，冷却设备的尺寸就会增大很多，因此冷却设备的出水温度一般较湿球温度高3～5℃以上，湿球温度通过证明其值可近似的看作与绝热饱和温度相等。
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