冷却塔模拟计算方法1.docx

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冷却塔模拟计算方法1

冷却塔模拟计算方法论

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论文作者：

熊志平

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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。

关键词：

冷却塔选型模拟计算冷却塔

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=200M³/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=179M³/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=200M³/h，可以满足设计条件。

5、结果

LRCM-H-200S名义处理水量200M³/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：

28.17m³/s

塔体风阻力：

90Pa

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：

≤11.25m²

易得，

冷却塔水负荷（L/Al）：

29.36m³/m²·h

冷却塔填料特性值（Ka）：

15306

冷却塔出风口风速（v0）：

8.98m/s

冷却塔出风口动压（Pv）：

18.3Pa

A轴百叶面通风风速：

2.81m/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1.89m/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）

=30.937Kcal/kg

（注：

如果按38℃排风温度，出塔热空气的焓应为35.848Kcal/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。