冷却塔模拟计算方法论

四、模拟运行计算

1、建立数学模型

冷却塔实际运行中，各参数的变化是很复杂的，无论何种形式，在表示其热工特性的重要参数上，有，以焓为基准的总容积传热系数（Ka·V/L）与填料的材质特性（Ka）、冷却塔的结构形式、淋水密度（L/A_l）、水气比（L/G）、塔体断面通风风速或风负荷（G/A_g）……等诸多因素；再综合冷却塔的运行环境等因素，可以设定以下条件：

1）冷却塔风机静压P_s恒定；

2）冷却塔循环水量L一定（此处不计偏差）；

3）冷却塔热容量Q一定（按主机最大负荷计），且入水温度t₁为一定；

4）冷却塔放置位置不变；

5）冷却塔结构形式不变。

于是，可以知道变化的主要参数有：

1）冷却塔风机的风量G；

2）冷却塔风机的出水温度t₂；

3）环境湿球温度t_w；

我们可以抽象出以下方法对冷却塔的实际运行进行简化模拟：

A．对冷却塔a区进风

冷却塔进风动力源于风机所产生的静压P_s与塔体入风口静压P_a之差P_s。

v_a=； …………①

设定A轴百叶开启角度≤20°，再考虑塔体入风百叶影响，取=1.12。

B． 对冷却塔d区通风

只有塔体入风百叶，取=1.05。

C．对冷却塔b区通风

b₁区靠A轴百叶仅150mm左右，通风量按它与进风口高度之百分比计约为4%；

b₁区靠1/A轴距离约1650mm左右，通风量按它与进风口高度之百分比计约为58%。

D．对冷却塔c区排风

c区为冷却塔高速排风区，在空间上，它近似于有限空间射流，射流的外形象橄榄。

…………②

式中

v_x——射程x处的射流轴心速度；

v₀——射流出口处的初平均速度；

x——出口至计算断面的距离；

d₀——送/排风口直径；

a——送/排风口的紊流系数；

上式是自由射流，它可以大致绘出射流的具体形状（如射程、最大射流断面）。但，在受限空间，排风口的速度衰减估算一般采用下式。

…………⑶

受限空间射流的压力场是不均匀的，各断面的静压随射程的增加而增加；同时，由于射流速度场的相似性，必然有温度场的相似性。

…………⑷

此处简化计算为平均值。

式中，

⊿Tx——射流x处与周围空气的温度差；

⊿T0——射流出口处与周围空气的温度差。

E．对冷却塔e区滞留热空气

射流上部受栅栏影响，部分空气流向分散；以及射流过程中排风热空气与周围空气进行热能与动量的交换，其结果导致周围空气温湿度升高，焓值升高的空气一部分上升，另一部分滞留于栅栏下部空间。这两部分一起形成了e区的滞留热空气。

通过以上建模分析可知，此环境中运行的冷却塔要克服的问题是：

b区回流高温高湿空气；

d区负压值过大，风量可能不足；

c区滞留热空气。

2、参数估算

1） 已知

冷却塔入风口尺寸：7.45×2=14.9m²

冷却风机直径：2000mm

冷却风机的总静压：110Pa

冷却风机的名义风量：28.17 m³/s

塔体风阻力：90 Pa

冷却塔设计处理水量：179m³/h

冷却塔有效散水面积：6.1m²

冷却塔填料容积：14.63m³

冷却塔进水温度：38℃

环境湿球温度：27.9℃

A轴百叶面积：≤11.25 m²

易得，

冷却塔水负荷(L/A_l)：29.36 m³/ m²·h

冷却塔填料特性值(Ka)：15306

冷却塔出风口风速(v₀)：8.98 m/s

冷却塔出风口动压（Pv）：18.3Pa

A轴百叶面通风风速：2.81 m/s

（注：冷却塔基础墩高度750mm）

2） 计算

冷却塔通风遵循进出风量相等原则，可知，a区通风量与e区排风量相等。

A．在c~e区，计算e区的静压与温度

设从风机排出的空气与水热交换100%，即排风口饱和湿空气焓

h_a2=h_a1+L/G（T₁-T₂） …………⑸

e区排风动压P_ve

v_e= v₀× …………⑹

当x/d=2时，v_e=1.98m/s，即排风到达顶部栅栏时，动压基本转化为静压，

P_s≈16.1Pa

排风空气在此处静压呈正态分布，热风被排出。

e区空气温度差

⊿T_e=（38-27.9）×

=0.87℃

说明e区排风（非饱和湿空气）与周围空气之温度比较接近。

e区弥散的热空气的湿球温度近似为：

tw_e=27.9+0.87=28.77℃

B．在b~d区

其中，冷却塔进风两侧，一面临A轴，一面临1/A轴。假定，两面进风量相同，则冷却塔进风面风速约为1.89 m/s，每面进风量约14.08m³/s。

冷却塔进风临A轴侧，由于靠近百叶，所以风量视为足够；

对临1/A轴侧，d区可分上、下两部分通风，其中上部通风约58%；同理，下部通风约38%；即是说，由于下部通风量的不足，上部热风回流大部分弥补了1/A轴侧通风量的不足，同时也造成d区负压过大。

由式⑴，

因为G=V·A，冷却塔通风面积一定。

所以，⊿Ps=

代入数据，⊿Ps=×(1-0.8836)

=0.3Pa

超出的负压，使得d区通风恶化，上部热风更多从b2区流向d区，即实际上部通风量应为：58%+4%=62%，d区上、下两部分空气混合而成1/A侧冷却塔的进风，混合后的湿球温度t_w’(A轴空气湿球温度t_w=27.9℃)。

…………⑺

代入数据，求得hw’=21.94Kcal/kg

按空调二类地区换算，可得混合后的空气湿球温度：t_w’=28.3℃。它说明1/A轴侧冷却塔的进风湿球温度要比A轴侧的高出0.4℃。

按⑸式可以得出塔热空气的焓h2：

h2=21.307+1.605×(38-32)

=30.937 Kcal/kg

(注：如果按38℃排风温度，出塔热空气的焓应为35.848 Kcal/kg)

依照上述结果推算，

1/A轴侧冷却水出水温度T2’：

T2’=38-

=32.4℃

到此，计算完成。

3）评述与结论

以上结果是在抽象简化后计算得出，鉴于冷却塔在现场运行时情况更为复杂，例如，风机静压的影响，环境的蓄热量，分水均匀度，风叶片的安装角度等等，但，总的说来，冷却塔出水温度偏差应在0.4~0.7℃内。

五、可选改善方案与建议

1）可选改善方案

为使冷却塔的运行效果更好，可在冷却塔的出风口加装1500mm~2000高的直立导风筒，以防排风动压下降过快。

同时，冷却塔在设计时充分考虑余量，以缓减环境湿球升高的影响。

2）建议

由于冷却塔所在空间的空气湿度较大，所以建议作好建筑的防潮与防水工作。