CN104361148A - 一种横流式冷却塔的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及横流式冷却塔的设计方法，包括步骤一：修正刘易斯关系式；步骤二：修正冷却塔的特性数；步骤三：计算区域空间网格化，根据步骤一、步骤二以及迭代计算获得最后网格的出水温度、出风状态参数；步骤四：利用公式和步骤三的计算结果，迭代计算获得出塔空气含湿量；步骤五：根据回流率公式和步骤三的计算结果，迭代计算获得出塔空气焓值；步骤六、利用步骤一至步骤五获得考虑刘易斯数和填料系数的横流式冷却塔的修正出水温度和修正进出塔空气状态参数。本设计方法充分考虑刘易斯数、填料系数修正和回流，计算精度很高，计算结果与实测结果相吻合，解决了以焓值为中间量而无法求解出进出塔温湿度的技术问题。

Description

一种横流式冷却塔的设计方法

技术领域

本发明涉及一种考虑刘易斯数及填料系数偏差修正的横流式冷却塔的设计方法。

背景技术

冷却塔是空调系统中一个重要的设备，其运行性能的好坏将对冷凝器的换热有直接影响，从而对整个空调系统的运行效率产生影响。

对于机械通风冷却塔，传统设计方法存在很大的局限性，传统设计方法的计算结果与实测结果偏差很大。比如计算时都是以焓值作为计算中间变量，因此无法精确求解冷却塔出风温度和湿度，通常都是假设出塔空气相对湿度为95％～100％，这就人为的造成了误差。

由于出塔空气相对湿度在偏离设计工况条件下，是不可能确保其相对湿度维持在95％～100％，比如风量越大、进塔空气流量越大都会导致出风相对湿度的减少，而这些都是分析冷却塔出风对周围热环境影响的关键；还有计算时常常用到刘易斯关系式，而此关系式是在等焓加湿条件下推导出来的，对冷却塔的计算设计并不一定适用此关系式；塔运行一段时间后，由于填料损坏和布水不均，引起填料系统偏离设计值；偏离后，塔的冷却效果变差，冷却能力降低，要保证相同散热量时，只能加大风量和水流量，从而增加了塔的能耗。

发明内容

本发明的目的，就是克服现有技术的不足，提供一种考虑刘易斯数及填料系数偏差修正的横流式冷却塔的设计方法，从而获得计算精度很高，计算结果与实测结果相吻合的节能横流式冷却塔。

为了达到上述目的，采用如下技术方案：

一种横流式冷却塔的设计方法，包括以下步骤：

步骤一、令刘易斯数L_e为1，修正刘易斯关系式，即式中L_e为刘易斯数；σ为以含湿量计算的湿交换系数，单位为kg/(m²·s)；α为显热换热系数，单位为kW/(m²·℃)；c_p为空气的定压比热容，单位为kJ/(kg·℃)；

步骤二、使用修正系数k₂修正冷却塔的特性数N，即N＝k₂Aλ^m，式中A为填料特性相关系数；m为填料特性相关系数；λ为气水比；

步骤三、按照空气流向和水流向将计算区域空间网格化，根据修正的刘易斯关系式和修正的冷却塔的特性数、以及迭代计算获得水流向第一网格的出水温度，空气流向第一网格的出风状态参数；将水流向第一网格的出水温度作为水流向第二网格的进水温度，空气流向第一网格的出风状态参数作为空气流向第二网格的进风干球温度和进风含湿量，计算出水流向第二网格的出水温度和空气流向第二网格的出风状态参数，如此类推，最后获得水流向第M网格的出水温度、空气流向第N网格的出风状态参数，水流向第M网格和水流向第M-1网格为相邻网格，空气流向第N网格和空气流向第N-1网格为相邻网格，所述N、M均为不包括零的自然数；通过加权平均计算获得横流式冷却塔的出水温度、出风状态参数；

步骤四、根据进出塔空气状态点和大气状态点在焓湿图上的同一条直线关系和步骤三获得的出水温度、出风状态参数，利用公式迭代计算获得横流式冷却塔的出塔空气含湿量，其中h_ai为进塔空气焓值，单位为kJ/kg；h_aa为大气焓值，单位为kJ/kg；h_ao为出塔空气焓值，单位为kJ/kg；d_ai为进塔空气含湿量，单位为kg/kg_干空气；d_aa为大气含湿量，单位为kg/kg_干空气；d_ao为出塔空气含湿量，单位为kg/kg_干空气；

步骤五、根据回流率公式和步骤三获得的出水温度、出风状态参数，迭代计算获得横流式冷却塔的出塔空气焓值，其中r_e为回流率；h_ai为进塔空气焓值，单位为kJ/kg；h_aa为大气焓值，单位为kJ/kg；h_ao为出塔空气焓值，单位为kJ/kg；

步骤六、根据上述五个步骤，获得考虑刘易斯数和填料系数的横流式冷却塔的修正出水温度和修正进出塔空气状态参数。

进一步地，所述修正进出塔空气状态参数包括修正空气干球温度和修正空气相对湿度。

进一步地，所述出风状态参数包括出风干球温度和出风含湿量。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)本设计方法充分考虑刘易斯数、填料系数修正和回流，计算精度很高，计算结果与实测结果相吻合；

2)本设计方法利用空气混合规律求解出进出塔空气温湿度，解决了以焓值为中间量而无法求解出进出塔温湿度的难题；

3)本设计解决了填料系统偏离的问题，节约了能耗。

附图说明

图1是横流式冷却塔计算工作原理图；

图2是本设计方法中横流式冷却塔的计算方法步骤流程图；

图3是本设计方法中横流式冷却塔的计算验证步骤流程图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施方法来详细说明本发明，在本发明的示意性实施及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

图1是本设计方法中横流式冷却塔计算原理。图1中，冷却水进水流量Q，冷却水出水流量Q-Q_u(Q_u为冷却水蒸发水量)，进水温度t₁，出水温度t₂，进塔空气流量G，进塔空气干球温度θ₁，出塔空气干球温度θ₂，进气湿球温度τ₁，出塔空气湿球温度τ₂，ψ₁进塔空气相对湿度，ψ₂出塔空气相对湿度。逆流塔中水与空气的运动可视为一维流动处理，即水、气均匀分布在水平断面上，水从上向下流动，空气则下往上流动。

本发明的技术方案通过如下6个步骤实现：

步骤一、刘易斯关系式是在绝热加湿的条件下推导出来的，冷却塔中水和空气的热质交换过程不一定适用此式。定义L_e为刘易斯数，对刘易斯关系式进行修正。当L_e＝1时，即为空气绝热加湿过程的热质关系为：

$L_e=\frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\σc}}_p}=1$   (公式1)

式中σ为以含湿量计算的湿交换系数，单位kg/(m²·s)；α为显热换热系数，单位kW/(m²·℃)；c_p为空气的定压比热容，单位kJ/(kg·℃)；L_e为刘易斯数。

步骤二、冷却塔的特性数N表示一定淋水填料及塔型下冷却塔所具有的冷却能力，其与淋水填料的特性，构造几何尺寸，冷却水量有关。冷却塔实际运行中特性数值可能偏离标准工况值，为了说明实际值与标准工况值的偏离程度，用修正系数k₂表示。k₂实际是对冷却塔特性数的修正，由于冷却塔填料老化、填料表面结垢、填料风化脱离等原因造成冷却塔冷却数下降，就是说单位体积的填料的冷却能力下降，因此需要对其进行修正。k₂的取值为(0，1]。因此N可以表示为(其中，k₂＝1代表标准工况下特性数)

N＝k₂Aλ^m  (公式2)

式中A和m均为填料特性相关系数，是冷却塔特性数与冷却塔气水比关联实验数据的拟合常数，不同塔其系数不同，相同塔，拟合精度不同也不相同，根据厂家设计的冷却塔而提供具体的值；λ为气水比。

步骤三、按照空气流向和水流向将计算区域空间网格化，如图1所示。根据修正的刘易斯关系式和修正的冷却塔的特性数、以及迭代计算获得水流向第一网格I₁的出水温度，空气流向第一网格I₁的出风状态参数；将水流向第一网格I₁的出水温度作为水流向第二网格II₁的进水温度，空气流向第一网格I₁的出风状态参数作为空气流向第二网格I₂的进风干球温度和进风含湿量，计算出水流向第二网格II₁的出水温度和空气流向第二网格I₂的出风状态参数，如此类推，最后获得水流向第M网格的出水温度、空气流向第N网格的出风状态参数。其中，水流向第M网格和水流向第M-1网格为相邻网格，空气流向第N网格和空气流向第N-1网格为相邻网格，所述N、M均为不包括零的自然数。接着，将所有网格的出水温度、出风状态参数通过加权平均计算获得横流式冷却塔的出水温度、出风状态参数。

步骤四、根据混合规律，进出塔空气状态点和大气状态点在焓湿图上表示必须在同一条直线上，因此可得：

$\frac{h_{\mathrm{ai}}-h_{\mathrm{aa}}}{d_{\mathrm{ai}}-d_{\mathrm{ao}}}=\frac{h_{\mathrm{ao}}-h_{\mathrm{aa}}}{d_{\mathrm{ao}}-d_{\mathrm{aa}}}$   (公式3)

式中h_ai为进塔空气焓值，单位kJ/kg；h_aa为大气焓值，单位kJ/kg；h_ao为出塔空气焓值，单位kJ/kg。d_ai为进塔空气含湿量，单位kg/kg_干空气；d_aa为大气含湿量，单位kg/kg_干空气；d_ao为出塔空气含湿量，单位kg/kg_干空气。公式3和步骤三获得的出水温度、出风状态参数，迭代计算获得横流式冷却塔的出塔空气含湿量。

步骤五、由于冷却塔实际运行中存在热回流，即进入冷却塔的空气中混入一部分本塔排出的湿空气；回流率可以表示

$r_e=\frac{h_{\mathrm{ai}}-h_{\mathrm{aa}}}{h_{\mathrm{ao}}-h_{\mathrm{aa}}}$   (公式4)

式中r_e为回流率，单位％；h_ai为进塔空气焓值，单位kJ/kg；h_aa为大气焓值，单位kJ/kg；h_ao为出塔空气焓值，单位kJ/kg。根据公式4和步骤三获得的出水温度、出风状态参数，迭代计算获得横流式冷却塔的出塔空气焓值。

步骤六、根据上述五个步骤，获得考虑刘易斯数和填料系数的横流式冷却塔的修正出水温度和修正进出塔空气状态参数。所述修正进出塔空气状态参数包括修正空气干球温度和修正空气相对湿度。

优选地，本实施例的出风状态参数包括出风干球温度和出风含湿量。

横流塔设计方法及验证：

如图2所示，输入大气参数，刘易斯数L_e，修正系数k₂，填料特性相关系数A，填料特性相关系数m，回流率和进水温度。假设进塔空气焓值，干球温度以及出水温度，通过公式1、公式2和来迭代出水流向第一网格I₁的出水温度，空气流向第一网格I₁的出风状态参数，将水流向第一网格I₁的出水温度作为水流向第二网格II₁的进水温度，空气流向第一网格I₁的出风状态参数作为空气流向第二网格I₂的进风干球温度和进风含湿量，计算出水流向第二网格II₁的出水温度和空气流向第二网格I₂的出风状态参数；如此类推，最后迭代获得最后水流向第M网格的出水温度、空气流向第N网格的出风状态参数。通过公式3迭代出出塔空气含湿量，通过公式4迭代出出塔空气焓值，最终求解出考虑刘易斯数和填料系数的横流式冷却塔的修正。

验证结果：

通过对横流式冷却塔进行现场性能测试得到大气参数，回流率，进水温度带入设计程序中计算出理论出水温度，与实测出水温度进行对比，如图3所示。由图可知，理论计算的出水温度与实测出水温度的相对误差不超过3.5％，这说明本设计方法能够准确地反映冷却塔热质过程，也验证设计方法可靠性。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种横流式冷却塔的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、令刘易斯数L_e为1，修正刘易斯关系式，即式中L_e为刘易斯数；σ为以含湿量计算的湿交换系数，单位为kg/(m²·s)；α为显热换热系数，单位为kW/(m²·℃)；c_p为空气的定压比热容，单位为kJ/(kg·℃)；

步骤二、使用修正系数k₂修正冷却塔的特性数N，即N＝k₂Aλ^m，式中A为填料特性相关系数；m为填料特性相关系数；λ为气水比；

步骤三、按照空气流向和水流向将计算区域空间网格化，根据修正的刘易斯关系式和修正的冷却塔的特性数、以及迭代计算获得水流向第一网格的出水温度，空气流向第一网格的出风状态参数；将水流向第一网格的出水温度作为水流向第二网格的进水温度，空气流向第一网格的出风状态参数作为空气流向第二网格的进风干球温度和进风含湿量，计算出水流向第二网格的出水温度和空气流向第二网格的出风状态参数，如此类推，最后获得水流向第M网格的出水温度、空气流向第N网格的出风状态参数，水流向第M网格和水流向第M-1网格为相邻网格，空气流向第N网格和空气流向第N-1网格为相邻网格，所述N、M均为不包括零的自然数；通过加权平均计算获得横流式冷却塔的出水温度、出风状态参数；

步骤四、根据进出塔空气状态点和大气状态点在焓湿图上的同一条直线关系和步骤三获得的出水温度、出风状态参数，利用公式迭代计算获得横流式冷却塔的出塔空气含湿量，其中h_ai为进塔空气焓值，单位为kJ/kg；h_aa为大气焓值，单位为kJ/kg；h_ao为出塔空气焓值，单位为kJ/kg；d_ai为进塔空气含湿量，单位为kg/kg_干空气；d_aa为大气含湿量，单位为kg/kg_干空气；d_ao为出塔空气含湿量，单位为kg/kg_干空气；

步骤五、根据回流率公式和步骤三获得的出水温度、出风状态参数，迭代计算获得横流式冷却塔的出塔空气焓值，其中r_e为回流率；h_ai为进塔空气焓值，单位为kJ/kg；h_aa为大气焓值，单位为kJ/kg；h_ao为出塔空气焓值，单位为kJ/kg；

步骤六、根据上述五个步骤，获得考虑刘易斯数和填料系数的横流式冷却塔的修正出水温度和修正进出塔空气状态参数。

2.根据权利要求1所述的横流式冷却塔的设计方法，其特征在于：所述修正进出塔空气状态参数包括修正空气干球温度和修正空气相对湿度。

3.根据权利要求1或2所述的横流式冷却塔的设计方法，其特征在于：所述出风状态参数包括出风干球温度和出风含湿量。