基于焓差法的機械通風逆流式冷卻塔出塔水溫研究

唐永東　顧　威　李曉平　上海寶鋼節能環保技術有限公司

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基于焓差法的機械通風逆流式冷卻塔出塔水溫研究

唐永東顧威李曉平上海寶鋼節能環保技術有限公司

摘要：針對循環冷卻水系統中冷卻塔運行效率不高、能量浪費嚴重的問題，基于Merkel焓差理論建立了機械通風逆流式冷卻塔出塔水溫計算模型，計算分析了影響冷卻塔出塔水溫的各種因素及其影響規律。結果表明：大氣壓力對冷卻塔出塔水溫的影響很小，干球溫度、濕球溫度、風機風量以及冷卻水量與出塔水溫均成正相關關系，而氣水比增加，出塔水溫將降低，這些結論可為冷卻塔隨工況變化調整運行方式提供依據。

關鍵詞：冷卻塔；焓差法；數值計算；節能

Fund Item: Shanghai Municipal Science and Technology Commission Research Project (13dz1201700)

唐永東：（1975-），男，碩士研究生，工程師，長期從事流體系統技術和節能項目管理工作。

在工業生產過程中，許多環節會產生大量的廢熱，為保障設備的正常運轉，將這些廢熱消除，因此循環冷卻水系統猶如生產過程的生命線。為了實現冷卻水的循環再利用，吸收熱量的冷卻水必須通過冷卻塔降溫到工藝要求的溫度才能循環使用。為了實現冷卻塔組能夠隨著工況變化而及時調整運行方式，就需要建立起冷卻塔出塔水溫的數學模型，并研究出塔水溫的影響因素及其規律，從而為冷卻塔運行方式的調整提供依據。

1　Merkel焓差法基本原理

冷卻水經過需要冷卻的設備后溫度升高，進入冷卻塔后與經風機吸入的空氣進行接觸，在接觸過程中包括質量傳遞和熱量傳遞兩部分，Merkel[2]通過引入劉易斯數（Lewis Number）將傳質和傳熱統一為焓變，由此建立了Merkel焓差方程，然后由該方程再結合水氣熱平衡方程得到了冷卻塔的基本方程：

式中 ，c——冷卻水的比熱，kJ/(kg·K)；

t1、t2——分別為冷卻塔的進塔水溫和出塔水溫，K；

i"——與水溫所對應的飽和空氣焓，kJ/kg；

i——空氣的比焓，kJ/kg；

dt——經過填料微段的冷卻水溫差；

βxv——容積傳質系數，kg/(m3·s)；

V——塔內填料的體積，m3；

L——進塔的冷卻水流量，kg/s 。

由于水的蒸發帶走的熱量要比水和空氣接觸所傳遞的熱量小的多，因此常將蒸發對熱量的影響用系數 來代替，其經驗表達式為：

式（1）是在Merkel焓差方程的基礎上得到的進行冷卻塔熱力計算的基本方程。該式左邊為按溫度積分的表現冷卻能力的參數，簡稱為冷卻數，用N表示，它的值與外界氣象條件有關，而與冷卻塔本身的構造和類型無關。從形式上看，冷卻數就是焓差的倒數求積分，積分上限為進塔水溫，積分下限為出塔水溫，但是由于該焓差與溫度的關系非常復雜，所以一般均采用近似的積分方法，一般采用Simpson近似積分法：

i1、im、i2——分別為與進塔空氣、平均狀態空氣和出塔空氣的焓，kJ/kg；

Δt ——水在塔內的溫降，℃。

其中，λ——空氣質量流量與冷卻水質量流量的比值，簡稱氣水比。

上述各式中空氣焓值的計算公式為：

式中，t——空氣的溫度，℃；

φ——空氣的相對濕度；

pa——大氣壓力，kPa。

當空氣為飽和空氣時，相對濕度φ=1，此時空氣的焓稱為飽和空氣焓，用''i表示，其計算式為：

式（6）、式（7）中飽和蒸汽分壓力可通過下式進行計算：

式（1）的右邊被稱為冷卻塔的特性數，用N'表示，反映了冷卻塔所具有的冷卻能力，與淋水填料的構造、性能以及水、氣流動有關，一般經測試后由生產廠家或專門的研究機構給出其散熱特性的表達式：

式中A、n為常數系數，填料不同其取值也各不相同。

2　冷卻塔出塔水溫模型的求解及驗證

將式（3）和式（9）分別代入式（1）可得到：

式（10）是關于冷卻塔出塔水溫t2的非線性方程，通常采用迭代方法進行求解，先給定t2一個初值，然后代入式（3）和式（9）分別計算，如果得到的N和N'滿足，則求得的t2即為冷卻塔的出塔水溫，否則將新值代入，繼續分別計算N 和N'，直到滿足

文獻[3]中給出了一個實際運行的冷卻塔，該冷卻塔的平面尺寸為17 m×17 m，風機型號為L92D，風機直徑為9.14 m，經西安熱工院測試，風機實際風量為2.291×106 m3/h，冷卻水流量為4300 m3/h，冷卻水進塔水溫為43℃，濕球溫度為28.2℃，大氣壓力為1.013×105Pa，冷卻塔所用填料為PVC雙斜波填料，高度為1.5 m，熱力熱性為，出塔水溫為33℃。

3　冷卻塔出塔水溫影響因素分析

循環冷卻水回水進入冷卻塔后，其所吸收的廢熱在塔內經過水—氣接觸換熱，由大氣帶入空氣中，因此氣象條件對冷卻塔的冷卻效果有很大影響。為了降低冷卻塔的運行能耗，有必要根據冷卻水的熱負荷和冷卻塔的冷卻能力進行實時調節。為此，基于焓差法模型數值計算，對幾個基本的大氣環境因素對出塔水溫的影響進行研究，為冷卻塔的實時調節提供支撐。

3.1大氣壓力的影響

將上述冷卻塔的設計參數和外界環境參數輸入，分析出塔水溫隨大氣壓力的變化規律，結果見圖1。

由圖1可看出，大氣壓力增加會導致出塔水溫的增加，但增加很小，大氣壓力增加5%，出塔水溫約增加0.6%，說明大氣壓力對出塔水溫的影響非常微小，可以忽略不計。

3.2干球溫度的影響

以類似的方式分析了出塔水溫隨干球溫度的變化規律，結果見圖2。

圖1　大氣壓力變化對出塔水溫的影響

圖2　干球溫度變化對出塔水溫的影響

圖3　相對濕度變化對出塔水溫的影響

由圖2可看出，干球溫度的增加會明顯導致出塔水溫的增加，增加幅度隨干球溫度的升高而越來越大。

3.3濕球溫度的影響

以類似的方式分析了出塔水溫隨濕球溫度的變化規律，結果見圖3。

由圖3可看出，濕球溫度和出塔水溫的幾乎呈線性關系增加，說明濕球溫度是影響出塔水溫的重要因素，根據濕球溫度調節冷卻塔能取得良好的效果。

3.4進塔水溫的影響

進塔水溫與出塔水溫的關系見圖4所示，說明進塔水溫和出塔水溫近似呈線性關系，表明濕球溫度是影響出塔水溫的重要因素，根據濕球溫度調節冷卻塔能取得良好的效果。

3.5進塔水量的影響

進塔水量與出塔水溫的關系見圖5所示，說明進塔水量和出塔水溫正相關，但當水量增加到一定程度時，出塔水溫變化幅度越來越小。

3.6氣水比的影響

氣水比與出塔水溫的關系見圖6所示，說明氣水比和出塔水溫反相關，但氣水比從0.8變化到1.5時（變化幅度為87%），出塔水溫降幅僅為6%。

4　結論

通過采用焓差法對逆流式機械通風冷卻塔對各種環境和運行參數對出塔水溫的影響研究表明：大氣壓力對冷卻塔出塔水溫的影響很小，干球溫度、濕球溫度、風機風量以及冷卻水量與出塔水溫均成正相關關系，而氣水比增加，出塔水溫將降低，這些結論可為冷卻塔隨工況變化調整運行方式提供依據。

圖4　進塔水溫變化對出塔水溫的影響

圖5　進塔水量變化對出塔水溫的影響

圖6　氣水比變化對出塔水溫的影響

參考文獻

[1] 金亞彪. 鋼鐵企業循環冷卻水處理站總體設計[J].環境工程,2009,27：187-190, 254.

[2] 陳應新. 大型機械通風冷卻塔電動風機的節能改造[J]. 工業水處理，2009，29(1): 77-79.

[3] 胡連江. 逆流機力通風冷卻塔工藝性能的研究[D]. 天津大學博士學位論文，2008.

[4] 唐燕忠. 機械通風逆流冷卻塔節能降耗設計實例[J]. 硫磷設計與粉體工程，2006，(1): 44-47 .

[5] 韓玲. 冷卻塔設計參數與節水、節能的關系[J]. 工業用水與廢水，2008，39(2): 1-4.

Study on Mechanical Ventilation Reverse Flow Type Cooling Towers Outlet Temperature Based on Enthalpy Difference Method

Tang Yongdong, Gu Wei, Li Xiaoping
Shanghai BaoSteel Energy Saving and Environment Protection Technology Limited Company

Abstract:The article builds up computational model of mechanical ventilation reverse flow type cooling towers outlet temperature based on enthalpy difference method to confront the problems, such as cooling towers operation low efficiency and huge energy waste in circulating cooling water system. It calculates and analyzes all kinds of factors and influences principles of cooling towers outlet temperature. The results show that atmospheric pressure has small influence on cooling towers outlet temperature, dry bulb temperature, wet bulb temperature, fan flow quantity and cooling towers water output are positively correlated with outlet temperature, while gas water ratio increases, outlet temperature decreases. All these conclusions can provide reference to cooling towers operation changes with different working conditions.

Key words:Cooling Towers, Enthalpy Difference Method, Numerical Calculation, Energy Saving

[作者簡介]

DOI:10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.02.008

基金項目：本課題研究得到上海市科委科研計劃項目經費資助（項目編號：13dz1201700）