CN110186291B - 一种混流型闭式冷却塔校核计算方法 - Google Patents

一种混流型闭式冷却塔校核计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种混流型闭式冷却塔校核计算方法，根据环境气象条件、冷却要求，选择换热管规格，盘管结构根据生产数据设置包括横向管心距、纵向管心距，每流程管层数，换热管倾斜设计等，填料结构形式、尺寸，设计风机风量、喷淋水量，根据能量守恒、传热学基本公式及换热管传热、传质经验公式进行热力分析，考虑湿区传质过程，计算盘管传热系数、传质系数，得到闭式冷却塔冷却流体出口温度、喷淋水平均温度及出塔空气温度、含湿量，喷淋水蒸发量、补水量等参数。本发明采用迭代计算思想，提高了设计过程准确性和规范性，既可以验证混流型闭式塔设计的合理性，也可以指导分析混流闭式塔冷却能力不达标等运行问题产生的原因。

Description

一种混流型闭式冷却塔校核计算方法
技术领域
本发明设计方法适用于混流型闭式冷却塔的校核计算，属于冷却塔设计领域。特别适用于一种上盘管下填料布置的闭式冷却塔，盘管区顶部进风，填料区侧面进风。
背景技术
混流型闭式冷却塔具有良好的冷却效果，节约盘管使用量，节约制造成本，具有广阔的市场前景。但国内的混流型闭式塔校核计算方法尚不成熟，造成混流型冷却塔设计不合理，造成冷却效果不达标或耗材量大成本高，造成资源浪费。
在混流型闭式冷却塔中换热盘管、填料是它的核心部件，其尺寸的确定涉及到复杂的计算，计算不准确将无法准确的校核冷却塔，无法保证冷却塔的性能。
混流型冷却塔校核计算可以与设计计算可以配合使用，互相验证，使设计更加合理，也可以验证现有塔型是否能够满足冷却的要求，对于出现问题的冷却塔，可以通过计算分析查找原因。
发明内容
为解决上述问题，本发明对由换热管、填料等组成的混流型闭式冷却塔校核计算方法进行优化，利用能量守恒、传热学基本公式及换热管传热传质经验公式，对混流型闭式冷却塔进行风量分配、热负荷分配、热力分析、阻力分析、计算介质出口温度、喷淋水平均温度、出塔空气参数、喷淋水蒸发量、补水量等值，指导混流型闭式冷却塔的校核计算。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的设计方案来实现：一种混流型闭式冷却塔校核计算方法，包括如下步骤：
S1：确定环境气象条件：环境气象条件：环境大气压Pa(kPa)、环境空气干球温度θ(℃)、环境空气湿球温度τ(℃)，根据热力学计算公式，计算相对湿度
Figure GDA0002480739240000021
进塔空气含湿量xi，干球温度对应饱和蒸汽分压pθ，湿球温度对应饱和蒸汽分压pτ，进塔湿空气密度ρi,进塔空气焓值hi。
S2：确定冷却任务：单塔冷却循环水量Q(m3/h)、循环水进塔水温T1，出塔水温T2。
S3：输入盘管规格，确定盘管结构。确定椭圆盘管外径do、壁厚δ，单排管长L’，每流程管层数P’，当量直径dis，每流程管根数G’，管程数N，每排管根数G，管排数P，每列管心距S1，每排管心距S2。
S4：输入填料型号，尺寸长度Lt、高度Ht、深度Bt；热力特性参数、阻力特性参数。
S5：输入总风量Va，喷淋水量Vw。
S6：设定盘管区配风量Va1，并根据总风量计算填料区配风量Va2。
S7：计算盘管区阻力ΔP1；包括进风口阻力、气流转弯阻力、配水阻力、盘管阻力、收水器阻力、风筒阻力。
S8：计算填料区阻力ΔP2；包括进风口阻力、百叶窗阻力、配水阻力、填料阻力、收水器阻力、风筒阻力。
S9：判断盘管区阻力ΔP1和填料区阻力ΔP2是否相等；如果是进行下一步，否则返回S6。
S10：设定热负荷在盘管区和填料区冷却的分配比例：首先根据冷却任务计算总的热负荷Qk，根据填料区分配比例X，确定盘管区和填料区各自的热负荷。
S11：设定平均喷淋水温Tw。
S12：计算传热系数q，传热面积F。分别计算管外表面与喷淋水的换热系数ao，管内冷却水与壁面的对流换热系数ai，管壁导热热阻Rp，盘管内壁污垢热阻Ri，盘管外壁污垢热阻Ro，计算盘管总换热系数
Figure GDA0002480739240000031
其中di、do分别为管内径、管外径，dm为管平均直径。
S13：计算传质系数km。根据喷淋水与空气之间的对流换热系数a’，得出传质系数km。
S14：计算湿区冷却面积。根据水膜和喷淋面积，得到湿区冷却面积。
S15：计算水膜面积冷却数Mw和传热单元数NTU。根据盘管换热系数和传质系数计算水膜面积冷却数和传热单元数。
S16：计算喷淋水温Tw’。根据盘管结构、配风量及喷淋水量可计算得喷淋水温Tw’。
S17：比较校核喷淋水温与设定的平均喷淋水温Tw是否相等。若两者相平衡，则可继续下一步；若不相等，则需返回S11重新设定平均喷淋水温Tw。
S18：计算介质出口温度T2’。当低于出塔水温T2时，进行下一步，否则返回S10减小热负荷在盘管区的分配比例，直至介质出口温度小于等于设计的出塔水温。
S19：计算填料区喷淋水进水温度Tw1’、出水温度Tw2’。
S20：计算冷却特性数Ω和冷却任务数N。判断冷却特性数是否大于冷却任务数。
S21：计算管内流速，判断管内流速是否在0.5-1.5m/s之间，如果是则继续下一步，如果否则返回S3重新输入盘管规格；
S22：输出设计结果。
本发明的有益效果：本发明的一种混流型闭式冷却塔校核计算方法，该校核计算合理分配盘管填料区风量、减小喷淋水量，提高水的循环利用率，降低工业用水量。应用本设计方法在混流型闭式塔设计时既包括传热分析，也包含了传质分析、阻力分析，为现有非常规闭式塔的生产提供成熟的闭式塔校核计算理论，提高换热效率，降低生产成本，节约运行费用，使闭式塔更加节能高效。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一种混流型闭式冷却塔校核计算方法的流程示意图；
具体实施方式
S1：确定环境气象条件：环境气象条件：环境大气压Pa(kPa)、环境空气干球温度θ(℃)、环境空气湿球温度τ(℃)，根据热力学计算公式，计算相对湿度
Figure GDA0002480739240000041
进塔空气含湿量xi，干球温度对应饱和蒸汽分压pθ，湿球温度对应饱和蒸汽分压pτ，进塔湿空气密度ρi,进塔空气焓值hi。
S2：确定冷却任务：单塔冷却循环水量Q(m3/h)、循环水进塔水温T1，出塔水温T2。
S3：输入盘管规格，确定盘管结构。确定椭圆盘管外径do、壁厚δ，单排管长L’，每流程管层数P’，当量直径dis，每流程管根数G’，管程数N，每排管根数G，管排数P，每列管心距S1，每排管心距S2。
S4：输入填料型号，尺寸长度Lt、高度Ht、深度Bt；热力特性参数、阻力特性参数。
S5：输入总风量Va，喷淋水量Vw。
S6：设定盘管区配风量Va1，并根据总风量计算填料区配风量Va2。
S7：计算盘管区阻力ΔP1；包括进风口阻力、气流转弯阻力、配水阻力、盘管阻力、收水器阻力、风筒阻力。
S8：计算填料区阻力ΔP2；包括进风口阻力、百叶窗阻力、配水阻力、填料阻力、收水器阻力、风筒阻力。
S9：判断盘管区阻力ΔP1和填料区阻力ΔP2是否相等；如果是进行下一步，否则返回S6。
S10：设定热负荷在盘管区和填料区冷却的分配比例：首先根据冷却任务计算总的热负荷Qk，根据填料区分配比例X，确定盘管区和填料区各自的热负荷。
S11：设定平均喷淋水温Tw。
S12：计算传热系数q，传热面积F。分别计算管外表面与喷淋水的换热系数ao，管内冷却水与壁面的对流换热系数ai，管壁导热热阻Rp，盘管内壁污垢热阻Ri，盘管外壁污垢热阻Ro，计算盘管总换热系数
Figure GDA0002480739240000051
其中di、do分别为管内径、管外径，dm为管平均直径。
S13：计算传质系数km。根据喷淋水与空气之间的对流换热系数a’，得出传质系数km。
S14：计算湿区冷却面积。根据水膜和喷淋面积，得到湿区冷却面积。
S15：计算水膜面积冷却数Mw和传热单元数NTU。根据盘管换热系数和传质系数计算水膜面积冷却数和传热单元数。
S16：计算喷淋水温Tw’。根据盘管结构、配风量及喷淋水量可计算得喷淋水温Tw’。
S17：比较校核喷淋水温与设定的平均喷淋水温Tw是否相等。若两者相平衡，则可继续下一步；若不相等，则需返回S8重新设定平均喷淋水温。
S18：计算介质出口温度T2’。当低于出塔水温T2时，进行下一步，否则返回S10减小热负荷在盘管区的分配比例，直至介质出口温度小于等于设计的出塔水温。
S19：计算填料区喷淋水进水温度Tw1’、出水温度Tw2’。
S20：计算冷却特性数Ω和冷却任务数N。判断冷却特性数是否大于冷却任务数。
S21：计算管内流速，判断管内流速是否在0.5-1.5m/s之间，如果是则继续下一步，如果否则返回S3重新输入盘管规格；
S22：输出设计结果。
实施例1.环境气象条件：干球温度θ31.5℃，湿球温度τ28℃，大气压力：99.4kPa。
确定冷却任务：单塔冷却水量Q100m3/h，进口水温T1为40℃，出口水温T2为35℃。
输入盘管结构尺寸，选用不锈钢材质，换热管规格：管径16mm壁厚0.8mm，每排管心距为0.032m，纵向管心距0.07m，盘管长度3.2m，每程4层管，管程数4程，每层39/40根管。管内流速1.07m/s,在合理范围内。
输入填料类型为梯形斜波，尺寸长度3.2m，高度1.8m，深度1.3m，
设计总风量89000m3/h。喷淋水流量72m3/h。
设定盘管区配风量37000m3/h，迎面风速2.5m/s，在1.4-4m/s之间，设计合理。
计算盘管区阻力和填料阻力均为109Pa，如果两值不等，需要调整盘管区配风量，直到两值相等，阻力平衡。
计算总热散热负荷577KW，分配热负荷，假设填料区占比50％，约288.5KW，盘管区占比50％，约288.5KW。
设定平均喷淋水温34.38℃
计算的换热系数
Figure GDA0002480739240000071
为1276W/(m2·℃)，则最小传热面积94㎡，计算盘管管程数n3.7，取4程，实际传热面积101.7㎡。计算塔长L3.4m，塔宽B2.56m，盘管高度Hg1.12m。
计算喷淋水向空气的传质系数0.23kg/(m2·s·Δd)，根据盘管结构及喷淋水量等参数估算湿区冷却面积131m2，用于计算水膜面积冷却数Mw为4.64以及传热单元数NTU为2.25。
然后由以上值计算喷淋水平均温度为34.38℃，与初设喷淋水温相同，计算出塔水温34.97℃，低于设计出塔水温35℃，如果大于35℃需要调整热负荷的分配比例，降低盘管区负荷占比。
计算填料区进出水温度得进水温度32.64℃，出水温度36.11℃。
根据填料特性方程计算得冷却任务数N为0.55，冷却特性数Ω为0.6，满足设计要求。说明设计能够满足冷却要求，设计合理。
计算结束，输出设计结果。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种混流型闭式冷却塔校核计算方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：确定环境气象条件：环境气象条件：环境大气压Pa(kPa)、环境空气干球温度θ(℃)、环境空气湿球温度τ(℃)，根据热力学计算公式，计算相对湿度
Figure FDA0002526766770000011
进塔空气含湿量xi，干球温度对应饱和蒸汽分压pθ，湿球温度对应饱和蒸汽分压pτ，进塔湿空气密度ρi，进塔空气焓值hi；
S2：确定冷却任务：单塔冷却循环水量Q(m3/h)、循环水进塔水温T1，出塔水温T2；
S3：输入盘管规格，确定盘管结构， 确定椭圆盘管外径do、壁厚δ，单排管长L’，每流程管层数P’，当量直径dis，每流程管根数G’，管程数N，每排管根数G，管排数P，每列管心距S1，每排管心距S2；
S4：输入填料型号，尺寸长度Lt、高度Ht、深度Bt；热力特性参数、阻力特性参数；
S5：输入总风量Va，喷淋水量Vw；
S6：设定盘管区配风量Va1，并根据总风量计算填料区配风量Va2；
S7：计算盘管区阻力ΔP1；包括进风口阻力、气流转弯阻力、配水阻力、盘管阻力、收水器阻力、风筒阻力；
S8：计算填料区阻力ΔP2；包括进风口阻力、百叶窗阻力、配水阻力、填料阻力、收水器阻力、风筒阻力；
S9：判断盘管区阻力ΔP1和填料区阻力ΔP2是否相等；如果是进行下一步，否则返回S6；
S10：设定热负荷在盘管区和填料区的分配比例：首先根据冷却任务计算总的热负荷Qk，根据填料区分配比例X，确定盘管区和填料区各自的热负荷；
S11：设定平均喷淋水温Tw；
S12：计算传热系数q，传热面积F，分别计算管外表面与喷淋水的换热系数ao，管内冷却水与壁面的对流换热系数ai，管壁导热热阻Rp，盘管内壁污垢热阻Ri，盘管外壁污垢热阻Ro，计算盘管总换热系数
Figure FDA0002526766770000021
其中di、do分别为管内径、管外径，dm为管平均直径；
S13：计算传质系数km，根据喷淋水与空气之间的对流换热系数a’，得出传质系数km；
S14：计算湿区冷却面积，根据水膜和喷淋面积，得到湿区冷却面积；
S15：计算水膜面积冷却数Mw和传热单元数NTU，根据盘管换热系数和传质系数计算水膜面积冷却数和传热单元数；
S16：计算喷淋水温Tw’，根据盘管结构、配风量及喷淋水量可计算得喷淋水温Tw’；
S17：比较校核喷淋水温与设定的平均喷淋水温Tw是否相等，若两者相平衡，则可继续下一步；若不相等，则需返回S11重新设定平均喷淋水温Tw；
S18：计算介质出口温度T2’，当低于出塔水温T2时，进行下一步，否则返回S10减小热负荷在盘管区的分配比例，直至介质出口温度小于设计的出塔水温；
S19：计算填料区喷淋水进水温度Tw1’、出水温度Tw2’；
S20：计算冷却特性数Ω和冷却任务数N，判断冷却特性数是否大于冷却任务数；
S21：计算管内流速，判断管内流速是否在0.5-1.5m/s之间，如果是则继续下一步，否则返回S3重新输入盘管规格；
S22：输出设计结果。
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