基于焓差法的机械通风逆流式冷却塔出塔水温研究

唐永东　顾　威　李晓平　上海宝钢节能环保技术有限公司



基于焓差法的机械通风逆流式冷却塔出塔水温研究

唐永东顾威李晓平上海宝钢节能环保技术有限公司

摘要：针对循环冷却水系统中冷却塔运行效率不高、能量浪费严重的问题，基于Merkel焓差理论建立了机械通风逆流式冷却塔出塔水温计算模型，计算分析了影响冷却塔出塔水温的各种因素及其影响规律。结果表明：大气压力对冷却塔出塔水温的影响很小，干球温度、湿球温度、风机风量以及冷却水量与出塔水温均成正相关关系，而气水比增加，出塔水温将降低，这些结论可为冷却塔随工况变化调整运行方式提供依据。

关键词：冷却塔；焓差法；数值计算；节能

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

唐永东：（1975-），男，硕士研究生，工程师，长期从事流体系统技术和节能项目管理工作。

在工业生产过程中，许多环节会产生大量的废热，为保障设备的正常运转，将这些废热消除，因此循环冷却水系统犹如生产过程的生命线。为了实现冷却水的循环再利用，吸收热量的冷却水必须通过冷却塔降温到工艺要求的温度才能循环使用。为了实现冷却塔组能够随着工况变化而及时调整运行方式，就需要建立起冷却塔出塔水温的数学模型，并研究出塔水温的影响因素及其规律，从而为冷却塔运行方式的调整提供依据。

1　Merkel焓差法基本原理

冷却水经过需要冷却的设备后温度升高，进入冷却塔后与经风机吸入的空气进行接触，在接触过程中包括质量传递和热量传递两部分，Merkel[2]通过引入刘易斯数（Lewis Number）将传质和传热统一为焓变，由此建立了Merkel焓差方程，然后由该方程再结合水气热平衡方程得到了冷却塔的基本方程：

式中 ，c——冷却水的比热，kJ/(kg·K)；

t1、t2——分别为冷却塔的进塔水温和出塔水温，K；

i"——与水温所对应的饱和空气焓，kJ/kg；

i——空气的比焓，kJ/kg；

dt——经过填料微段的冷却水温差；

βxv——容积传质系数，kg/(m³·s)；

V——塔内填料的体积，m³；

L——进塔的冷却水流量，kg/s 。

由于水的蒸发带走的热量要比水和空气接触所传递的热量小的多，因此常将蒸发对热量的影响用系数 来代替，其经验表达式为：

式（1）是在Merkel焓差方程的基础上得到的进行冷却塔热力计算的基本方程。该式左边为按温度积分的表现冷却能力的参数，简称为冷却数，用N表示，它的值与外界气象条件有关，而与冷却塔本身的构造和类型无关。从形式上看，冷却数就是焓差的倒数求积分，积分上限为进塔水温，积分下限为出塔水温，但是由于该焓差与温度的关系非常复杂，所以一般均采用近似的积分方法，一般采用Simpson近似积分法：

i1、im、i2——分别为与进塔空气、平均状态空气和出塔空气的焓，kJ/kg；

Δt ——水在塔内的温降，℃。

其中，λ——空气质量流量与冷却水质量流量的比值，简称气水比。

上述各式中空气焓值的计算公式为：

式中，t——空气的温度，℃；

φ——空气的相对湿度；

pa——大气压力，kPa。

当空气为饱和空气时，相对湿度φ=1，此时空气的焓称为饱和空气焓，用''i表示，其计算式为：

式（6）、式（7）中饱和蒸汽分压力可通过下式进行计算：

式（1）的右边被称为冷却塔的特性数，用N'表示，反映了冷却塔所具有的冷却能力，与淋水填料的构造、性能以及水、气流动有关，一般经测试后由生产厂家或专门的研究机构给出其散热特性的表达式：

式中A、n为常数系数，填料不同其取值也各不相同。

2　冷却塔出塔水温模型的求解及验证

将式（3）和式（9）分别代入式（1）可得到：

式（10）是关于冷却塔出塔水温t2的非线性方程，通常采用迭代方法进行求解，先给定t2一个初值，然后代入式（3）和式（9）分别计算，如果得到的N和N'满足，则求得的t2即为冷却塔的出塔水温，否则将新值代入，继续分别计算N 和N'，直到满足

文献[3]中给出了一个实际运行的冷却塔，该冷却塔的平面尺寸为17 m×17 m，风机型号为L92D，风机直径为9.14 m，经西安热工院测试，风机实际风量为2.291×106 m³/h，冷却水流量为4300 m³/h，冷却水进塔水温为43℃，湿球温度为28.2℃，大气压力为1.013×105Pa，冷却塔所用填料为PVC双斜波填料，高度为1.5 m，热力热性为，出塔水温为33℃。

3　冷却塔出塔水温影响因素分析

循环冷却水回水进入冷却塔后，其所吸收的废热在塔内经过水—气接触换热，由大气带入空气中，因此气象条件对冷却塔的冷却效果有很大影响。为了降低冷却塔的运行能耗，有必要根据冷却水的热负荷和冷却塔的冷却能力进行实时调节。为此，基于焓差法模型数值计算，对几个基本的大气环境因素对出塔水温的影响进行研究，为冷却塔的实时调节提供支撑。

3.1大气压力的影响

将上述冷却塔的设计参数和外界环境参数输入，分析出塔水温随大气压力的变化规律，结果见图1。

由图1可看出，大气压力增加会导致出塔水温的增加，但增加很小，大气压力增加5%，出塔水温约增加0.6%，说明大气压力对出塔水温的影响非常微小，可以忽略不计。

3.2干球温度的影响

以类似的方式分析了出塔水温随干球温度的变化规律，结果见图2。

图1　大气压力变化对出塔水温的影响

图2　干球温度变化对出塔水温的影响

图3　相对湿度变化对出塔水温的影响

由图2可看出，干球温度的增加会明显导致出塔水温的增加，增加幅度随干球温度的升高而越来越大。

3.3湿球温度的影响

以类似的方式分析了出塔水温随湿球温度的变化规律，结果见图3。

由图3可看出，湿球温度和出塔水温的几乎呈线性关系增加，说明湿球温度是影响出塔水温的重要因素，根据湿球温度调节冷却塔能取得良好的效果。

3.4进塔水温的影响

进塔水温与出塔水温的关系见图4所示，说明进塔水温和出塔水温近似呈线性关系，表明湿球温度是影响出塔水温的重要因素，根据湿球温度调节冷却塔能取得良好的效果。

3.5进塔水量的影响

进塔水量与出塔水温的关系见图5所示，说明进塔水量和出塔水温正相关，但当水量增加到一定程度时，出塔水温变化幅度越来越小。

3.6气水比的影响

气水比与出塔水温的关系见图6所示，说明气水比和出塔水温反相关，但气水比从0.8变化到1.5时（变化幅度为87%），出塔水温降幅仅为6%。

4　结论

通过采用焓差法对逆流式机械通风冷却塔对各种环境和运行参数对出塔水温的影响研究表明：大气压力对冷却塔出塔水温的影响很小，干球温度、湿球温度、风机风量以及冷却水量与出塔水温均成正相关关系，而气水比增加，出塔水温将降低，这些结论可为冷却塔随工况变化调整运行方式提供依据。

图4　进塔水温变化对出塔水温的影响

图5　进塔水量变化对出塔水温的影响

图6　气水比变化对出塔水温的影响

参考文献

[1] 金亚彪. 钢铁企业循环冷却水处理站总体设计[J].环境工程,2009,27：187-190, 254.

[2] 陈应新. 大型机械通风冷却塔电动风机的节能改造[J]. 工业水处理，2009，29(1): 77-79.

[3] 胡连江. 逆流机力通风冷却塔工艺性能的研究[D]. 天津大学博士学位论文，2008.

[4] 唐燕忠. 机械通风逆流冷却塔节能降耗设计实例[J]. 硫磷设计与粉体工程，2006，(1): 44-47 .

[5] 韩玲. 冷却塔设计参数与节水、节能的关系[J]. 工业用水与废水，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

[作者简介]

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

基金项目：本课题研究得到上海市科委科研计划项目经费资助（项目编号：13dz1201700）