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冷却塔模拟计算方法论
冷却塔模拟计算方法论
来源:中制冷设备网    2009-6-4
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摘要:本文简述了冷却塔冷却塔的选型,校核计算,模拟计算方法等,供大家参考。


一、简述
如上图,冷却塔放于层间,运行时冷却塔进/排风大致可分为6个区间(图中箭头表示风向,其长度表示风量大小);它们分别是:
a 区——冷却塔在A轴方向的主要进风面,该处装有1250mm高百叶3层。
b1/b2——冷却塔入风回流区,在这两个区很可能出现负压;回流在b2区会较多出现。
c 区——冷却塔高速排风区。
d 区——冷却塔在1/A轴方向通风区,该区为负压区,风速较a区高,且以乱流出现居多。
e 区——热风扩散区;冷却塔排风经过一段距离(冷却塔排风口到建筑顶部百叶约4000mm)后,动压明显下降,静压上升,该区属正压区,其间大部分热风经建筑顶部百叶排入大气,少部分弥散后排风受阻会滞留一段时间,但,由于上下(e 区~b区)空间随机存在着压差,使得部分e区弥散的热风回流。


二、冷却塔的选型
1、设计条件
温度:38℃进水,32℃出水,27.9℃湿球;
水量:1430M³/H;水质:自来水;
耗电比:≤60Kw/台,≤0.04Kw/M³·h,
场地:23750mm×5750mm;
通风状况:一般。
2、冷却塔选型
符合以上条件的冷却塔为:LRCM-H-200SC8×1台。
(冷却塔[设计基准]37-32-28℃,此条件下冷却塔处理水量为名义处理水量)
其中,LRC表示良机方形低噪声冷却塔,M表示大陆性气候适用,H表示加高型,200表示冷却塔单元名义处理水量200M³/H,S表示该机型区别于一般冷却塔,C8表示该塔共由8个单元并联组合而成,即名义处理总水量为1600M³/H。
冷却塔的外观尺寸为:22630×3980×4130。
冷却塔配电功率:7.5Kw×8=60Kw,耗电比为60÷1600=0.0375Kw/M³·h。


三、校核计算
1、已知条件:
冷却塔LRCM-H-200SC8在37-32-28℃温度条件下单元名义处理水量L=200 M³/H;
冷却塔风量G=1690M³/min。
2、设计条件:
热水温度:T1=38℃;
冷水温度:T2=32℃;
外气湿球温度:Tw=27.9℃;
大气压:Pa=76mmHg;
处理水量:L=179 M³/min;
水气比:L/G=1.605;
热负荷:Q=1074000Kcal/h;
组合单元数:N=8。
3、冷却塔特性值
依照CTI标准所给出的计算公式
Ka·V/L=
近似计算为
Ka·V/L= ×
代入数据得,Ka·V/L=1.251。
其中
当Tx=T1-0.1×(T1-T2)时,dh1=(hw –ha);
当Tx=T1-0.4×(T1-T2)时,dh2=(hw –ha);
当Tx=T2 0.4×(T1-T2)时,dh3=(hw –ha);
当Tx=T2 0.1×(T1-T2)时,dh4=(hw –ha);
     水温度℃ 湿球温度℃
T1             T2 Tw
38.0 37.4 35.6 34.4 32.6 32.0 27.9
焓值 35.861 34.792 31.762 29.880 27.247 26.416 21.307

焓值单位为Kcal/Kg。
随水气比的变化可得到以下数据:
L/G 1.100 1.300 1.500 1.605 1.700 1.900 2.10
Ka·V/L 0.967 1.058 1.175 1.251 1.333 1.566 1.963

由上表数值可以求得冷却塔特性曲线,再按斜率K=-0.6交于设计点(见曲线图)。
4、冷却塔冷却能力比较
由上列数值绘出设计条件之特性曲线,然后由设计点(L/G, Ka·V/L)绘出水塔特性斜线与37-32-28℃标准特性曲线相交得到L’/G=1.769。
即,设计条件转换到37-32-28℃标准条件下之当量水量
L’=(L’/G)*G
代入数据,L’=1.769×1690×60×1.1=197.3M³/h。
而LRCM-H-200S之名义处理水量L=200 M³/h,可以满足设计条件。
5、结果
LRCM-H-200S名义处理水量200 M³/h大于设计当量水量197.3M³/h,所以,此机型能满足使用要求。


四、模拟运行计算
1、建立数学模型
冷却塔实际运行中,各参数的变化是很复杂的,无论何种形式,在表示其热工特性的重要参数上,有,以焓为基准的总容积传热系数(Ka·V/L)与填料的材质特性(Ka)、冷却塔的结构形式、淋水密度(L/Al)、水气比(L/G)、塔体断面通风风速或风负荷(G/Ag)……等诸多因素;再综合冷却塔的运行环境等因素,可以设定以下条件:
1)冷却塔风机静压Ps恒定;
2)冷却塔循环水量L一定(此处不计偏差);
3)冷却塔热容量Q一定(按主机最大负荷计),且入水温度t1为一定;
4)冷却塔放置位置不变;
5)冷却塔结构形式不变。
于是,可以知道变化的主要参数有:
1)冷却塔风机的风量G;
2)冷却塔风机的出水温度t2;
3)环境湿球温度tw;
我们可以抽象出以下方法对冷却塔的实际运行进行简化模拟:
A.对冷却塔a区进风
冷却塔进风动力源于风机所产生的静压Ps与塔体入风口静压Pa之差 Ps。
va= ; …………①
设定A轴百叶开启角度 ≤20°,再考虑塔体入风百叶影响,取 =1.12。
B. 对冷却塔d区通风
只有塔体入风百叶,取 =1.05。
C.对冷却塔b区通风
b1区靠A轴百叶仅150mm左右,通风量按它与进风口高度之百分比计约为4%;
b1区靠1/A轴距离约1650mm左右,通风量按它与进风口高度之百分比计约为58%。
D.对冷却塔c区排风
c区为冷却塔高速排风区,在空间上,它近似于有限空间射流,射流的外形象橄榄。
…………②
式中
vx——射程x处的射流轴心速度;
v0——射流出口处的初平均速度;
x——出口至计算断面的距离;
d0——送/排风口直径;
a——送/排风口的紊流系数;
上式是自由射流,它可以大致绘出射流的具体形状(如射程、最大射流断面)。但,在受限空间,排风口的速度衰减估算一般采用下式。
…………⑶
受限空间射流的压力场是不均匀的,各断面的静压随射程的增加而增加;同时,由于射流速度场的相似性,必然有温度场的相似性。
…………⑷
此处简化计算为平均值。
式中,
⊿Tx——射流x处与周围空气的温度差;
⊿T0——射流出口处与周围空气的温度差。
E.对冷却塔e区滞留热空气
射流上部受栅栏影响,部分空气流向分散;以及射流过程中排风热空气与周围空气进行热能与动量的交换,其结果导致周围空气温湿度升高,焓值升高的空气一部分上升,另一部分滞留于栅栏下部空间。这两部分一起形成了e区的滞留热空气。
通过以上建模分析可知,此环境中运行的冷却塔要克服的问题是:
b区回流高温高湿空气;
d区负压值过大,风量可能不足;
c区滞留热空气。
2、参数估算
1)已知
冷却塔入风口尺寸:7.45×2=14.9m²
冷却风机直径:2000mm
冷却风机的总静压:110Pa
冷却风机的名义风量:28.17 m³/s
塔体风阻力:90 Pa
冷却塔设计处理水量:179m³/h
冷却塔有效散水面积:6.1m²
冷却塔填料容积:14.63m³
冷却塔进水温度:38℃
环境湿球温度:27.9℃
A轴百叶面积:≤11.25 m²
易得,
冷却塔水负荷(L/Al):29.36 m³/ m²·h
冷却塔填料特性值(Ka):15306
冷却塔出风口风速(v0):8.98 m/s
冷却塔出风口动压(Pv):18.3Pa
A轴百叶面通风风速:2.81 m/s
(注:冷却塔基础墩高度750mm)
2)计算
冷却塔通风遵循进出风量相等原则,可知,a区通风量与e区排风量相等。
A.在c~e区,计算e区的静压与温度
设从风机排出的空气与水热交换100%,即排风口饱和湿空气焓
ha2=ha1 L/G(T1-T2)…………⑸
e区排风动压Pve
ve= v0× …………⑹
当x/d=2时,ve=1.98m/s,即排风到达顶部栅栏时,动压基本转化为静压,
Ps≈16.1Pa
排风空气在此处静压呈正态分布,热风被排出。
e区空气温度差
⊿Te=(38-27.9)×
=0.87℃
说明e区排风(非饱和湿空气)与周围空气之温度比较接近。
e区弥散的热空气的湿球温度近似为:
twe=27.9 0.87=28.77℃
B.在b~d区
其中,冷却塔进风两侧,一面临A轴,一面临1/A轴。假定,两面进风量相同,则冷却塔进风面风速约为1.89 m/s,每面进风量约14.08m³/s。
冷却塔进风临A轴侧,由于靠近百叶,所以风量视为足够;
对临1/A轴侧,d区可分上、下两部分通风,其中上部通风约58%;同理,下部通风约38%;即是说,由于下部通风量的不足,上部热风回流大部分弥补了1/A轴侧通风量的不足,同时也造成d区负压过大。
由式⑴,
因为G=V·A,冷却塔通风面积一定。
所以,⊿Ps=
代入数据,⊿Ps= ×(1-0.8836)
=0.3Pa
超出的负压,使得d区通风恶化,上部热风更多从b2区流向d区,即实际上部通风量应为:58% 4%=62%,d区上、下两部分空气混合而成1/A侧冷却塔的进风,混合后的湿球温度tw’(A轴空气湿球温度tw=27.9℃)。
…………⑺
代入数据,求得hw’=21.94Kcal/kg
按空调二类地区换算,可得混合后的空气湿球温度:tw’=28.3℃。它说明1/A轴侧冷却塔的进风湿球温度要比A轴侧的高出0.4℃。
按⑸式可以得出塔热空气的焓h2:
h2=21.307 1.605×(38-32)
=30.937 Kcal/kg
(注:如果按38℃排风温度,出塔热空气的焓应为35.848 Kcal/kg)
依照上述结果推算,
1/A轴侧冷却水出水温度T2’:
T2’=38-
=32.4℃
到此,计算完成。
3)评述与结论
以上结果是在抽象简化后计算得出,鉴于冷却塔在现场运行时情况更为复杂,例如,风机静压的影响,环境的蓄热量,分水均匀度,风叶片的安装角度等等,但,总的说来,冷却塔出水温度偏差应在0.4~0.7℃内。


五、可选改善方案与建议
1)可选改善方案
为使冷却塔的运行效果更好,可在冷却塔的出风口加装1500mm~2000高的直立导风筒,以防排风动压下降过快。
同时,冷却塔在设计时充分考虑余量,以缓减环境湿球升高的影响。
2)建议
由于冷却塔所在空间的空气湿度较大,所以建议作好建筑的防潮与防水工作。

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