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CN116384017B - 一种干湿联合冷却塔的设计方法 - Google Patents

一种干湿联合冷却塔的设计方法 Download PDF

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CN116384017B CN202310664511.2A CN202310664511A CN116384017B CN 116384017 B CN116384017 B CN 116384017B CN 202310664511 A CN202310664511 A CN 202310664511A CN 116384017 B CN116384017 B CN 116384017B
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Abstract

本申请公开了一种干湿联合冷却塔的设计方法，所述方法是将全年蒸发损失qy与干湿联合冷却塔的蒸发损失qn进行比较，若计算qy>qn,不满足节水率的要求，则增大相对湿度η；若满足节水率要求，则进行消雾计算，判断是否满足冷却塔的消雾要求；以及进行阻力计算和风机选型，最后输出设计结果。具有以下优点：以全年节水率为导向更加精确的计算冷却塔的结构参数以及运行时的参数，得到更加精确的出塔空气参数，蒸发损失等参数，可以精确做到冷却塔水损失的计算与消雾效果的计算，从而优化冷却塔的设计，做到对蒸发水损失的精确控制，达到更加好的冷却塔节水效果。

Description

一种干湿联合冷却塔的设计方法
技术领域
本发明是一种干湿联合冷却塔的设计方法，属于冷却塔控制技术领域。
背景技术
近年来经济和生产力快速发展，煤化工、石油化工、电厂等工业发展迅猛，但与此同时面临的水资源问题也迫在眉睫。干湿联合冷却塔作为一种广泛的既具有较高热效率，同时也具有节水与消雾能力的冷却塔，具有广阔的市场前景。然而目前的设计计算方法为了简化计算过程，大多数都是假设湿段出塔空气为饱和状态，水量变化引起的热量变化也被忽略，蒸发损失的计算大多采用系数法计算，这会使得蒸发损失与出塔空气状态参数的计算不准确，为了精确计算冷却塔在不同月份的蒸发损失以及消雾情况，提高冷却塔的设计效率，便于以控制全年节水率以及消雾效果为导向设计冷却塔，提出了一种新的计算方法来解决以上问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种干湿联合冷却塔的设计方法，以全年节水率为导向更加精确的计算冷却塔的结构参数以及运行时的参数，得到更加精确的出塔空气参数，蒸发损失等参数，可以精确做到冷却塔水损失的计算与消雾效果的计算，从而优化冷却塔的设计，做到对蒸发水损失的精确控制，达到更加好的冷却塔节水效果。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种干湿联合冷却塔的设计方法，所述方法是将全年蒸发损失qy与干湿联合冷却塔的蒸发损失qn进行比较，若计算qy>qn,不满足节水率的要求，则增大相对湿度η；
若满足节水率要求，则进行消雾计算，判断是否满足冷却塔的消雾要求；以及进行阻力计算和风机选型，最后输出设计结果；
根据相对节水率计算干湿联合冷却塔的蒸发损失qn；
全年蒸发损失为非夏季的蒸发损失和夏季的蒸发损失求和得到，计算非夏季的蒸发损失时冷却塔干段湿段同时运行，通过干段的换热效能得到干段的出塔空气温度和湿段的入塔水温，再进行湿段蒸发水损失计算；计算夏季的蒸发损失时冷却塔只运行湿段冷却，进行湿段蒸发水损失计算；
通过迭代法进行冷却塔纯湿段情况下的全年蒸发水损失计算，具体做法为：为了求解空气与水状态参数的微分方程组，将塔内的冷却水温度沿着水的流向分为若干个小的微分单元，假设出塔空气含湿量ωo，根据质量守恒得到水的出塔质量，通过传热传质微分方程微分得出每一段微分单元的空气含湿量与空气焓值，直到重新计算得到出塔空气含湿量，为下一次的迭代条件做好准备。
进一步的，所述方法包括以下步骤：
步骤S1：确定环境气象条件，给定计算的初始空气条件；
环境气象条件包括：全年的环境大气压Pa、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φi、干球温度对应饱和蒸汽分压pθ、进塔空气含湿量ωi、进塔空气焓值hi、进塔湿空气密度ρi；
步骤S2：确定冷却任务与节水任务，给定冷却塔的设计要求；
冷却任务包括：单塔冷却循环水量q、循环水进塔水温t1，出塔水温t2；节水任务包括：相对节水率ε；
步骤S3：确定翅片管结构与操作参数以及塔的结构参数；
步骤S4：确定填料性能参数。
进一步的，所述方法还包括以下步骤：
步骤S5：进行冷却塔纯湿段情况下的全年蒸发水损失计算，给定进行干湿联合节水设计前的水损失；
假设湿段气水比λ，通过热力性能参数得到特性数，其中A,n均为冷却塔的填料热力性能参数；
空气含湿量的计算公式如下：
；
空气焓值的计算公式如下：
；
其中，η为相对湿度，为水的比热，ω为每一小段微分单元的空气含湿量，t为每一小段微分单元的冷却水进口温度，q为冷却水的质量，dt为每一小段微分单元的冷却水进出口温度之差，/>为与水温相对应的饱和空气含湿量，G为风量，/>为与水温对应的饱和空气焓值，γ为水的蒸发潜热，/>为空气的饱和含湿量，/>为空气的饱和焓值；/>为路易斯数，表示传质与传热的比例常数，具体值为：/>。
进一步的，将计算得到的所述空气含湿量作为新一次迭代的起始条件重新进行计算，直到求得的计算得到的出塔空气含湿量与假设的空气含湿量之差满足求解精确度，然后通过积分的方法得到冷却数：
式中，t1为入塔水温，t2为出塔水温；
通过改变入塔风量来调整气水比，使N1与N2之差满足精确度，同时得到纯湿式运行下的蒸发损失。
进一步的，所述方法还包括以下步骤：
步骤S6：根据相对节水率计算干湿联合冷却塔的蒸发损失，假设干湿联合冷却塔的干湿比δ，得到干湿联合冷却塔干段的热负荷/>以及干段的出塔水温/>。
进一步的，所述方法还包括以下步骤：
步骤S7：进行干湿联合冷却塔干段的传热计算，求解得到翅片管长度，翅片管长度计算的包括以下步骤：
获得传热系数；
传热系数在可以进行实验的前提下采用实验得到的传热系数计算，若无实验数据，可依照如下的计算过程估算：
由空气的性质参数与翅片管的结构参数得到管外对流传热系数，，其中，/>为空气的导热系数，Db为翅片管外径，ρ为空气密度，vmax为空气在翅片管束最窄处的流速，m为空气的动力粘度，P为翅片的间距，T为翅片的厚度，Df为翅片的外径，Pra为空气的普朗特数；
由水的性质参数与水的流速得到翅片管内对流传热系数，其中/>为水的导热系数，Di为翅片管内径，Re为水的雷诺数，Prw为水的普朗特数；
再计算翅片管的总传热系数其中，Ro，Ri，Rw分别为管外污垢、管内污垢、管壁的热阻，β为翅片管的翅化比。
进一步的，所述翅片管长度计算还包括以下步骤：
求得翅片管换热面积，其中Tln为对数平均温度；接着求得翅片管长度/>，其中n1为管排数，n2为每排管子数，将计算得到的翅片管长度L与假设的翅片管长度L0进行比较，如果相差过大则重新假设翅片管长度进行计算，直到满足精确度。
进一步的，所述方法还包括以下步骤：
步骤S8：进行非夏季的蒸发损失计算，为计算全年蒸发损失做准备；
此时干段湿段同时运行，先计算传热单元数其中，Cmin为空气与水的热容流率中的较小值，A为换热面积，再计算换热效能/>，其中，e为自然常数，C为空气与水的热容流率中的较小值与较大值的比值。通过换热效能计算干段出塔空气温度与湿段的入塔水温/>；t4替代t1再根据步骤S5求解湿段的蒸发损失与空气出塔状态参数；
步骤S9：进行夏季的蒸发损失计算，为计算全年蒸发损失做准备，此时只运行湿段冷却，入塔水温为t1，求解方法同步骤S5；
步骤S10：进行蒸发损失的校核，判断是否满足节水率的要求：将步骤S8与步骤S9计算得到的蒸发损失求和得到全年的蒸发损失qy，与干湿联合冷却塔的蒸发损失qn进行比较，若计算qy>qn,则增大η，返回步骤S6进行计算。
进一步的，所述方法还包括以下步骤：
步骤S11：进行消雾计算，判断是否满足冷却塔的消雾要求：结合干段、湿段的出塔空气状态参数，通过质量守恒与能量守恒定律，求解混合后的空气风量、空气温度与含湿量，然后通过作图法判断混合后的空气参数与外部空气参数在温湿图上是否与饱和空气线有交点，输出求解结果；
根据翅片管箱整体长度参数与通风速度确定通风风量，W为翅片管箱中翅片管数量，V为通风速度，再根据热负荷，通过能量守恒方程得到出塔空气温度。
进一步的，所述方法还包括以下步骤：
步骤S12：阻力计算和风机选型：先计算干湿联合冷却塔的总阻力其中/>为个各部件的阻力系数，/>为空气流经各个部件的空气密度，/>空气流经各个部件的空气流速 ，结合步骤S11求得的混合后的空气风量进行风机选型。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
1.修改了冷却塔计算中的传热传质方程，为了更加精确的计算蒸发损失与出塔空气状态参数，不采取常规技术假设条件，采用迭代法求解整个方程组，从而得到更加精确的出塔空气参数，蒸发损失等参数，从而优化冷却塔的设计，使其更加节水节能。
2、以全年节水率为设计标准设计冷却塔，做到对蒸发水损失的精确控制，达到更加好的冷却塔节水效果，通过本方法设计的冷却塔，可以精确做到冷却塔水损失的计算与消雾效果的计算，能够提高20%左右的水损失计算精确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明中干湿联合冷却塔的设计方法的总体流程图；
图2为本发明中蒸发损失计算流程图；
图3为本发明中翅片管长度计算流程图；
图4为本发明中干段出塔水温计算流程图。
具体实施方式
实施例1，如图1所示，一种干湿联合冷却塔的设计方法，采用微元法进行精确的设计计算，包括以下步骤：
步骤S1：确定环境气象条件，给定计算的初始空气条件；
环境气象条件包括：全年的环境大气压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φi、干球温度对应饱和蒸汽分压pθ、进塔空气含湿量ωi、进塔空气焓值hi、进塔湿空气密度ρi；
步骤S2：确定冷却任务与节水任务，给定冷却塔的设计要求；
冷却任务包括：单塔冷却循环水量q(m3/h)、循环水进塔水温t1，出塔水温t2；节水任务包括：相对节水率ε。
步骤S3：确定翅片管结构与操作参数以及塔的结构参数；
翅片管结构参数包括：翅片管箱数量、翅片管内外径、翅片厚度、翅片间距、翅片管间距、管排数、每排管子数、翅片管箱宽度、管内外污垢热阻系数、基管材质、翅片材质；翅片管操作参数：管程数、翅片管箱通风速度；塔的结构参数包括塔长，塔宽，进风口高度，壁流率，进风口数量。
步骤S4：确定填料性能参数；
填料性能参数包括：填料能力性能参数，填料阻力性能参数。
步骤S5：进行冷却塔纯湿段情况下的全年蒸发水损失计算，给定进行干湿联合节水设计前的水损失。
干湿联合冷却塔的设计主要是为了能比纯湿式更加节水，节水率也是相对纯湿式冷却塔来说的，所以需要先计算在规定的冷却需求下，纯湿式情况下的冷却塔要消耗多少水。
如图2所示，具体计算过程如下：
假设湿段气水比λ，通过热力性能参数得到特性数，其中A,n均为冷却塔的填料热力性能参数。
通过迭代法进行冷却塔纯湿段情况下的全年蒸发水损失计算，具体做法为：为了求解空气与水状态参数的微分方程组，将塔内的冷却水温度沿着水的流向分为若干个小的微分单元，假设出塔空气含湿量ωo，根据质量守恒得到水的出塔质量，通过传热传质微分方程微分得出每一段微分单元的空气含湿量与空气焓值，直到重新计算得到出塔空气含湿量，为下一次的迭代条件做好准备。
假设出塔空气含湿量是给定微分方程组的边界条件的，通过此假设才能得到微元体的起始条件，再继续进行计算。
每一段指若干微元段，计算公式为推导得出的微分方程组，是用来计算冷却塔内部的传热传质情况的，目的是计算蒸发损失以及冷却数。
空气含湿量的计算公式如下：
；
空气焓值的计算公式如下：
；
其中，η为相对湿度，为水的比热，ω为每一小段微分单元的空气含湿量，t为每一小段微分单元的冷却水进口温度，q为冷却水的质量，dt为每一小段微分单元的冷却水进出口温度之差，/>为与水温相对应的饱和空气含湿量，G为风量，/>为与水温对应的饱和空气焓值，γ为水的蒸发潜热，/>为空气的饱和含湿量，/>为空气的饱和焓值；/>为路易斯数，表示传质与传热的比例常数，具体值为：/>。
再将计算得到的出塔空气含湿量作为新一次迭代的起始条件重新进行计算，直到求得的计算得到的出塔空气含湿量与假设的空气含湿量之差满足求解精确度，然后通过积分的方法得到冷却数：
式中，t1为入塔水温，t2为出塔水温。
通过改变入塔风量来调整气水比，使N1与N2之差满足精确度，同时得到纯湿式运行下的蒸发损失。
步骤S6：根据相对节水率计算干湿联合冷却塔的蒸发损失，假设干湿联合冷却塔的干湿比δ，得到干湿联合冷却塔干段的热负荷/>以及干段的出塔水温/>。
步骤S7：进行干湿联合冷却塔干段的传热计算，求解得到翅片管长度。
具体的计算过程图3所示：
假设翅片管的长度L0，根据翅片管箱整体长度参数与通风速度确定通风风量，W为翅片管箱中翅片管数量，V为通风速度，再根据热负荷，通过能量守恒方程得到出塔空气温度/>，其中ca为空气的比热；以入塔出塔的空气温度以及水的温度的平均值作为参考值，查空气与水的性质表得到空气与水的性质参数，包括水的密度、比热、动力粘度、普朗特数、导热系数、空气的密度。
传热系数在可以进行实验的前提下采用实验得到的传热系数计算，如无实验数据，可依照下面的计算过程估算：
由空气的性质参数与翅片管的结构参数得到管外对流传热系数，，其中，/>为空气的导热系数，Db为翅片管外径，ρ为空气密度，vmax为空气在翅片管束最窄处的流速，m为空气的动力粘度，P为翅片的间距，T为翅片的厚度，Df为翅片的外径，Pra为空气的普朗特数。
由水的性质参数与水的流速得到翅片管内对流传热系数，其中/>为水的导热系数，Di为翅片管内径，Re为水的雷诺数，Prw为水的普朗特数。
再计算翅片管的总传热系数其中，Ro，Ri，Rw分别为管外污垢，管内污垢，管壁的热阻，β为翅片管的翅化比。
求得翅片管换热面积，其中Tln为对数平均温度；接着求得翅片管长度/>，其中n1为管排数，n2为每排管子数，将计算得到的翅片管长度L与假设的翅片管长度L0进行比较，如果相差过大则重新假设翅片管长度进行计算，直到满足精确度。
步骤S8：进行非夏季的蒸发损失计算，为计算全年蒸发损失做准备。
此时冷却塔干段湿段同时运行，干段的计算过程如图4所示,先计算传热单元数其中，Cmin为空气与水的热容流率中的较小值，A为换热面积，再计算换热效能，其中，e为自然常数，C为空气与水的热容流率中的较小值与较大值的比值，通过换热效能计算干段出塔空气温度/>与湿段的入塔水温；t4替代t1再根据步骤S5求解湿段的蒸发损失与空气出塔状态参数。
步骤S9：进行夏季的蒸发损失计算，为计算全年蒸发损失做准备，此时冷却塔只运行湿段冷却，入塔水温为t1，求解方法同步骤S5。
步骤S10：进行蒸发损失的校核，判断是否满足节水率的要求：将步骤S8与步骤S9计算得到的蒸发损失求和得到全年的蒸发损失qy，与干湿联合冷却塔的蒸发损失qn进行比较，若计算qy>qn,不满足节水率的要求，则增大η，返回步骤S6进行计算。
步骤S11：进行消雾计算，判断是否满足冷却塔的消雾要求：结合干段、湿段的出塔空气状态参数，通过质量守恒与能量守恒定律，求解混合后的空气风量、空气温度与含湿量，然后通过作图法判断混合后的空气参数与外部空气参数在温湿图上是否与饱和空气线有交点，输出求解结果。
步骤S12：阻力计算和风机选型：先计算干湿联合冷却塔的总阻力其中/>为个各部件的阻力系数，/>为空气流经各个部件的空气密度，/>空气流经各个部件的空气流速，结合步骤S11求得的混合后的空气风量进行风机选型。
步骤S13：输出设计结果，包括干湿比、翅片管长度、全年蒸发损失、风机风量、出塔空气温度、含湿量以及消雾效果图。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好的说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (4)

1.一种干湿联合冷却塔的设计方法，其特征在于：所述方法是将全年蒸发损失qy与干湿联合冷却塔的蒸发损失qn进行比较，若计算qy>qn,不满足节水率的要求，则增大相对湿度η；
若满足节水率要求，则进行消雾计算，判断是否满足冷却塔的消雾要求；以及进行阻力计算和风机选型，最后输出设计结果；
全年蒸发损失qy为非夏季的蒸发损失和夏季的蒸发损失求和得到，计算非夏季的蒸发损失时冷却塔干段湿段同时运行，通过干段的换热效能得到干段的出塔空气温度和湿段的入塔水温，再进行湿段蒸发水损失计算；计算夏季的蒸发损失时冷却塔只运行湿段冷却，进行湿段蒸发水损失计算；
通过迭代法进行冷却塔纯湿段情况下的全年蒸发水损失计算，具体做法为：为了求解空气与水状态参数的微分方程组，将塔内的冷却水温度沿着水的流向分为若干个小的微分单元，假设出塔空气含湿量ωo，根据质量守恒得到水的出塔质量，通过传热传质微分方程微分得出每一段微分单元的空气含湿量与空气焓值，直到重新计算得到出塔空气含湿量，为下一次的迭代条件做好准备；
所述方法包括以下步骤：
步骤S1：确定环境气象条件，给定计算的初始空气条件；
环境气象条件包括：全年的环境大气压Pa、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φi、干球温度对应饱和蒸汽分压pθ、进塔空气含湿量ωi、进塔空气焓值hi、进塔湿空气密度ρi；
步骤S2：确定冷却任务与节水任务，给定冷却塔的设计要求；
冷却任务包括：单塔冷却循环水量q、循环水进塔水温t1，出塔水温t2；节水任务包括：相对节水率ε；
步骤S3：确定翅片管结构与操作参数以及塔的结构参数；
步骤S4：确定填料性能参数；
所述方法还包括以下步骤：
步骤S5：进行冷却塔纯湿段情况下的全年蒸发水损失计算，给定进行干湿联合节水设计前的水损失；
假设湿段气水比λ，通过热力性能参数得到特性数，其中A,n均为冷却塔的填料热力性能参数；
空气含湿量的计算公式如下：
；
空气焓值的计算公式如下：
；
其中，η为相对湿度，为水的比热，ω为每一小段微分单元的空气含湿量，t为每一小段微分单元的冷却水进口温度，q为冷却水的质量，dt为每一小段微分单元的冷却水进出口温度之差，/>为与水温相对应的饱和空气含湿量，G为风量，/>为与水温对应的饱和空气焓值，γ为水的蒸发潜热，/>为空气的饱和含湿量，/>为空气的饱和焓值；/>为路易斯数，表示传质与传热的比例常数，具体值为：/>；
将计算得到的所述空气含湿量作为新一次迭代的起始条件重新进行计算，直到求得的计算得到的出塔空气含湿量与假设的空气含湿量之差满足求解精确度，然后通过积分的方法得到冷却数：
式中，t1为入塔水温，t2为出塔水温；
通过改变入塔风量来调整气水比，使N1与N2之差满足精确度，同时得到纯湿式运行下的蒸发损失；
步骤S6：根据相对节水率计算干湿联合冷却塔的蒸发损失，假设干湿联合冷却塔的干湿比δ，得到干湿联合冷却塔干段的热负荷/>以及干段的出塔水温/>；
所述方法还包括以下步骤：
步骤S7：进行干湿联合冷却塔干段的传热计算，求解得到翅片管长度，翅片管长度计算的包括以下步骤：
获得传热系数；
传热系数在进行实验的前提下采用实验得到的传热系数计算，若无实验数据，依照如下的计算过程估算：
由空气的性质参数与翅片管的结构参数得到管外对流传热系数，，其中，/>为空气的导热系数，Db为翅片管外径，ρ为空气密度，vmax为空气在翅片管束最窄处的流速，m为空气的动力粘度，P为翅片的间距，T为翅片的厚度，Df为翅片的外径，Pra为空气的普朗特数；
由水的性质参数与水的流速得到翅片管内对流传热系数，其中为水的导热系数，Di为翅片管内径，Re为水的雷诺数，Prw为水的普朗特数；
再计算翅片管的总传热系数其中，Ro，Ri，Rw分别为管外污垢、管内污垢、管壁的热阻，β为翅片管的翅化比；
步骤S8：进行非夏季的蒸发损失计算，为计算全年蒸发损失做准备；
此时干段湿段同时运行，先计算传热单元数其中，Cmin为空气与水的热容流率中的较小值，A为换热面积，再计算换热效能/>，其中，e为自然常数，C为空气与水的热容流率中的较小值与较大值的比值；通过换热效能计算干段出塔空气温度与湿段的入塔水温/>；t4替代t1再根据步骤S5求解湿段的蒸发损失与空气出塔状态参数；
步骤S9：进行夏季的蒸发损失计算，为计算全年蒸发损失做准备，此时只运行湿段冷却，入塔水温为t1，求解方法同步骤S5；
步骤S10：进行蒸发损失的校核，判断是否满足节水率的要求：将步骤S8与步骤S9计算得到的蒸发损失求和得到全年的蒸发损失qy，与干湿联合冷却塔的蒸发损失qn进行比较，若计算qy>qn,则增大η，返回步骤S6进行计算。
2.如权利要求1所述的一种干湿联合冷却塔的设计方法，其特征在于：所述翅片管长度计算还包括以下步骤：
求得翅片管换热面积，其中Tln为对数平均温度；接着求得翅片管长度，其中n1为管排数，n2为每排管子数，将计算得到的翅片管长度L与假设的翅片管长度L0进行比较，如果相差过大则重新假设翅片管长度进行计算，直到满足精确度。
3.如权利要求2所述的一种干湿联合冷却塔的设计方法，其特征在于：所述方法还包括以下步骤：
步骤S11：进行消雾计算，判断是否满足冷却塔的消雾要求：结合干段、湿段的出塔空气状态参数，通过质量守恒与能量守恒定律，求解混合后的空气风量、空气温度与含湿量，然后通过作图法判断混合后的空气参数与外部空气参数在温湿图上是否与饱和空气线有交点，输出求解结果；
根据翅片管箱整体长度参数与通风速度确定通风风量，W为翅片管箱中翅片管数量，V为通风速度，再根据热负荷，通过能量守恒方程得到出塔空气温度。
4.如权利要求3所述的一种干湿联合冷却塔的设计方法，其特征在于：所述方法还包括以下步骤：
步骤S12：阻力计算和风机选型：先计算干湿联合冷却塔的总阻力其中为个各部件的阻力系数，/> 为空气流经各个部件的空气密度，/>空气流经各个部件的空气流速 ，结合步骤S11求得的混合后的空气风量进行风机选型。
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