水的冷却原理

水的冷却原理

在湿式冷却塔中，热水将热量传给空气，由空气带走，散到大气中去。水向空气散热有三种形式：①接触散热；②蒸发散热；③辐射散热。冷却塔主要靠前两种散热，辐射散热量很小，可忽略不计。
两种不同温度的物质接触，热量从温度高的一方传向温度低的一方，称为接触散热。冷却塔中，当低温度空气通过高温度水面时，水面会通过接触散热，把热量传给空气。
蒸发散热通过物质交换完成，即通过水分子不断扩散到空气中来完成。水分子有着不同的能量，平均能量由水温决定。在水表面附近，一部分动能大的水分子，克服邻近水分子的吸引力，逃出水面而成为水蒸气。由于能量大的水分子逃离，水面附近的水体能量变小，因此水温降低，这就是蒸发散热。一般认为蒸发的水分子，首先在水表面形成一层薄的饱和空气层，其温度和水面温度相同，然后水蒸气从饱和层向大气中扩散，扩散的快慢取决于饱和层的水蒸气压力和大气的水蒸气压力差，即道尔顿(D0Lton)定律。

1. 麦克尔(Merkel)公式
以往计算冷却塔的水气参数时，把散热和散质分开计算，所以计算参数比较多。麦克尔引入了焓的概念，把散热和散质统一在焓中，减少了计算参数。全世界进行冷却塔的热力计算，较广泛地采用麦克尔公式。
设水传给空气流的总热量为 ，则在面积 上的传热量为

它以水面饱和空气层的焓 和湿空气中的焓 之差，作为从水面向空气中散热的推动力。
实际应用于冷却塔的热力计算时，由于塔的填料形状一般较复杂，其表面面积不易精确决定。所以，常用填料体积代替其面积，则上式变为：

式中 —填料的容积散质系数，
—填料体积， 。
麦克尔公式中的容积散质系数 ，通常是通过模拟试验求得。

2.水的冷却过程
在冷却塔中水的冷却过程由水温、空气的干球温度 、湿球温度 决定。单位面积，单位时间的接触散热量为 ，蒸发散热量为 。可分为下图所示的四种传热情况。






（1）水温大于气温。两种热量都由水面散向空气， ,水温降低，水量产生蒸发损失。
(2) ,水温和气温相等。接触散热停止，蒸发散热照常进行， ,水温降低，水量产生蒸发损失。
(3) 。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， ，水温降低。
(4) 。同(3)的传热情况，但 ,所以 ，即水温不再降低，但蒸发仍在发生。这是水冷却的极限情况，如果水温继续下降，将产生 > 水温又会升高，所以 是水冷却的极限。

上述情况可用右图举例表示。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 26.6℃；湿球温度为 15.7℃，大气压力 ；相对湿度 0.27,散热系数 。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 。( )称冷却幅高，在设计中冷却幅高取3～5℃。

3. 冷却极限的测定
上述水的冷却极限即为空气的湿球温度。当包纱布的温度计上的温度不变时，其指示的温度即为空气的湿球温度，这表示从纱布上蒸发的水变为水蒸气时，其所损失的热量等于由接触传热从空气中传给纱布的热量，二者平衡，所以湿球温度不再变化。这种说法漏掉了一种热量，即辐射传热。为了消除辐射热的影响，湿球温度计的包纱布部分必须通风。通风不改变辐射量，却使蒸发和接触散热量增大，但两者传热量之比例不变，这样一来，辐射热就可以忽略不计了。为达到以上效果，通过湿球部分的风速应达到3m/s以上，不然，测得结果必须作如下校正：
上式即为阿费古斯特湿度计的校正值。大气压力 。