冷卻塔原理及計(jì)算

冷卻塔原理及計(jì)算

CoolinggToweers:DDesignnandOperaationConsiiderattions

Cooolingtowerrsareeaveeryimmportaantpaartoffmanyychemmicalplantts.

TTheyrrepressentaarelaativellyineexpenssiveaanddeependaablemmeansofreemovinnglowwgraddeheaatfroomcooolingwaterr.

Figure1:CllosedLoopCooliingToowerSSystemm

Themakke-upwaterrsourrceissuseddtorreplennishwwaterlosttoevvaporaation..

Hottwateerfroomheaatexcchangeersisssentttotthecooolinggtoweer.

Thewwaterexitssthecooliingtooweraandisssenttbackktottheexxchanggersoortootherrunittsforrfurttherccoolinng.

TypesoofCooolingTowerrs

Cooliingtoowersfallintotwommainssub-diivisioons:

naturraldrraftaandmeechaniicalddraft..

Natturaldrafttdesiignsuuseveerylaargecconcreetechhimneyystointrooduceairtthrougghtheemediia.

DDuetoothetremeendousssizeeoftthesetowerrs(5000fthighand4400fttinddiametterattthebase))theyyaregenerrallyusedforwwaterflowrratesabovee200,,000ggal/miin.

UUsualllytheesetyypesooftowwersaareonnlyussedbyyutillityppowerstatiionsiintheeUnittedSttates..

Mecchaniccaldrraftccoolinngtowwersaaremuuchmoorewiidelyused..

Theesetoowersutiliizelaargeffansttoforrceaiirthrroughcircuulateddwateer.

Thewwaterfallssdownnwardoverfillsurfaaceswwhichhelpincreeasetthecoontactttimeebetwweentthewaateraandthheairr.

Thhisheelpsmmaximiizeheeattrransfeerbettweenthettwo.

TypesoofMecchaniccalDrraftTTowerss

Figure2:MeechaniicalDrraftCoounterrflowTTower

Figuure3::MechhanicaalDraaftCrrossfllowToower

Mechaniicalddrafttowerrsofffercoontrollofccoolinngrattesinntheiirfanndiammeterandsspeedofopperatiion.

Theseetoweersofftenccontaiinsevveralareass(eacchwitththeeirowwnfann)callledccells..

CoolinggToweerTheeory

Heattisttransfferreddfrommwateerdroopstoothesurrooundinngairrbytthetrransfeerofsensiibleaandlaatentheat..

Figure4:WaaterDDropwwithIInterffaciallFilmm

ThismoovemenntofheatcanbbemoddeledwitharellationnknowwnastheMMerkellEquaation::

(1))

wherre:

KaaV/L==toweerchaaracteeristiic

K=masstranssferccoeffiicientt(lbwaterr/hftt2)

a=contaactarrea/toowervvolumee

V=aactiveecoollingvvolumee/plannareaa

L=wwaterrate(lb/hhft2)

T1=hootwatterteemperaature(0For0C)

T22=cooldwaaterttemperraturee(0For0C)

T=bullkwatterteemperaature(0For0C)

hww=ennthalppyofair-wwatervaporrmixttureaatbullkwatterteemperaature

(JJ/kgddryaiirorBtu/llbdryyair))

ha=ennthalppyofair-wwatervaporrmixttureaatwettbulbbtempperatuure

(J/kkgdryyairorBttu/lbdryaair)

Theermodyynamiccsalssodicctatethatthehheatrremoveedfroomtheewateermusstbeequalltottheheeatabbsorbeedbythessurrouundinggair::

(22)

(3)

whhere:

LL/G=liquiidtogasmmassfflowrratio(lb/llborkg/kgg)

T1=hootwatterteemperaature(0For0C)

T2=cooldwaaterttemperraturee(0For0C)

h2=ennthalppyofair-wwatervaporrmixttureaatexhhaustwet-bbulbttemperraturee(sammeuniitsassabovve)

h1=ennthalppyofair-wwatervaporrmixttureaatinlletweet-bullbtemmperatture((sameunitssasaabove))

ThetowwerchharactteristticvaalueccanbeecalcculateedbysolviingEqquatioon1wwithttheChhebyshhevnuumberiicalmmethodd:

(4)

Figure5:GrraphiccalReepreseentatiionoffToweerChaaracteeristiic

ThefolllowinngreppresenntsakeyttoFiggure55:C'==Enteeringaireenthallpyattwet--bulbtempeeraturre,TwwbBC==InittialeenthallpydrrivinggforcceCD==AiroperaatinglinewithslopeeL/GDDEF=Projeectinggtheexitiingaiirpoiintonntothhewatteropperatiingliineanndtheenonttothee

temmperattureaaxissshowstheooutlettairweb-bbulbttemperraturee

AsshownnbyEEquatiion1,,byffindinngtheeareaabetwweenAABCDiinFiggure55,oneecanfindthettowercharaacteriistic..

AnincreeaseiinheaatloaadwouuldhaavethhefolllowinngefffectsonthhediaagraminFiigure5:1.

IncrreaseinthhelenngthooflinneCD,,andaCDlineshiftttottheriight2..

Inccreaseesinhotaandcooldwaaterttemperraturees

3.

Increeasesinraangeaandappproacchareeas

Theincreeasedheatloadcauseestheehotwaterrtempperatuuretooincrreaseconsiiderabblyfaasterthandoestheccoldwwatertempeeraturre.

AAlthouughthheareeaABCCDshoouldrremainnconsstant,,itaactualllydeecreassesabbout22%forreverry100Finccreaseeinhhotwaaterttemperratureeabovve10000F.

TToacccountfortthisddecreaase,aan"addjusteedhottwateertemmperatture"isussdincooliingtoowerddesignn.

Figure6:GrraphoofAdjjusteddHotWaterrTempperatuures

TheareeaABCCDisexpecctedttochaangewwithaachanngeinnL/G,,thissisvverykkeyinnthedesiggnofcooliingtoowers..

CoolinggToweerDessign

AltthoughhKaV//Lcannbeccalcullated,,desiignersstypiicallyyusecharttsfouundinntheCooliingToowerIInstittuteBBlueBBookttoesttimateeKaV//Lforrgiveendessignccondittions..

Itisimmportaanttoorecaallthhreekkeypoointsincooolinggtoweerdessign:11.

Achanggeinwetbbulbttemperraturee(dueetoaatmospphericccondditionns)wiillnootchaangetthetoowerccharaccterisstic((KaV/LL)2.

AchaangeiintheecoollingrrangewillnotcchangeeKaV//L3.

OnlyachaangeiintheeL/GratioowilllchanngeKaaV/L

Figure7:ATypiccalSeetofTowerrCharracterristiccCurvves

ThestrraighttlineeshowwninFigurre7iisapplotoofL/GGvsKKaV/Lataconsttantaairfloow.

TThesllopeoofthiislinneisdepenndentonthhetowwerpaackingg,buttcanoftennbeaassumeedtobe-00.60.

Figuure7repreesentssatyypicallgrapphsuppplieddbyaamanuufactuurerttotheepurcchasinngcommpany..

Froomthiisgraaph,tthepllanteengineeercaanseeethattthepropoosedttowerwillbecaapableeofccoolinngtheewateertoatemmperatturetthatiis100Faboovethhewett-bulbbtempperatuure.

Thisisannotherrkeypointtinccoolinngtowwerdeesign..

CCoolinngtowwersaaredeesigneedacccordinngtothehhighesstgeoographhicweetbullbtemmperattures..

Thiistemmperatturewwillddictattetheeminiimumpperforrmanceeavaiilableebytthetoower.

Asttheweetbullbtemmperattureddecreaases,sowiillthheavaailabllecooolingwaterrtempperatuure.

Foreexamplle,innthecooliingtoowerrrepressenteddbyFFiguree7,iiftheewetbulbtempeeraturredrooppedto7550F,thhecooolingwaterrwoulldstiillbeeexitting1100Faboovethhisteemperaature(8500F)duuetothettowerdesiggn.

Beloowisthessummarryofstepssintthecooolinggtoweerdessignpprocesssinindusstry.

Moreedetaailonnthessesteepswiillbeegiveenlatter.1..

Plaantenngineeerdeffinestheccoolinngwatterfllowratte,anndtheeinleetanddoutlletwaaterttemperratureesforrthetowerr.2.

Manuffacturrerdeesignssthetowerrtobbeablletomeetthiscriteeriaoona""worsttcaseescennario""(ie..duriingthhehotttestmonthhs).

Thettowercharaacteriisticcurveesanddtheestimmateiisgivventootheplanttengiineer..3.

PPlantenginneerrreviewwsbiddsanddmakeesasselecttion

DesignConsiiderattions

Oncceattowercharaacteriistichasbbeeneestabllisheddbetwweentthepllanteengineeeranndtheemanuufactuurer,themmanufaactureermusstdessignaatoweerthaatmattchesthisvaluee.

Thhereqquireddtoweersizzewilllbeafunnctionnof:11.

Cooolinggrangge2.

Approoachttowettbulbbtempperatuure3.

Masssflowwrateofwaater4..

Webbbulbbtempperatuure5.

Airveloccitytthrougghtowwerorrindiividuaaltowwerceell6.

Toweerheiight

Inshortt,nommograpphssuuchasstheonesshownonpaage122-15oofPerrry'sChemiicalEEngineeers'Handbbook66thEdd.utiilizetheccoldwwatertempeeraturre,weetbullbtemmperatture,andhhotwaaterttemperratureetoffindtthewaatercconcenntratiioninngal//minfft2.

TThetooweraareaccanthhenbeecalcculateedbydividdingtthewaaterccircullatedbythhewattercooncenttratioon.

GGeneraalrullesarreusuuallyusedtodeetermiinetoowerhheighttdepeendinggonttheneecessaarytiimeoffconttact:

ApproacchtoWetBBulb((0F)

CoolinggRangge(0F)

TowerHHeightt(ft))

15-20

25-35

15-20

10-15

25-35

25-30

5-10

25-35

35-40

Othherdeesigncharaacteriisticsstocconsidderarrefannhorssepoweer,pumpphorssepoweer,makee-upwwatersourcce,fogggingaabatemment,andddriftelimiinatorrs.

OperatiionCoonsideeratioons

WaterMMake-uup

Waterrlosssesinncludeeevapporatiion,ddrift(wateerenttraineedindischhargevaporr),anndbloowdownn(watterreeleaseedtodiscaardsoolids)).

Drriftllossessareestimmatedtobeebetwween00.1annd0.22%ofwaterrsuppply.

EvaporaationLoss=0.000085*watterfl