考慮回流的橫流冷卻塔熱力學(xué)模型及運(yùn)行特性分析

馬建榮夏少丹蔡博達(dá)吳疆羅定鑫馮騰飛陳星龍劉金平劉雪峰羅文海

考慮回流的橫流冷卻塔熱力學(xué)模型及運(yùn)行特性分析

馬建榮1夏少丹1蔡博達(dá)1吳疆1羅定鑫1馮騰飛1陳星龍2劉金平2劉雪峰2羅文海2

冷卻塔是空調(diào)系統(tǒng)中一個(gè)重要的設(shè)備，其運(yùn)行性能的好壞將對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效率產(chǎn)生影響。冷卻塔的布置與安裝方式是影響冷卻塔性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。出于保持建筑的整體美觀等方面的考慮，許多建筑的冷卻塔被放在樓頂或者地面上的坑中[1]。受限空間下的冷卻塔由于側(cè)風(fēng)的影響容易產(chǎn)生回流。模擬計(jì)算中若不對(duì)回流的影響進(jìn)行修正，將影響冷卻塔計(jì)算的準(zhǔn)確性[2]。

Fisenko等[3]基于Merkel理論建立濕式冷卻塔性能計(jì)算數(shù)學(xué)模型，考慮濕熱空氣回流，對(duì)入口空氣焓值進(jìn)行了修正；李棱雪等[1]通過傳熱模擬軟件飄水對(duì)計(jì)算精度的影響，導(dǎo)致理論值與實(shí)測值相差較大。而針對(duì)回流和飄水對(duì)冷卻塔的影響進(jìn)行詳細(xì)探究的報(bào)道更加欠缺。

本文對(duì)橫流冷卻塔進(jìn)行模擬研究，求解出出水溫度，進(jìn)出塔空氣狀態(tài)。以廣州地鐵某站點(diǎn)橫流冷卻塔為測試對(duì)象來驗(yàn)證理論模型準(zhǔn)確可靠性。分析研究飄水和回流對(duì)冷卻塔的影響，為冷卻塔理論研究和優(yōu)化運(yùn)行提供參考。

1 模型建立

參照文獻(xiàn)[9]，如圖1，將高度y和徑深x所組成的平面劃分成n×M個(gè)小長方形單元。對(duì)于左邊層單元I1－M1，進(jìn)單元的空氣狀態(tài)為已知的G，θ1，τ1，φ1；對(duì)于上層單元I1－In，進(jìn)單元的水狀態(tài)為已知的Q，t1；模擬計(jì)算時(shí)，將前一單元出風(fēng)面的空氣參數(shù)和出水面的水參數(shù)作為下一單元進(jìn)風(fēng)面的空氣參數(shù)和進(jìn)水面的水參數(shù)，從左到右，由上到下，如圖中從I1→I2→I3···→In，然后從II1→II2→II3···→IIn，一直到M1→M2→M3···→Mn，最后求出各段出水溫度平均值以及出風(fēng)狀態(tài)參數(shù)的平均值。

圖1 差分法計(jì)算原理Fig.1 The calculation principle of difference method

冷卻塔實(shí)際運(yùn)行中特性數(shù)值可能偏離標(biāo)準(zhǔn)工況值，為了說明實(shí)際值與標(biāo)準(zhǔn)工況值的偏離程度，用修正系數(shù)k2表示，因此特性數(shù)N可以表示為:

式中:A為填料特性相關(guān)系數(shù)；m為填料特性相關(guān)系數(shù)；λ為氣水比。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，考慮水蒸發(fā)損失所對(duì)應(yīng)的系數(shù)k可以表示為:

式中:tw為冷卻水溫，℃。

冷卻塔實(shí)際運(yùn)行中存在熱回流，即進(jìn)入冷卻塔的空氣中混入一部分本塔排出的濕空氣；回流率可以表示:

式中:re為回流率，%；h1為進(jìn)塔空氣焓值，kJ/ kg；haa為大氣焓值，kJ/kg；h2為出塔空氣焓值，kJ/kg。

根據(jù)混合規(guī)律，進(jìn)出塔空氣狀態(tài)點(diǎn)和大氣狀態(tài)點(diǎn)在焓濕圖上表示必須在同一條直線上，因此可得:

式中:d1為進(jìn)塔空氣含濕量，kg/kg干空氣；daa為大氣含濕量，kg/kg干空氣；d2為出塔空氣含濕量，kg/ kg干空氣。

根據(jù)空氣和水接觸過程中熱平衡方程可得:

式中:t1為進(jìn)塔空氣干球溫度，℃；d1為進(jìn)塔空氣含濕量，kg/kg干空氣；t2為出塔空氣干球溫度，℃；d2為出塔空氣含濕量，kg/kg干空氣；ta為空氣干球溫度，℃；da為空氣含濕量，kg/kg干空氣；tw為冷卻水溫度，℃；dw為溫度為水溫tw時(shí)飽和空氣含濕量，kg/ kg干空氣；Le為劉易斯數(shù)，Le＝α/σcp。

根據(jù)冷卻數(shù)公式，每個(gè)單元的冷卻數(shù)可表示為:

式中:ha為空氣焓值，kJ/kg；hw為溫度為水溫tw時(shí)飽和空氣焓值，kJ/kg；cw為水的比熱容，kJ/(kg· ℃)。

由此可得，根據(jù)式(1)～(6)建立模型能夠求解出出水溫度，進(jìn)出塔空氣狀態(tài)。模擬程序框圖如圖2所示。

2 性能測試簡介

以廣州地鐵某站點(diǎn)一橫流冷卻塔作為測試對(duì)象，表1為冷卻塔的具體參數(shù)。

測試塔處于一受限空間內(nèi)，左側(cè)進(jìn)風(fēng)口距墻體2 m，出風(fēng)口低于墻體0.9 m，塔有兩個(gè)進(jìn)風(fēng)面，定義為A面和B面，具體位置如圖3所示。

圖2 橫流塔模擬計(jì)算框圖Fig.2 The calculation principle of difference method

表1 冷卻塔具體參數(shù)Tab.1 Specific parameters of cooling tower

圖3 冷卻塔安裝位置Fig.3 The install location of cooling tower

5月至8月期間選取7天典型工況進(jìn)行性能測試。冷卻塔兩進(jìn)風(fēng)側(cè)各布置16個(gè)測點(diǎn)，出風(fēng)側(cè)布置了8個(gè)測點(diǎn)，兩側(cè)塔底各布置4個(gè)測點(diǎn)。除了大氣參數(shù)，冷卻水流量，進(jìn)出風(fēng)速和冷卻塔噪音由人工記錄，其他參數(shù)由測試系統(tǒng)每隔2 s采集一次儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)里。

4 考慮飄水和回流的理論模型驗(yàn)證

根據(jù)所提供的冷卻塔技術(shù)參數(shù)A＝2.04，m＝0.77代入程序中，當(dāng)Le＝0.83和k2＝0.71時(shí)，理論計(jì)算的進(jìn)風(fēng)焓值與實(shí)測值相吻合，最大相對(duì)誤差只有3.1%，如圖5所示。

但理論計(jì)算所得到的進(jìn)風(fēng)溫度以及相對(duì)濕度與實(shí)測值相差較大，如圖6和圖7所示。進(jìn)風(fēng)溫度的相對(duì)誤差最大達(dá)到14.4%，而相對(duì)濕度更是達(dá)到26%。

將實(shí)測的進(jìn)出風(fēng)狀態(tài)參數(shù)以及環(huán)境大氣參數(shù)畫在焓濕圖上，存在四個(gè)工況里這3個(gè)狀態(tài)點(diǎn)并不在一條直線上的情況，這違背了混合規(guī)律，如圖8中大氣狀態(tài)點(diǎn)1，進(jìn)風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)2和出風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)3。從填料落到塔底的冷卻水存在從進(jìn)風(fēng)面飄出去的現(xiàn)象，這相當(dāng)于環(huán)境空氣和出塔空氣混合后再經(jīng)過一個(gè)等焓加濕過程進(jìn)入冷卻塔，從而導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)溫度降低而濕度增加，2點(diǎn)不在1點(diǎn)和3點(diǎn)連線上。

由于理論計(jì)算沒有考慮飄水情況，因此理論計(jì)算所得到的進(jìn)風(fēng)溫度以及相對(duì)濕度和實(shí)測值相差較大。在焓濕圖上過2點(diǎn)做等焓線交于1點(diǎn)和3點(diǎn)的連線上的點(diǎn)等同于不考慮飄水情況的進(jìn)風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，如圖8 中4點(diǎn)。從焓濕圖上可獲取到七個(gè)工況的不考慮飄水理想進(jìn)風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)4，并以此為基準(zhǔn)對(duì)比理論計(jì)算值可得，進(jìn)風(fēng)溫度的最大相對(duì)誤差為2.8%，而相對(duì)濕度的最大相對(duì)誤差為3.5%，如圖9和10所示。這進(jìn)一步驗(yàn)證了理論模型的可靠性。

5 飄水和回流對(duì)冷卻塔運(yùn)行特性影響

5.1 飄水的影響

根據(jù)實(shí)測冷卻塔進(jìn)出風(fēng)參數(shù)和大氣參數(shù)，通過將三個(gè)狀態(tài)點(diǎn)畫在同一焓濕圖上能夠看出某一工況下冷卻塔是否存在飄水。經(jīng)過比對(duì)得到七個(gè)工況中有四個(gè)工況存在飄水，在其他參數(shù)一定條件下分別將不考慮飄水的進(jìn)風(fēng)參數(shù)和實(shí)測進(jìn)風(fēng)參數(shù)代到程序中模擬計(jì)算出出風(fēng)溫濕度，如圖11所示。由圖可知，不考慮飄水的進(jìn)風(fēng)干球溫度比實(shí)測值要高，最大相差6%，如工況7月22日；而進(jìn)風(fēng)相對(duì)濕度要比實(shí)測值低，最大相差12%，如工況7月22日。由于飄水是等焓過程，因此在其他條件一定時(shí)其不會(huì)影響冷卻塔的冷卻能力。但是對(duì)于地鐵冷卻塔，由于安裝空間有限，很多時(shí)候安置在人群較多的地方，因此其排風(fēng)會(huì)影響到周圍的氣流組織，從而影響周邊人群的舒適度。

圖4 測試系統(tǒng)原理Fig.4 The principle of test system

圖5 理論計(jì)算與實(shí)測進(jìn)風(fēng)焓值對(duì)比Fig.5 The Inlet air enthalpy comparison of theory with experiment

圖6 理論計(jì)算與實(shí)測進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)比Fig.6 The Inlet air temperature comparison oftheory with experiment

圖7 不同工況理論計(jì)算與實(shí)測進(jìn)風(fēng)相對(duì)濕度對(duì)比Fig.7 The Inlet air relative humidity comparison of theory with experiment

圖8 空氣狀態(tài)點(diǎn)示意圖Fig.8 The sketch map of air state

圖9 不同工況理論計(jì)算與不考慮飄水的進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)比Fig.9 The Inlet air temperature comparison of theory with regardless of floating water

圖10 不同工況理論計(jì)算與不考慮飄水的進(jìn)風(fēng)相對(duì)濕度對(duì)比Fig.10 The Inlet air relative humidity comparison of theory with regardless of floating water

圖11 不同工況實(shí)測值與不考慮回流的出水溫度分布Fig.11 The outlet water temperature comparison of theory with regardless of floating water

以“舒適度指數(shù)”定義不同氣象條件下的人體感覺。舒適度指數(shù)I的計(jì)算公式為[10]:

式中:t為空氣溫度，℃；RH為空氣相對(duì)濕度；ua為風(fēng)速，m/s；A1為夏半年風(fēng)向修正系數(shù)，取0.1；S為日照小時(shí)數(shù)，廣州夏半年取10。

露采邊坡是露天礦開采過程中形成的一種特殊結(jié)構(gòu)體。露天開采邊坡通常光巖裸壁，坡度較陡，一般在45°左右，由于長期處于自然環(huán)境中容易風(fēng)化，邊坡巖面由于爆破作業(yè)產(chǎn)生大量的裂縫，給邊坡的穩(wěn)定性帶來一定的影響，直接影響采礦區(qū)的安全與生產(chǎn)。鑒于有色金屬露天礦山采坑邊坡高重金屬與強(qiáng)酸性的環(huán)境條件，采用生態(tài)長袋填充礦區(qū)酸性水治理過程中產(chǎn)生的底泥進(jìn)行邊坡生態(tài)恢復(fù)成功案例不多，礦山生態(tài)恢復(fù)工程對(duì)技術(shù)的使用需要對(duì)經(jīng)濟(jì)性與適應(yīng)性進(jìn)行考慮［1］。因此研究探索有色金屬礦山資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)同步的新方法，對(duì)改善礦山生態(tài)環(huán)境、消除安全隱患意義重大。

以不存在飄水的舒適度指數(shù)為基準(zhǔn)，四個(gè)飄水工況的舒適度指數(shù)變化值ΔI分別為1.93，0.68，3.5，3.51。這說明飄水在一定程度下影響周邊人群舒適感，且飄水越嚴(yán)重，影響越大。

5.2 回流的影響

1)不同大氣干球溫度下回流對(duì)冷卻塔影響

令tw＝33℃，變大氣干球溫度模擬得到不同大氣干球溫度下回流率變化對(duì)出水溫度，換熱量，出塔空氣干球溫度，出塔空氣相對(duì)濕度和的影響，分別如圖12～圖15所示。

圖12 不同大氣干球溫度下回流率與出水溫度的關(guān)系曲線圖Fig.12 The relation curve charts of reflux ratio and outlet water temperature in different outside temperature

圖13 不同大氣干球溫度下回流率與換熱量的關(guān)系曲線圖Fig.13 The relation curve charts of reflux ratio and heat in different outside temperature

2)不同大氣相對(duì)濕度下回流對(duì)冷卻塔影響

在7個(gè)不同大氣相對(duì)濕度下模擬計(jì)算出不同大氣相對(duì)濕度下回流率變化對(duì)出水溫度，換熱量，出塔空氣干球溫度，出塔空氣相對(duì)濕度和的影響，分別如圖16～圖19所示。

3)不同氣水比下回流對(duì)冷卻塔影響

圖14 不同大氣干球溫度下回流率與出塔干球溫度的關(guān)系曲線圖Fig.14 The relation curve charts of reflux ratio and outlet air relative humidity in different outside temperature

圖15 不同大氣干球溫度下回流率與出塔相對(duì)濕度的關(guān)系曲線圖Fig.15 The relation curve charts of reflux ratio and outlet air relative humidity in different outside temperature

圖16 不同大氣相對(duì)濕度下回流率與出水溫度的關(guān)系曲線圖Fig.16 The relation curve charts of reflux ratio and outlet water temperature in different outside relative humidity

令Ga＝37.6 kg/s，變水流量得到6個(gè)不同氣水比，從而模擬得到不同氣水比下回流率變化對(duì)出水溫度，換熱量，出塔空氣干球溫度，出塔空氣相對(duì)濕度和的影響，分別如圖20～圖23所示。

由以上3種不同條件下回流率對(duì)冷卻塔的影響可以看出，3種條件下回流率越大，則冷卻塔出水溫度越高，換熱量越少，出塔干球溫度越高以及出塔相對(duì)濕度越高，且不同條件下其影響程度有所不同。以RH＝30%為例，以回流率為0為基準(zhǔn)，當(dāng)回流率增加到50%，出水溫度增加9.16%，換熱量減少40.68%，出塔干球溫度升高 2.18%，出塔相對(duì)濕度增加10.4%和舒適度指數(shù)變化值為1.92；當(dāng)回流率增加到90%，出水溫度增加則達(dá)到了16.27%，換熱量急減72.33%，出塔干球溫度升高達(dá)到了4.75%，出塔相對(duì)濕度增加16.2%以及舒適度指數(shù)變化值為3.94。

圖17 不同大氣相對(duì)濕度下回流率與換熱量的關(guān)系曲線圖Fig.17 The relation curve charts of reflux ratio and heat in different outside relative humidity

圖18 不同大氣相對(duì)濕度下回流率與出塔干球溫度的關(guān)系曲線圖Fig.18 The relation curve charts of reflux ratio and outlet air relative humidity in different outside relative humidity

圖19 不同大氣相對(duì)濕度下回流率與出塔相對(duì)濕度的關(guān)系曲線圖Fig.19 The relation curve charts of reflux ratio and outlet air relative humidity in different outside relative humidity

因此，冷卻塔存在回流會(huì)影響冷卻塔的冷卻能力，且回流率越高，對(duì)冷卻能力影響越大；同時(shí)，由于回流會(huì)導(dǎo)致出風(fēng)溫濕度相應(yīng)增加，因此會(huì)影響周邊人群舒適感，且回流越嚴(yán)重，影響越大。

圖20 不同氣水比下回流率與出水溫度的關(guān)系曲線圖Fig.20 The relation curve charts of reflux ratio and outlet water temperature in different air-water ratio

圖21 不同氣水比下回流率與換熱量的關(guān)系曲線圖Fig.21 The relation curve charts of reflux ratio and heat in different air-water ratio

圖22 不同氣水比下回流率與出塔干球溫度的關(guān)系曲線圖Fig.22 The relation curve charts of reflux ratio and outlet air relative humidity in different air-water ratio

6 結(jié)論

1)充分考慮回流的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)械通風(fēng)橫流冷卻塔建立數(shù)學(xué)模型。以廣州地鐵某站點(diǎn)橫流冷卻塔作為測試對(duì)象，驗(yàn)證了理論模型準(zhǔn)確可靠性。驗(yàn)證結(jié)果表明，進(jìn)風(fēng)焓值相對(duì)誤差低于3.1%。

圖23 不同氣水比下回流率與出塔相對(duì)濕度的關(guān)系曲線圖Fig.23 The relation curve charts of reflux ratio and outlet air relative humidity in different air-water ratio

2)對(duì)于存在飄水的冷卻塔，模擬計(jì)算假如不考慮會(huì)造成模擬計(jì)算結(jié)果存在較大誤差。分析結(jié)果表明，進(jìn)風(fēng)溫度的相對(duì)誤差最大達(dá)到14.4%，而相對(duì)濕度更是達(dá)到26%；當(dāng)考慮飄水情況，進(jìn)風(fēng)溫度的最大相對(duì)誤差只有2.8%，而相對(duì)濕度的最大相對(duì)誤差為3.5%。

3)冷卻塔存在回流會(huì)影響冷卻塔的冷卻能力，且回流率越高，對(duì)冷卻能力影響越大；同時(shí)，由于回流會(huì)導(dǎo)致出風(fēng)溫濕度相應(yīng)增加，因此會(huì)影響周邊人群舒適感，且回流越嚴(yán)重，影響越大。結(jié)果表明，當(dāng)回流率增加到50%，出水溫度增加9.16%，換熱量減少40.68%，出塔干球溫度升高2.18%，出塔相對(duì)濕度增加10.4%和舒適度指數(shù)變化值為1.92。

本文受廣州地鐵中央空調(diào)典型冷卻塔運(yùn)行性能評(píng)價(jià)資金項(xiàng)目(x2dlD8129970)和廣東省重大科技專項(xiàng)資金(2012A010800024)資助。(The project was supported by Performance Evaluation of Guangzhou Metro Cooling Tower Project (No.x2dlD8129970)and Guangdong Grand Science and Technology Special Project(No.2012A010800024).)

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About the author

Liu Xuefeng(1976－)，male，doctor，associate professor，Laboratory of Refrigeration Air Conditioner＆Heat Pump，South China University of Technology，(020)22236480，E-mail:lyxfliu＠scut. edu.cn.Research fields:the optimum design and control of refrigeration and air conditioning system.

(1廣州市地下鐵道總公司 廣州 510010；2華南理工大學(xué)電力學(xué)院能源高效清潔利用廣東普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510640)

受限空間下冷卻塔容易產(chǎn)生回流和飄水，回流和飄水對(duì)冷卻塔的影響尚待進(jìn)一步探索。以機(jī)械通風(fēng)橫流冷卻塔為研究對(duì)象，在充分考慮回流的基礎(chǔ)上，建立了熱力學(xué)模型并進(jìn)行了測實(shí)驗(yàn)證。分析了飄水對(duì)模擬計(jì)算精度影響和不同條件下回流對(duì)冷卻塔的影響。結(jié)果表明，不考慮飄水造成進(jìn)風(fēng)溫度的相對(duì)誤差最大達(dá)到14.4%，而相對(duì)濕度更是達(dá)到26%；回流影響冷卻塔的冷卻能力，且回流率越高，對(duì)冷卻能力影響越大。當(dāng)回流率增加到50%，換熱量減少40.68%。

熱力學(xué)模型；橫流冷卻塔；回流；飄水

Thermodynamic Model and Operating Characteristics of Cross Cooling
Tower with Recirculated Air

Ma Jianrong1Xia Shaodan1Cai Boda1Wu Jiang1Luo Dingxin1Feng Tengfei1Chen Xinglong2Liu Jinping2Liu Xuefeng2Luo Wenhai2

(1.Guangzhou Metro Corporation，Guangzhou，510010，China；2.School of Electric Power，South China University of Technology，Key Laboratory of Efficient and Clean Energy Utilization of Guangdong Higher Education Institutes，Guangzhou，510640，China)

The influence of recirculated air and floating water on the performance of cooling tower in confined space remains to be further investigated.A thermodynamic model of cross cooling tower was set up and validated by the test with fully consideration of recirculated air.The influence of floating water on the simulation accuracy and recirculated air on the operation of cooling tower were analyzed.The results show that the relative error of inlet air temperature and relative humidity are 14.4%and 26%，respectively when floating water is not considered.The higher the recirculation ratio is，the greater the impact on cooling capacity of cooling tower becomes.The heat exchange capacity decreases 40.68%when the recirculation ratio increases 50%.

thermodynamic model；cross cooling tower；circumfluence；floating water

TQ051.5；TB61＋1

A

0253－4339(2014)05－0030－08

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.030

劉雪峰，男(1976－)，博士，副教授，華南理工大學(xué)制冷空調(diào)熱泵研究室，(020)22236480，E-mail:lyxfliu＠scut.edu.cn。研究方向:制冷空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制。

PHOENICS對(duì)北京五棵松體育文化館冷卻塔的熱回流做了模擬分析；張志剛等[4]基于麥克爾焓差法原理，對(duì)循環(huán)水泵運(yùn)行方式變化前后的進(jìn)塔風(fēng)速進(jìn)行了估算，給出了冷卻塔出塔水溫的迭代計(jì)算方法；何瀝等[5]對(duì)閉式冷卻塔的空氣和水之間的流動(dòng)阻力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；章立新等[6]對(duì)冷卻塔組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，探討其節(jié)能優(yōu)化途徑；李楊等[7]通過建立冷卻塔數(shù)學(xué)模型來對(duì)其性能優(yōu)化進(jìn)行探討；張飛狂[8]分析了冷卻塔飄水的原因和危害，以及提出消除飄水現(xiàn)象的措施。但對(duì)于機(jī)械通風(fēng)橫流冷卻塔很少理論模型充分考慮回流的影響和求解出出塔空氣溫濕度，同時(shí)忽略

2013年10月18日