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[摘 要]介绍负压闭式冷却塔的基本结构，工作原理和冷却过程以及优点。并与普通的闭式冷却塔进行对比。
[关键词]负压闭式冷却塔 冷却
[Abstract]This paper introduces the basic structure of negative pressure closed cooling tower，working principle and process of cooling and advantages.And with the ordinary closed cooling tower are compared.
[Key words]negative pressure closed cooling tower cooling
中图分类号：TQ053 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）04-0016-02
1 前言
在工业生产中，许多设备会在生产运行过程中产生大量的热量。为了维持设备的高效正常运转和不影响设备的运行寿命，我们必须对设备进行必要的冷却处理，目前市场上普遍采用水作为冷却介质。为了节约资源和保护环境一般都采用冷却塔对水进行冷却处理，然后再循环利用。随着有些精密设备对温度要求比较高时，如何使冷却塔的处理能力变大，循环水出水温度变得更低就变成一项重要的课题。
在过去几十年中，传统冷却塔的发展速度很快，市场上出现了各种结构的冷却塔。然而冷却塔的冷却能力受环境的湿球温度影响很大，冷却效率很难再有明显提高，循环水的出水温度也很难再有大幅降低。本文介绍一种能使循环出水温度降低幅度变大的新型负压闭式冷却塔。这样既能保证水质又能达到处理水温的要求。
2 新型负压闭式冷却塔的基本原理
2.1 基本结构（见图1）
如上图所示，新型负压闭式冷却塔从下到上主要有支座、浮球阀、溢流管、管道泵、进风百叶窗、冷却盘管、喷淋排管、淋水喷头、挡水板、自动排气阀、风机。和普通的封闭式冷却塔结构相同。只是风机有所不同。此处风机的功率要比一般的负压风机大很多。
2.1 工作原理
这里我们先介绍普通闭式冷却塔[1]的工作原理：从冷凝器、吸收器或工艺设备等出来的温度较高的水，由冷却水循环泵加压输送到封闭式冷却塔的冷却盘管中。另一方面，利用管道泵将冷却塔底池中的水抽吸到喷淋排管中，然后。喷淋在冷却盘管的外表面上，蒸发吸取冷却水的热量，从而使冷却水的温度得以降低。
与此同时，靠安装在挡水板上面的风机的抽吸作用，使空气自下而上流经冷却盘管，这样不仅可以强化冷却盘管外表面的放热，而且还可以及时的带走蒸发所形成的水蒸气，以加速水分的蒸发，提高冷却效果。
具体来说，就是冷却盘管内温度较高的水一对流的形式将热量传给冷却盘管内表面，这部分热量再由冷却盘管的内表面传给冷却盘管的外表面。由于冷却盘管外表面喷淋循环水，循环水落到冷却盘管的外表面，靠对流和蒸发将这部分热量散到空气中去。
新型负压闭式冷却塔与普通的冷却塔的区别是塔内的压力要比普通的闭式冷却塔要低很多，这样会达到的不同的效果我们从下面的热力计算来进行分析。
由于既有传热又有传质。情况比较复杂。为便于计算，假设条件与文献[2]中的相同。下面我们进行数学计算，图二为冷却塔截面上流体的传热情况示意图
现在取塔体的微元高度dx段来分析。（见图2）
冷却水失去的热量为：
L·CL·dT=-K0·（T-Tp）·dx （1）
式中dx---微元高度段的传热面积；L---冷却水流量；CL---冷却水比热；K0---以外管表面积为基准，从冷却盘管内到喷淋水的传热系数；Tp---喷淋水的温度；T---冷却水的温度。
喷淋水失去的热量为：
Lp·Cp·dTp=-Km·（hP-h）·dx+K0·（T-Tp）·dx （2）
式中Lp---喷淋水流量；Cp---喷淋水比热；hP---与喷淋水相对应的饱和湿空气的焓；h---空气的焓；Km---传质系数
空气得到的热量为：G·dh=-Km·（hP-h）·dx （3）
式中G---空气流量
这里在负压闭式冷却塔中的G相对于普通闭式冷却塔变大很多，由（3）式知G变大，则（hP-h）变大，由hP=-35.08+4.48Tp知，dhP/dTp=4.48，即可得dTp升高，由（2）得到喷淋水失去的热量变多。
这里我们对空气横掠管束进行做些分析，我们先单纯考虑空气对盘管的横掠而暂不考虑喷淋水。
我们知道影响管束平均传热性能的因素有有流动Re数、流体的Pr数[3]。由于沿着主流方向流体的平均流速不断地发生变化，因此要选定一个特征流速以计算Re数：一般取为管束中的最大流速。
流体横掠顺排管束平均表面传热系数计算关系式为：
Nu=CRePr（Pr/Pr）0.25 （4）
式中Re为雷诺数，Re=ud/v；u为流速，m·s-1；v为运动粘度，m2·s-1； d为当量直径；Pr为普朗特数；（Pr/Pr）0.25为物性修正因子。
从（4）可以知道流速对管束的平均表面传热系数影响最大，在新型负压闭式塔中空气流速得到很大的提高，这样增强了盘管与空气的对流换热。
当考虑喷淋水时，空气流量增大，可及时的将喷淋水蒸发变成的水蒸气带走，使冷却盘管周围的水蒸气分压力降低，以利于后来的喷淋水的蒸发。
水的冷却极限为湿球温度τ，从理论上分析，水温可以降到湿球温度τ，但实际上达不到。要使水温降到湿球温度，冷却塔要无限大，空气与水接触的时间要无限长，这显然是不可能的。目前在冷却塔的設计中，一般是是冷却后的水温比湿球温度高3～5 ℃。 由焓湿图我们知道，当空气分压力降低后，空气湿球温度降低，即当塔内空气被大功率负压风机带动向上抽取时，塔内的空气的湿球温度降低。
由
α（t-τ）F=r·Kp·（Pv"-Pv）F （5）
式中α---对流换热系数，W/（m2·℃）；t---空气温度，℃；τ---空气的湿球温度，℃；F---换热面积，m2；r---水的汽化潜热，J/kg；Kp---以分压差为基准的湿交换系数，kg/（m2·s·Pa）；Pv---空气的水蒸气分压力，Pa；Pv"---水的表面的水蒸气压力，Pa；
得当空气的水蒸气分压力Pv降低时，其他量不变时，湿球温度τ必然降低。
又因为空气焓值是湿球温度的单值函数，在空调设计标准天中，两者之间的关系可用下式表达：hi=1.01τ+3.9943129e×（2.5+0.00184τ） （6）
根據闭式冷却塔的传热特点：
Qs=L·CL·（Ti-T0） （7） Qk=G·（h0-hi） （8）
由热平衡知，Qs=Qk （9） 所以，Qs=G（h0-hi） （10）
L·CL·（Ti-T0）=G（h0-hi） （11）
由此可知当湿球温度τ降低，空气的焓值降低，冷却塔出水温度降低。由以上分析我们可以知道空气流量增大，冷却能力增强，冷却效果提高。这也是负压冷却塔与普通冷却塔的区别所在。
3 新型负压闭式冷却塔的冷却效果
为了分析负压闭式冷却塔的冷却机理，验证实际的设计效果，进一步与传统闭式冷却塔进行冷却性能比较 ，我们对同样测试条件下的普通闭式冷却塔和负压闭式冷却塔进行对比。
在对某闭式冷却塔通过调节风机功率，进行实测时得到了下面的对比数据，见下面两个表格（见表1、表2）：
由表一、表二对比我们知道在循环水进、出口温度相同，湿球温度相同的情况下，处理的水量负压闭式冷却塔比普通闭式冷却塔要大，也就是说在处理水量相同时，循环水的出口温度负压闭式冷却塔必然比普通闭式冷却塔要低。
4 负压闭式冷却塔的优缺点
负压闭式冷却塔优点在于水温的处理上要比普通闭式冷却塔要低，这样可以较好的避开军团菌的最佳生长温度，而且可以减缓水垢生成速度，而且能够能使使用循环水的其他设备寿命增长。此外负压冷却塔还有低噪音等其他的优点。
但是负压闭式冷却塔，由刘刚，曹阳，武根峰等人的负压冷却塔在工程应用中节能效果测试评价研究[4]，我们知道，为了获得高负压，需要配置更大功率的风机来克服大风量下增加的阻力，当湿球温度降低1℃时，大气压力需降低大约7 250 Pa，这样风机的功率要增加到1 360 Kw。这就需要我们对其经济性进行更深入的研究，这是下一步要进行研究的课题。
5 展望
目前对于负压冷却塔的研究还比较少，它作为一种新的冷却塔的型式应用的场所也不多，但随着人们环保意识的提高，我们相信它将会被越来越多的场所所应用。
参考文献
[1] 李永安.空调用封闭式冷却塔[M].北京. 中国建筑工业出版社，2008.
[2] 虞海峰，吴兆林，周志钢.封闭式冷却塔冷却水出口温度建模[J].FLUID MACHINERY，2009，37（10）.
[3] 章熙民，任泽需，梅飞鸣等.传热学[M]. 北京. 中国建筑工业出版社，1985.
[4] 刘刚，曹阳，武根峰.负压冷却塔在工程应用中节能效果测试评价研究[J].暖通空调，2010，40（20）.
作者简介
朱庆云（1989-），安徽滁州人，上海海事大学硕士研究生，（电话）18817574328（电子信箱）zhuqingyunjhl0607@163.com。通讯地址为上海市浦东新区临港新城海港大道1550号上海海事大学22号楼439室。
[关键词]负压闭式冷却塔 冷却
[Abstract]This paper introduces the basic structure of negative pressure closed cooling tower，working principle and process of cooling and advantages.And with the ordinary closed cooling tower are compared.
[Key words]negative pressure closed cooling tower cooling
中图分类号：TQ053 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）04-0016-02
1 前言
在工业生产中，许多设备会在生产运行过程中产生大量的热量。为了维持设备的高效正常运转和不影响设备的运行寿命，我们必须对设备进行必要的冷却处理，目前市场上普遍采用水作为冷却介质。为了节约资源和保护环境一般都采用冷却塔对水进行冷却处理，然后再循环利用。随着有些精密设备对温度要求比较高时，如何使冷却塔的处理能力变大，循环水出水温度变得更低就变成一项重要的课题。
在过去几十年中，传统冷却塔的发展速度很快，市场上出现了各种结构的冷却塔。然而冷却塔的冷却能力受环境的湿球温度影响很大，冷却效率很难再有明显提高，循环水的出水温度也很难再有大幅降低。本文介绍一种能使循环出水温度降低幅度变大的新型负压闭式冷却塔。这样既能保证水质又能达到处理水温的要求。
2 新型负压闭式冷却塔的基本原理
2.1 基本结构（见图1）
如上图所示，新型负压闭式冷却塔从下到上主要有支座、浮球阀、溢流管、管道泵、进风百叶窗、冷却盘管、喷淋排管、淋水喷头、挡水板、自动排气阀、风机。和普通的封闭式冷却塔结构相同。只是风机有所不同。此处风机的功率要比一般的负压风机大很多。
2.1 工作原理
这里我们先介绍普通闭式冷却塔[1]的工作原理：从冷凝器、吸收器或工艺设备等出来的温度较高的水，由冷却水循环泵加压输送到封闭式冷却塔的冷却盘管中。另一方面，利用管道泵将冷却塔底池中的水抽吸到喷淋排管中，然后。喷淋在冷却盘管的外表面上，蒸发吸取冷却水的热量，从而使冷却水的温度得以降低。
与此同时，靠安装在挡水板上面的风机的抽吸作用，使空气自下而上流经冷却盘管，这样不仅可以强化冷却盘管外表面的放热，而且还可以及时的带走蒸发所形成的水蒸气，以加速水分的蒸发，提高冷却效果。
具体来说，就是冷却盘管内温度较高的水一对流的形式将热量传给冷却盘管内表面，这部分热量再由冷却盘管的内表面传给冷却盘管的外表面。由于冷却盘管外表面喷淋循环水，循环水落到冷却盘管的外表面，靠对流和蒸发将这部分热量散到空气中去。
新型负压闭式冷却塔与普通的冷却塔的区别是塔内的压力要比普通的闭式冷却塔要低很多，这样会达到的不同的效果我们从下面的热力计算来进行分析。
由于既有传热又有传质。情况比较复杂。为便于计算，假设条件与文献[2]中的相同。下面我们进行数学计算，图二为冷却塔截面上流体的传热情况示意图
现在取塔体的微元高度dx段来分析。（见图2）
冷却水失去的热量为：
L·CL·dT=-K0·（T-Tp）·dx （1）
式中dx---微元高度段的传热面积；L---冷却水流量；CL---冷却水比热；K0---以外管表面积为基准，从冷却盘管内到喷淋水的传热系数；Tp---喷淋水的温度；T---冷却水的温度。
喷淋水失去的热量为：
Lp·Cp·dTp=-Km·（hP-h）·dx+K0·（T-Tp）·dx （2）
式中Lp---喷淋水流量；Cp---喷淋水比热；hP---与喷淋水相对应的饱和湿空气的焓；h---空气的焓；Km---传质系数
空气得到的热量为：G·dh=-Km·（hP-h）·dx （3）
式中G---空气流量
这里在负压闭式冷却塔中的G相对于普通闭式冷却塔变大很多，由（3）式知G变大，则（hP-h）变大，由hP=-35.08+4.48Tp知，dhP/dTp=4.48，即可得dTp升高，由（2）得到喷淋水失去的热量变多。
这里我们对空气横掠管束进行做些分析，我们先单纯考虑空气对盘管的横掠而暂不考虑喷淋水。
我们知道影响管束平均传热性能的因素有有流动Re数、流体的Pr数[3]。由于沿着主流方向流体的平均流速不断地发生变化，因此要选定一个特征流速以计算Re数：一般取为管束中的最大流速。
流体横掠顺排管束平均表面传热系数计算关系式为：
Nu=CRePr（Pr/Pr）0.25 （4）
式中Re为雷诺数，Re=ud/v；u为流速，m·s-1；v为运动粘度，m2·s-1； d为当量直径；Pr为普朗特数；（Pr/Pr）0.25为物性修正因子。
从（4）可以知道流速对管束的平均表面传热系数影响最大，在新型负压闭式塔中空气流速得到很大的提高，这样增强了盘管与空气的对流换热。
当考虑喷淋水时，空气流量增大，可及时的将喷淋水蒸发变成的水蒸气带走，使冷却盘管周围的水蒸气分压力降低，以利于后来的喷淋水的蒸发。
水的冷却极限为湿球温度τ，从理论上分析，水温可以降到湿球温度τ，但实际上达不到。要使水温降到湿球温度，冷却塔要无限大，空气与水接触的时间要无限长，这显然是不可能的。目前在冷却塔的設计中，一般是是冷却后的水温比湿球温度高3～5 ℃。 由焓湿图我们知道，当空气分压力降低后，空气湿球温度降低，即当塔内空气被大功率负压风机带动向上抽取时，塔内的空气的湿球温度降低。
由
α（t-τ）F=r·Kp·（Pv"-Pv）F （5）
式中α---对流换热系数，W/（m2·℃）；t---空气温度，℃；τ---空气的湿球温度，℃；F---换热面积，m2；r---水的汽化潜热，J/kg；Kp---以分压差为基准的湿交换系数，kg/（m2·s·Pa）；Pv---空气的水蒸气分压力，Pa；Pv"---水的表面的水蒸气压力，Pa；
得当空气的水蒸气分压力Pv降低时，其他量不变时，湿球温度τ必然降低。
又因为空气焓值是湿球温度的单值函数，在空调设计标准天中，两者之间的关系可用下式表达：hi=1.01τ+3.9943129e×（2.5+0.00184τ） （6）
根據闭式冷却塔的传热特点：
Qs=L·CL·（Ti-T0） （7） Qk=G·（h0-hi） （8）
由热平衡知，Qs=Qk （9） 所以，Qs=G（h0-hi） （10）
L·CL·（Ti-T0）=G（h0-hi） （11）
由此可知当湿球温度τ降低，空气的焓值降低，冷却塔出水温度降低。由以上分析我们可以知道空气流量增大，冷却能力增强，冷却效果提高。这也是负压冷却塔与普通冷却塔的区别所在。
3 新型负压闭式冷却塔的冷却效果
为了分析负压闭式冷却塔的冷却机理，验证实际的设计效果，进一步与传统闭式冷却塔进行冷却性能比较 ，我们对同样测试条件下的普通闭式冷却塔和负压闭式冷却塔进行对比。
在对某闭式冷却塔通过调节风机功率，进行实测时得到了下面的对比数据，见下面两个表格（见表1、表2）：
由表一、表二对比我们知道在循环水进、出口温度相同，湿球温度相同的情况下，处理的水量负压闭式冷却塔比普通闭式冷却塔要大，也就是说在处理水量相同时，循环水的出口温度负压闭式冷却塔必然比普通闭式冷却塔要低。
4 负压闭式冷却塔的优缺点
负压闭式冷却塔优点在于水温的处理上要比普通闭式冷却塔要低，这样可以较好的避开军团菌的最佳生长温度，而且可以减缓水垢生成速度，而且能够能使使用循环水的其他设备寿命增长。此外负压冷却塔还有低噪音等其他的优点。
但是负压闭式冷却塔，由刘刚，曹阳，武根峰等人的负压冷却塔在工程应用中节能效果测试评价研究[4]，我们知道，为了获得高负压，需要配置更大功率的风机来克服大风量下增加的阻力，当湿球温度降低1℃时，大气压力需降低大约7 250 Pa，这样风机的功率要增加到1 360 Kw。这就需要我们对其经济性进行更深入的研究，这是下一步要进行研究的课题。
5 展望
目前对于负压冷却塔的研究还比较少，它作为一种新的冷却塔的型式应用的场所也不多，但随着人们环保意识的提高，我们相信它将会被越来越多的场所所应用。
参考文献
[1] 李永安.空调用封闭式冷却塔[M].北京. 中国建筑工业出版社，2008.
[2] 虞海峰，吴兆林，周志钢.封闭式冷却塔冷却水出口温度建模[J].FLUID MACHINERY，2009，37（10）.
[3] 章熙民，任泽需，梅飞鸣等.传热学[M]. 北京. 中国建筑工业出版社，1985.
[4] 刘刚，曹阳，武根峰.负压冷却塔在工程应用中节能效果测试评价研究[J].暖通空调，2010，40（20）.
作者简介
朱庆云（1989-），安徽滁州人，上海海事大学硕士研究生，（电话）18817574328（电子信箱）zhuqingyunjhl0607@163.com。通讯地址为上海市浦东新区临港新城海港大道1550号上海海事大学22号楼439室。