行業(yè)新聞TRADE
摘要：利用圖形法和EXCEL電子表格編程,對(duì)冷卻塔冷卻效率作出簡(jiǎn)單直觀的判斷,既方便又準(zhǔn)確,大大簡(jiǎn)化了計(jì)算程序。
關(guān)鍵詞：冷卻塔 冷卻效率 電子表格編程
1前言
冷卻塔的熱力計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，手算程序尤其繁瑣，并且還涉及到查表，而目前市場(chǎng)上雖然有一些商業(yè)性的軟件，但大部分是針對(duì)小型玻璃鋼冷卻塔設(shè)計(jì)的，對(duì)于大型的工業(yè)冷卻塔而言，計(jì)算起來(lái)誤差較大，并且使用起來(lái)不方便，圖形法分析能省去計(jì)算，但存在只能定性分析而不能定量分析等缺陷，考慮到焓差法計(jì)算是冷卻塔熱力計(jì)算的基礎(chǔ)理論，結(jié)合冷卻塔工藝熱平衡圖，筆者采用EXCEL電子表格設(shè)計(jì)了熱力計(jì)算程序，只需具備EXCEL編輯公式的能力就可直接操作，操作簡(jiǎn)單，方便實(shí)用。非常適合于從事冷卻塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理的工程技術(shù)人員使用。
2理論分析
………….(1)
Q：冷卻水量，m3/h
βxv:容積散質(zhì)系數(shù)，kg/m3h
k:蒸發(fā)水量散熱系數(shù)
i,i”空氣焓值，飽和焓值，kJ/kg
Cw:水的比熱，kJ/kg℃
式(1)中右邊表示冷卻塔的冷卻任務(wù)的大小,稱冷卻數(shù)或交換數(shù)。與設(shè)計(jì)的進(jìn)出水水溫、溫差以及大氣氣象條件決定的,左邊為選定的淋水填料所具有的冷卻能力，稱冷卻特性數(shù),與選擇填料的熱力性能和氣水比有關(guān),對(duì)于給定的冷卻任務(wù)而言,可以選擇適當(dāng)?shù)奶盍弦约疤盍象w積來(lái)滿足冷卻任務(wù)。（1）式右邊可用1所示的冷卻塔工藝熱平衡形象地表述水與空氣之間的關(guān)系及焓差推動(dòng)力。
圖1:冷卻塔工藝熱平衡
圖1中AB線為飽和焓曲線，與進(jìn)出水溫度t1和t2有關(guān)，CD線為空氣操作線，C點(diǎn)對(duì)應(yīng)為進(jìn)塔空氣焓，D點(diǎn)對(duì)應(yīng)為出塔空氣焓， CD線與取決于大氣條件、氣水比λ以及溫差。其中
,tm為平均溫度，
。
3 評(píng)價(jià)
結(jié)合圖1的原理，利用EXCEL編程計(jì)算冷卻效率，可以簡(jiǎn)化查表步驟，既方便又快捷。
圖6：冷卻塔冷卻數(shù)計(jì)算表格的表頭制作
首先設(shè)計(jì)如圖6所示的表頭，圖中B～H項(xiàng)為設(shè)計(jì)者直接填入數(shù)值,I～X項(xiàng)為計(jì)算機(jī)自動(dòng)顯示值處,下面分步介紹自動(dòng)計(jì)算表格的設(shè)計(jì)。
1).飽和水蒸汽壓力的計(jì)算
計(jì)算飽和水蒸汽壓力
式中T=273+θ（θ為空氣溫度℃）
Pq?=98.065×10E（kpa）
則相當(dāng)于濕球溫度τ的水蒸氣壓力編寫方法是用鼠標(biāo)單擊K6處，然后在如圖所示的編輯輸入=98.065*10^(0.014196-3.142305*(1000/(273+D6)-1000/373.16)+8.2*Lg(373.16/(273+D6))-0.0024804*(373.16-(273+D6))),輸完之后單擊編輯欄右側(cè)的等于號(hào)，待屏幕彈出對(duì)話框，再單擊“Enter”鍵，此時(shí)相當(dāng)于濕球溫度τ水蒸氣壓力公式編輯完畢。同理，相當(dāng)于干球溫度θ的水蒸氣壓力編寫方法是用鼠標(biāo)單擊L6處，將上式中的D6改為E6即可。
2）.相對(duì)濕度的計(jì)算
相對(duì)濕度可按
進(jìn)行計(jì)算，
則相對(duì)濕度的編寫方法是用鼠標(biāo)單擊M6處，然后在如圖所示的編輯欄輸入=（K6-0.0006628*F6*(E6-D6)）/L6,輸完之后單擊編輯欄右側(cè)的等于號(hào)，待屏幕彈出對(duì)話框，再單擊“Enter”鍵，此時(shí)相對(duì)濕度的公式編輯完畢。
3)濕空氣容重的計(jì)算
濕空氣容重可按
進(jìn)行計(jì)算，
則濕空氣容重編寫方法是用鼠標(biāo)單擊N6處，然后在如圖所示的編輯欄輸入= (F6-M6*L6)/0.287/(273+E6)+M6*L6/0.4615/(273+E6)，輸完之后單擊編輯欄右側(cè)的等于號(hào)，待屏幕彈出對(duì)話框，再單擊“Enter”鍵，此時(shí)濕空氣容重公式編輯完畢。
4）氣水比的計(jì)算
氣水比按
進(jìn)行計(jì)算，
則氣水比編寫方法是用鼠標(biāo)單擊O6處，然后在如圖所示的編輯欄輸入= N6*H6/1000/G6，輸完之后單擊編輯欄右側(cè)的等于號(hào)，待屏幕彈出對(duì)話框，再單擊“Enter”鍵，此時(shí)氣水比公式編輯完畢。
5）飽和空氣焓的計(jì)算
為方便統(tǒng)一的公式編輯，同時(shí)省去查表的步驟，可引入內(nèi)田秀雄[1]給出飽和焓與溫度的關(guān)系式:
,即圖中的AB線，此關(guān)系式在20～40℃誤差僅為1%，因此t1對(duì)應(yīng)的飽和空氣焓的編寫方法是鼠標(biāo)單擊P6處，然后在如圖所示的編輯欄輸入= 8.265-0.24*B6+0.0254*B6^2，輸完之后單擊編輯欄右側(cè)的等于號(hào)，待屏幕彈出對(duì)話框，再單擊“Enter”鍵，此時(shí)t1對(duì)應(yīng)的飽和焓公式編輯完畢。t2、tm對(duì)應(yīng)的飽和焓編寫方法同t1對(duì)應(yīng)的飽和空氣焓的編寫方法，將上式中的B6改為C6、J6即可。
6）進(jìn)出塔空氣焓值的計(jì)算
由圖1可以看出進(jìn)塔空氣焓可近似等于濕球溫度τ對(duì)應(yīng)的飽和空氣焓，因此i1編寫方法同t1對(duì)應(yīng)的飽和焓，只是將上式中的B6改為D6?？諝獠僮骶€CD上任意一點(diǎn)可用
求出。因此i2編寫方法是鼠標(biāo)單擊T6處，然后在如圖所示的編輯欄輸入= S6+I6/O6，輸完之后單擊編輯欄右側(cè)的等于號(hào)，待屏幕彈出對(duì)話框，再單擊“Enter”鍵，im編寫方法是鼠標(biāo)單擊u6處，然后在如圖所示的編輯欄輸入= (S6+t6)/2。
7）逆流塔冷卻數(shù)的計(jì)算
考慮到計(jì)算精度，逆流塔冷卻數(shù)的計(jì)算積分采用辛普遜（Simpson）二段公式作簡(jiǎn)化計(jì)算：
則Ω編寫方法是鼠標(biāo)單擊V6處，然后在如圖所示的編輯欄輸入= I6/6*(1/(P6-T6)+4/(R6-U6)+1/(Q6-S6))，輸完之后單擊編輯欄右側(cè)的等于號(hào)，待屏幕彈出對(duì)話框，再單擊“Enter”鍵。
8）橫流塔冷卻數(shù)的計(jì)算
先按求逆流塔冷卻數(shù)的方法求出Ωn,再除以修正系數(shù)F0。
F0的編寫方法是鼠標(biāo)單擊W6處，然后在如圖所示的編輯欄輸入= 1-0.106*(1-(Q6-T6)/(P6-S6))^3.5，輸完之后單擊編輯欄右側(cè)的等于號(hào)，待屏幕彈出對(duì)話框，再單擊“Enter”鍵。ΩH的編寫方法是鼠標(biāo)單擊X6處，然后在如圖所示的編輯欄輸入= V6/W6，輸完之后單擊編輯欄右側(cè)的等于號(hào)，待屏幕彈出對(duì)話框，再單擊“Enter”鍵。此時(shí)整個(gè)計(jì)算程序編寫完畢。用此程序校驗(yàn)手算值（上海科學(xué)技術(shù)出版社1981年出版的《冷卻塔》及中國(guó)建筑出版社1986年出版的《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》第4冊(cè)書中的例題（見(jiàn)表1）。
表1：手算和電算結(jié)果對(duì)照表
|
塔型 |
逆流塔（2） |
橫流塔（3） |
|||
|
參數(shù) |
氣水比λ |
0.5 |
0.6 |
0.9 |
1.0 |
|
進(jìn)塔溫度（℃） |
40.24 |
40.24 |
40.24 |
45 |
|
|
出塔溫度（℃） |
32 |
32 |
32 |
35 |
|
|
干球溫度（℃） |
25.7 |
25.7 |
25.7 |
24 |
|
|
干球溫度（℃） |
22.8 |
22.8 |
22.8 |
30 |
|
|
大氣壓力（Kpa） |
99.658 |
99.658 |
99.658 |
99.293 |
|
|
結(jié)果 |
手算冷卻Ω |
1.024 |
0.861 |
0.692 |
0.613 |
|
電算冷卻Ω |
0.97 |
0.82 |
0.68 |
0.63 |
|
|
差值（%） |
5.56% |
5% |
1.76% |
2.7% |
|
從表1可以看出手算和電算值結(jié)果相差不大（1.76%～5.56%）,因此采用此程序可信度較高。
下面結(jié)合某橫流塔幾種不同的測(cè)試工況，利用此EXCEL程序?qū)ζ渑袛啵ㄒ?jiàn)圖7）。
表2：某大型橫流塔設(shè)計(jì)及測(cè)試情況
|
項(xiàng)目 |
設(shè)計(jì)條件 |
測(cè)試工況1 |
測(cè)試工況2 |
測(cè)試工況3 |
|
水量（m3/h） |
3300 |
3520 |
3520 |
3150 |
|
干球溫度（℃） |
33 |
32.3 |
36.2 |
31.4 |
|
濕球溫度（℃） |
28 |
29.1 |
26.05 |
26.27 |
|
進(jìn)水溫度（℃） |
43 |
37.4 |
39.17 |
39.14 |
|
出水溫度（℃） |
33 |
31.8 |
33.16 |
32.11 |
|
風(fēng)量（m3/h） |
243000 |
246000 |
242000 |
253000 |
|
大氣壓力（Kpa） |
99.96 |
100.9 |
101.42 |
99.96 |
圖7：某橫流塔冷卻數(shù)計(jì)算結(jié)果值
將測(cè)試的三個(gè)工況的B～F項(xiàng)直接填入表格中,然后用鼠標(biāo)單擊I6處,按住鼠標(biāo),按住鼠標(biāo)左鍵不放,將鼠標(biāo)拖至X6處,將鼠標(biāo)移至X6右下角,待光標(biāo)變成小“+”時(shí),按住鼠標(biāo)左鍵不放,將鼠標(biāo)移至第9行,就可完成復(fù)制工作,在7、8、9行處計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)顯示數(shù)值，測(cè)試工況1冷卻數(shù)計(jì)算值大于設(shè)計(jì)值，填料的容積散質(zhì)系數(shù)比設(shè)計(jì)值大,能滿足冷卻任務(wù),而測(cè)試工況2、3均低于設(shè)計(jì)值(工況2是在該冷卻塔運(yùn)行六年后進(jìn)行測(cè)試的，工況3是該冷卻塔在更換填料后進(jìn)行測(cè)試的)，尤其是運(yùn)行六年后，填料的容積散質(zhì)系數(shù)下降幅度較大，已不能滿足冷卻任務(wù)的需要。而改造后也未達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，因此還存在著改造的缺陷。單純從冷卻數(shù)的大小不容易看出冷卻效率降低多少，可以將不同工況下的冷卻數(shù)修正到設(shè)計(jì)條件下，求出出水溫度或水量。具體操作步驟見(jiàn)圖8、圖9。
圖8：修正至設(shè)計(jì)條件下出水水溫校核圖
將設(shè)計(jì)條件下的工況復(fù)制至第10行處，然后保持水量不變，將出水溫度空出，再在空欄處填入出水溫度，直至填入的溫度滿足測(cè)試工況條件下的冷卻數(shù)值。由圖可以看出，修正到設(shè)計(jì)條件下，出水
圖9：修正至設(shè)計(jì)條件下出水水溫值
水溫為32.5℃時(shí)，滿足要求，因此該塔的冷卻效率為（43-32.5）/（43-33）×100%=105%，同理可將工況2、3修正到設(shè)計(jì)條件下得到出水溫度為33.9℃和33.2℃，因此冷卻塔效率分別為91%和98%。分析其改造不成功的原因主要有：
① 填料片間距過(guò)大，水力停留時(shí)間短
② 由于橫流塔百葉窗的安裝角度不合理，同時(shí)由于橫流塔支撐架多，在安裝過(guò)程中不可避免地在原百葉窗上開孔，如果對(duì)有孔部位不進(jìn)行修補(bǔ)，橫流塔濺水相當(dāng)厲害，尤其在不開風(fēng)機(jī)時(shí)加劇，造成冬季百葉窗易結(jié)冰，導(dǎo)致百葉窗及擋水板變形，向外凸出，水直接沖擊邊層填料，形成水幕，并且自上而下越來(lái)越密，無(wú)形中增加了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行阻力，減少了風(fēng)量，同時(shí)水幕對(duì)邊層填料具有沖擊破壞作用，加劇了填料的部分垮塌。因此在改造過(guò)程中不可忽視，在擋水板凸出處再插入新的擋水板。
③未綜合考慮整個(gè)氣室的配風(fēng)均勻性，填料安裝沒(méi)有按照上密下疏的原則，同時(shí)填料安裝并未交錯(cuò)安裝，影響了填料的熱力性能。
④由于橫流塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)本身復(fù)雜，填料支撐架過(guò)多，同時(shí)每層填料間安裝了填料框，無(wú)疑這些增加了風(fēng)機(jī)的阻力，對(duì)于鋼筋支撐架而言，要改造已很困難，但可以撤消填料框架，用相同材質(zhì)的PVC板代替填料框架。減少風(fēng)機(jī)的運(yùn)行阻力。
⑤由于風(fēng)機(jī)的抽吸作用，有部分水飄落在收水器與填料之間，未經(jīng)過(guò)充分換熱，由上自下逐漸增加，因此可考慮略微增加原底部1～2層填料深度，以保證充分換熱。
當(dāng)然單憑某一工況的測(cè)試就對(duì)冷卻塔的熱力效率作出評(píng)價(jià)，不是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，如要?duì)冷卻塔作出科學(xué)合理的判斷，按照NDGJ89-89《工業(yè)冷卻塔測(cè)試技術(shù)規(guī)定》要求，需對(duì)冷卻塔進(jìn)行全面測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目包括大氣參數(shù)，進(jìn)出水溫，進(jìn)塔空氣量，出塔空氣干濕球溫度，塔各部分風(fēng)阻，風(fēng)機(jī)全壓，至少測(cè)出15個(gè)不同的工況，然后在不同工況下，計(jì)算出冷卻數(shù)Ω及容積散質(zhì)系數(shù)，用最小二乘法，得出式（2）和式（3）
…………（2）
…….（3）
λ：氣水比，kg/kg
g:通風(fēng)密度，kg/m2s
q:淋水密度，kg/m2s
A.B：試驗(yàn)常數(shù)
m.n:試驗(yàn)指數(shù)
根據(jù)此關(guān)系校核在設(shè)計(jì)條件下的出水水溫或水量，然后對(duì)冷卻塔效率高低作一評(píng)價(jià)。同樣可以采取EXCEL方法對(duì)其進(jìn)行編輯,在此不再贅述。
4.結(jié)束語(yǔ)
采用EXCEL表格對(duì)冷卻塔冷卻效率進(jìn)行編程，使得煩瑣的計(jì)算變得輕松，工作效率大大提高，需要幾個(gè)工作日時(shí)間只需幾分鐘就可完成，為冷卻塔計(jì)算提供了方便，對(duì)冷卻塔的運(yùn)行狀況做到心中有數(shù),為冷卻塔改造和開發(fā)提供可信的依據(jù)。
文章來(lái)自：http://www.ytebara.com.cn/index.php?catid=781/
當(dāng)前位置：