冷却塔根据循环的方式可以分为开式冷却冷却塔和闭式冷却塔两种。在我国南方地区，由于水资源丰富，外冷却设备一般选择闭式冷却塔。在闭式冷却塔中，循环冷却水流过换热管束内，通过管壁将热量传给管外的喷淋水，喷淋水通过蒸发散热，将热量传递给空气［97，98］。

图3－44是一种典型的闭式冷却塔结构示意图。闭式冷却塔（也叫蒸发式空气冷却器或密闭式冷却塔）是将管式换热器置于塔内，通过管外流通的空气、喷淋水与管内的循环冷却水换热，实现降温目的。由于循环冷却水是闭式循环，能够保证水质不受污染，很好地保护了主设备的高效运行，提高了使用寿命［99］。

图3－44中，存在着三种流体流动：管内冷却水、管外喷淋水以及管外空气。管内冷却水在冷却换热管束中流动，其热量通过管壁传递给管外喷淋水；循环水泵将集水槽内的水压送到冷却换热管束的上方，经喷嘴喷淋在冷却换热管束外表面，水流回集水槽，管外喷淋水在整个传热过程中起到一个媒介的作用；风机使气自下而上地流过冷却换热管束，管内喷淋水与空气作用，通过蒸发带走热量。

图3－44 闭式冷却塔结构示意图

闭式冷却塔根据风向和喷淋方向分为顺流、逆流和横流等。闭式冷却塔的冷却原理可分为两个循环：一个内循环、一个外循环。

1）内循环：与换流阀对接，构成一个闭式的循环系统（循环介质一般为纯水），将换流阀中的热量带出。内循环是由水泵将循环冷却水从进水口泵入，通过换热管束与喷淋水进行换热。

2）外循环：如图3－45所示，喷淋水在冷却塔中循环，为冷却塔本身进行降温。喷淋水不与内循环冷却水相接触，只是通过冷却塔内的换热管束进行换热。风机产生压力差，将冷空气从进风栅外抽入冷却塔；喷淋水从水池泵送到布水器喷淋，喷淋水落到换热管束的外表面上，冷空气与喷淋水发生对流和蒸发，将这部分热量传到空气中，风机把这些空气散到环境中。

在春夏两季环境温度高的情况下，需要两个循环同时运行。秋冬两季环境温度不高，大部分情况下只需一个内循环工作。

1.传热设计

一般有两种情况需要进行换热器的计算。一种是设计一个新的换热器，需要确定换热器所需要的换热面积，这类计算称为设计计算；另一种是对已有的或已选定了换热面积的换热器，在非设计工况条件下核算它能否胜任规定的换热任务，这部分称为校核计算。

图3－45 闭式冷却塔系统图

通过传热设计，计算出传热的热量和相关的参数变量。从传递过程理论看，闭式冷却塔换热包含一次空气与二次空气的传热，其中二次空气与水膜间进行的传热是一种传热传质耦合的复杂过程。管束外一次空气、二次空气和水膜在温差和水蒸气浓度差的共同作用下，即在焓差的推动下进行热湿交换。根据能量守恒、传热传质基本公式推出了闭式冷却塔的热力计算公式。

沿高度方向取一个小的微单元，循环冷却水的微单元散热量dQ1为

积分可以得到循环冷却水散出的热量为

闭式冷却塔在微单元内由循环冷却水向喷淋水传热量dQ2为

积分可以得到

微单元内空气获得的热量dQ3为

积分可以得到

微单元内喷淋水向空气的传热量dQ4为

积分可以得到

根据能量守恒定律，循环冷却水散出的热量＝湿空气带的热量，因此dQ2＝dQ3＝dQ4通过积分，建立起由式（3－73）、式（3－75）、式（3－77）、式（3－79）组成的积分方程组，通过求解方程组，可以计算出综合传热系数K和换热面积A。在此过程中，两个最重要的参数hw和hd的计算和测试是增强正确性的重要步骤。

Paker和Treyball最早提出了逆流闭式冷却塔的实际设计方法，假设饱和湿空气的焓值与空气－水膜界面处水膜温度呈线性关系，给出了外径为19mm错排管束的传热传质经验公式［100］。管外喷淋水与管外表面之间的传热系数hw为

式中，tw为喷淋水膜的温度（℃）；Gw为喷淋水的质量流速［kg／（s·m2）］。

空气－水膜之间的传质系数hd为

式中，Ga为空气质量流速［kg／（s·m2）］

其他的传热传质经验公式见表3－18。

表3－18 传热传质经验公式［100］

闭式冷却塔内部传热传质性能直接影响其供冷性能，而影响闭式冷却塔传热传质性能的因素主要有管内流体流速、喷淋密度以及空气流速等。对于给定工况的闭式冷却塔，采用前面提到的Hasan等的传热传质经验公式，我们可以计算出其换热面积和总传热系数，从而预测不同管内冷却水流速、迎面风速、配风量，分析各因素对闭式冷却塔传热传质性能的影响。

2.通风阻力设计

如前所述，冷却塔总的局部阻力包括进风口、导流设施、淋水装置、配水系统、收水器以及风筒阻力（包括风机进出口）、气流的收缩、扩大、转弯等部分。

各局部阻力可按下述公式来计算：

式中，ξi为各局部阻力系数；vi为相应部位的空气流速；比重γi为密度的倒数(www.daowen.com)

总的局部阻力H可以写成

塔内气体流速vi的代表意义是气流通过冷却塔内各部的速度。而这个速度通常是以算术平均速度代入计算式的，如果塔内流速是均匀分布的，则说明塔形已很为理想。但一般说来，塔内气流分布都是不均匀的，因此设计和实际相差一定距离，为使其差值减少，人们都在探索、追求、设计较为合理的塔形。

塔内各部阻力系数ξi通常是以实际手段测得的，它与塔体各部分的结构形式、材质及气流壳线组织情况等因素有关，随塔体的形式不同而异，如以某一种特定的塔形试验条件所取得的试验值推广到一般是不对的，只有当所设计的工业塔与模拟塔符合相似条件时才能采用，而在一般文献中ξi值是在均匀流的条件下做出的，应用于冷却塔中尚需试验论证，一般厂家在生产标准化的设备时需要对该数据进行处理给出或直接给出各种风量下总体阻力曲线。

冷却培内各部分的湿空气密度ρi或者比重是一个非常难于测得的数据，它与进塔空气状态（指在某一干球温度、湿球温度，大气压力等条件），进塔水温、气水比等因素密切相关但又随塔形、配水形式、淋水装置结构形式、材质、热力特性曲线等因素影响而改变，此外，对塔内空气干球温度的测量问题，目前亦还未解决。因此，欲求塔内各部分的真正湿空气的密度比较困难，常采用进出塔的空气比重算术平均值来表示。

如图3－46所示，从进风到出风口主要的阻力在进风栅Δp1、换热管束Δp2、集水器／脱水器Δp3和引风的风筒风机带来的阻力Δp4几处

文献［101］给出了阻力的经验公式为

式中，f为阻力系数，与Re数有关；Lp为管簇高度；Gmax为通过管排间空气的最大质量流速；Dv为管道的当量直径；ρ为空气的平均密度；μ为湿空气的黏度；μw为管表面温度下湿空气的黏度。根据上述阻力计算选择合适的风机。

图3－46 通风的阻力设计计算

3.水量设计

水量设计包括冷却水循环水量Mc、喷淋水量Mp和补充水流量Mb。

（1）水循环水量

闭式冷却塔的冷却水循环水量Mc由目标冷却功率、进出口水温确定，即

式中，Q为冷却塔冷却功率；c为冷却水循环水比热；Ti和To分别为进、出水口温度。

（2）喷淋水量

喷淋水量是从喷淋角度来描述的循环水量，闭式冷却塔的喷淋水量是影响其设备性能的重要参数。喷淋水量过少，换热管壁面形成的液膜太薄，在表面张力的作用下，液膜很容易产生断裂和收缩，不能均匀地对管壁进行覆盖，从而使部分表面不能参与到传热传质过程使设备的总体冷却效率下降，因此需要合理选取喷淋水量。根据实际工程经验，为了使水很好地润湿传热管表面，一般取喷淋密度Г＞0.035 kg／（m2·s）喷淋水，则喷淋水量可由式（3－86）确定：

式中，Mp为喷淋水量；Г为喷淋密度［kg／（m2·s）］；nL为每层换热管束的管数；L为换热管长度（m）；ρ为喷淋水的密度（kg／m3）。

（3）补充水量

补充水量Mb主要包括蒸发水量、飘水量和排污损失量。

闭式冷却塔蒸发水量根据式（3－87）计算：

式中，Mb1为蒸发损失水量（L／s）；K为与环境温度有关的系数（％）。

蒸发损失与N浓缩倍数有关，根据《工业循环冷却水处理设计规范》GB50050—2007），浓缩倍率不宜大于5不宜小于3。

飘水量由（3－88）计算：

式中，Mb2为飘水量；η1为风吹损失率（有除水器大约为0.1％，无除水器为0.3％～0.5％）。

闭式冷却塔排污损失量根据式（3－89）计算：

式中，η2为排污损失率。

闭式冷却塔最大补充水量计算公式为

4.设计过程

闭式冷却塔与空气冷却器相比，多了一个水蒸气变化的气液相，即多了一个两相流体。对于一个特定的闭式冷却塔，已知管内冷却水流量Gp、进口温度Tpi、出口温度Tpo、大气压Pa、空气干球温度ta以及湿球温度twb，求出管外表面积A以及空气－水膜接触面的表面积Aa。假设水膜温度为Tw，迭代求解A和Aa，直到两者之差达到设定值，最终结果可以输出换热面积A和总传热系数K。具体的计算与迭代过程可以通过编写计算程序，采用编程计算得到，设计程序的流程图如图3－47所示［102］。

换热器的算法步骤是基本一致的。

1）采用式（3－73）、式（3－75）、式（3－77）、式（3－79）初步计算换热量Q，根据换热量热力和布置换热面，并出相应的空气冷却器内部空气焓iai。

2）根据式（3－81）计算出ha。

3）给出喷淋水密度，假定管壁的温度Tw，参考式（3－80）求出hw，并由式（3－73）、式（3－75）、式（3－77）、式（3－79）组成的方程组，求出换热面积A和换热系数K［101］。

4）根据管道的结构特点，计算出其实际的Aa，与计算的A进行比较，当两者的接近98％以内可以结束计算。

图3－47 设计程序的流程图