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蒸發(fā)式冷卻塔的合理排布是大型制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要的內(nèi)容,冷卻塔在運(yùn)行時(shí)需要大量空氣, 工程設(shè)計(jì)中既要周圍有充足的空間來(lái)滿足冷卻塔的熱工要求, 又要考慮減小對(duì)周邊環(huán)境的影響, 這兩者如何能有機(jī)結(jié)合是冷卻塔設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在,。

工程概況

本工程位于上海市中心, 由兩棟超高層塔樓、一棟高層酒店以及配套裙房組成, 裙房共6 層, 連接兩棟塔樓,。共有14 臺(tái)蒸發(fā)式冷卻塔設(shè)置在裙房屋面, 單臺(tái)散熱量為1784 kw( 高速) / 1070 kw( 低速) , 排風(fēng)量為118 m3 /s, 循環(huán)水量為300 l/s,設(shè)備a 聲級(jí)噪聲為75db,。

冷卻塔布置的設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目冷卻塔系統(tǒng)的特點(diǎn)是:

1) 設(shè)備數(shù)量眾多, 但排布空間有限;

2) 蒸發(fā)式冷卻塔需要大量進(jìn)、排風(fēng), 為滿足制冷效果需減小空氣回流的影響;

3) 機(jī)組運(yùn)行噪聲高, 需限制其對(duì)周邊建筑的影響;

4) 排熱量高, 需防止產(chǎn)生大量的“白煙”( 飄逸的水汽) ,。上述幾點(diǎn)之間相互關(guān)聯(lián)又互相制約, 下面就以如何合理解決以上幾點(diǎn)的思路來(lái)進(jìn)行論述,。

解決空氣回流,、干擾問(wèn)題

濕空氣對(duì)冷卻塔的影響分為回流和干擾兩部分, 回流是指從冷卻塔排出的熱濕空氣混入冷卻塔的進(jìn)風(fēng)中, 干擾是指進(jìn)塔空氣中混入部分其他塔中排出的熱濕空氣。這兩種情況都將使進(jìn)入塔內(nèi)空氣的比焓增加, 冷卻塔本身的冷卻效果降低,。為限度地減少回流, 就要綜合考慮周圍的建筑,、機(jī)組自身性能和主導(dǎo)風(fēng)向等多種因素。

1.模型建立

為滿足整個(gè)項(xiàng)目制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求, 在工程設(shè)計(jì)中對(duì)屋面冷卻塔室內(nèi)通風(fēng)速度場(chǎng)分布和室外周邊環(huán)境進(jìn)行了cfd 模擬計(jì)算, 以工藝性通

風(fēng)設(shè)計(jì)的合理性,。

1. 1 模擬計(jì)算選用airpak 數(shù)值軟件, 模擬工況分為: 1) 在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí), 冷卻塔室內(nèi)速度場(chǎng),、壓力場(chǎng)分布; 2) 室外風(fēng)環(huán)境以及冷卻塔所在建筑整體進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)是否存在回流、干擾現(xiàn)象,。

1. 2 模擬工況模型,、模擬參數(shù)的設(shè)置。圖1, 2 為14 臺(tái)冷卻塔參照cad 圖搭建的設(shè)計(jì)工況下cfd 模擬計(jì)算用的物理模型,。

表1 為模擬參數(shù), 參照有關(guān)冷卻塔進(jìn),、出風(fēng)口壓差計(jì)算值, 并考慮消聲器、防 “白煙”盤(pán)管對(duì)冷卻塔性能的影響后, 以冷卻塔1 為例, 設(shè)定進(jìn),、排風(fēng)口參數(shù),。

2 模擬計(jì)算結(jié)果

1) 通過(guò)對(duì)冷卻塔室內(nèi)通風(fēng)速度場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算, 在設(shè)計(jì)工況( 風(fēng)量118m3 /s) 下, 同時(shí)考慮了各種可能的因素對(duì)冷卻塔性能的影響, 發(fā)現(xiàn)冷卻塔運(yùn)行性能可達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2) 在考慮了室外氣象條件和建筑周邊環(huán)境后, 發(fā)現(xiàn)由于冷卻塔通風(fēng)系統(tǒng)中排風(fēng)口( 正壓) 與進(jìn)風(fēng)口( 負(fù)壓) 之間存在壓力差, 同時(shí)受到室外風(fēng)環(huán)境的影響, 在進(jìn),、排風(fēng)口之間易發(fā)生氣流回流現(xiàn)象,。氣流回流量與進(jìn)、排風(fēng)口之間的壓差成正比, 與阻力成反比, 即q = f (△p /λ) ,。若壓差改變, 或改變風(fēng)口之間的沿程或局部阻力λ, 氣流回流量q將隨之變化,。由表2 測(cè)試結(jié)果可知, 回流量受室外氣象條件和建筑周邊環(huán)境的影響明顯, 需要加大出風(fēng)口的風(fēng)速和調(diào)整出風(fēng)口風(fēng)向。

3 改進(jìn)方法

如果加大出風(fēng)口的風(fēng)速, 設(shè)備的功率將進(jìn)一步提高, 消聲器也將增大, 這樣冷卻塔的效率就沒(méi)法; 由于空間有限, 調(diào)整出風(fēng)口風(fēng)向也較難實(shí)現(xiàn),。

終設(shè)計(jì)采用了取消進(jìn)風(fēng)消聲器, 更改出口消聲器為錐形出口消聲器, 同時(shí)再增加一個(gè)進(jìn)風(fēng)面的方法來(lái)解決這一矛盾,。進(jìn)風(fēng)消聲器的取消雖然增大了一些室內(nèi)場(chǎng)的噪聲,但是卻使兩臺(tái)設(shè)備之間有了更大的進(jìn)風(fēng)空間, 從而了進(jìn)風(fēng), 同時(shí)也避免了進(jìn)一步增大風(fēng)機(jī)功率。錐形出口消聲器使出風(fēng)更具流線性, 排出的空氣高于周邊建筑和設(shè)備, 使回流減至少,。增加一個(gè)進(jìn)風(fēng)面使得室外場(chǎng)的空

氣能更均勻地進(jìn)入室內(nèi)場(chǎng), 減少形成渦流的可能性,。圖3 是14 臺(tái)冷卻塔改進(jìn)后cfd 模擬計(jì)算用的物理模型。表3 為改進(jìn)后的邊界條件設(shè)置,。表4 為改進(jìn)后的測(cè)試結(jié)果,。

4解決對(duì)周邊建筑的噪聲問(wèn)題

冷卻塔噪聲的產(chǎn)生取決于該建筑的空調(diào)負(fù)荷以及室外的濕球溫度,設(shè)計(jì)選擇了上海氣象站7月份的氣候資料, 此月是溫度、空調(diào)負(fù)荷的階段,。

4. 1 共有14 臺(tái)風(fēng)機(jī), 每臺(tái)帶有3 個(gè)雙速電動(dòng)機(jī),依據(jù)建筑空調(diào)負(fù)荷和濕球溫度的變化, 有幾種高,、低速風(fēng)機(jī)的組合方式, 為盡量減少能源消耗和達(dá)到較低的噪聲級(jí)別, 有效的控制方法是先啟動(dòng)足夠多的風(fēng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)直到滿足要求的回水溫度為止,如果溫度再升高, 就再開(kāi)啟1 臺(tái)風(fēng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)所有風(fēng)機(jī)都低速運(yùn)行仍然不能滿足空調(diào)負(fù)荷要求時(shí), 則每次轉(zhuǎn)換1 臺(tái)風(fēng)機(jī)到高速運(yùn)行, 直到滿足要求為止,。

4. 2 在按照上述程序操作下, 計(jì)算了冷卻塔對(duì)周邊建筑的噪聲影響程度, 圖4 為冷卻塔的整體位置相對(duì)于周邊建筑的示意圖,。

4. 2. 1 在白天, 設(shè)計(jì)分析的是不利情況( 即所有冷卻塔的風(fēng)扇都高速運(yùn)行) , 接近b 點(diǎn)的是8# ,9# , 10# 冷卻塔, 其余設(shè)備對(duì)于a-b 面敏感區(qū)域的噪聲影響都不大,。綜合考慮進(jìn)風(fēng)面的位置后發(fā)現(xiàn), 9# 冷卻塔對(duì)a-b 面的影響,。b 點(diǎn)離冷卻塔近的水平距離為17 m, 當(dāng)冷卻塔全部高速運(yùn)行時(shí), 到達(dá)b 點(diǎn)豎直平面的噪聲模擬值見(jiàn)表5,。

4. 2. 2 與b 點(diǎn)的研究狀況一樣, 白天1# , 2# , 3# 冷卻塔對(duì)d-e 面的影響, d 點(diǎn)離冷卻塔近的水平距離為14.5 m, 當(dāng)冷卻塔全部高速運(yùn)行時(shí), 到達(dá)d 點(diǎn)豎直平面的噪聲模擬值見(jiàn)表6。

4. 2. 3 上海在7 月晚間的濕球溫度為25. 3 ,假定夜間建筑的空調(diào)負(fù)荷率為83. 1% , 計(jì)算可知14 臺(tái)風(fēng)機(jī)都要運(yùn)行, 其中1 臺(tái)高速運(yùn)行, 其余都低速運(yùn)行,。為了盡量減少夜間噪聲, 選擇5# 冷卻塔高速運(yùn)轉(zhuǎn),。夜晚到達(dá)b點(diǎn)、d 點(diǎn)的噪聲模擬值見(jiàn)表7,。

根據(jù)城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn), 本項(xiàng)目已達(dá)到城市2 類標(biāo)準(zhǔn)的要求, 同時(shí)也滿足了設(shè)計(jì)要求,。

5解決防“白煙”問(wèn)題

所謂“白煙”是由于冷卻塔內(nèi)的空氣與冷卻水經(jīng)過(guò)熱質(zhì)交換后, 溫度和濕度都比較高, 在冬季、雨季和濕度較高的黃梅季節(jié), 高熱濕的空氣排出塔外時(shí)被外界空氣冷卻, 冷凝而產(chǎn)生很多液滴, 形成白霧( 仿佛是“白煙”) , 大量的白霧出現(xiàn)會(huì)使周邊人群產(chǎn)生恐慌心理, 更為嚴(yán)重的可能會(huì)造成“降雪”,。

5. 1“白煙”產(chǎn)生的原因和解決辦法“白煙”產(chǎn)生的原理如圖5 所示, 1 為外界空氣狀態(tài)點(diǎn), 2 為冷卻塔排出空氣狀態(tài)點(diǎn), 3 為混合后的狀態(tài)點(diǎn),。如果點(diǎn)3 出現(xiàn)在飽和區(qū), 則水蒸氣冷凝生成白霧, 出現(xiàn)“白煙”現(xiàn)象。若混合過(guò)程線不與飽和線相交, 至少應(yīng)確保點(diǎn)3 與飽和線相切( 如圖6 所示) , 則不出現(xiàn)“白煙”現(xiàn)象,。為實(shí)現(xiàn)這種效果就需要提高點(diǎn)2 的溫度, 這就需要在排風(fēng)處增設(shè)加熱盤(pán)管,。

5. 2 防“白煙”的熱工計(jì)算

模擬計(jì)算選擇在不利條件下進(jìn)行, 室外空氣溫度tw = 5 ℃ , 相對(duì)濕度100% , 室外空氣在塔內(nèi)經(jīng)過(guò)傳熱傳質(zhì)過(guò)程被加熱, 成為低溫高濕的空氣, 此時(shí)的空氣參數(shù)t1=19. 6 ℃, 相對(duì)濕度100% 時(shí)對(duì)應(yīng)的比焓h1 = 56 kj/ kg。經(jīng)模擬計(jì)算, 為防止“白煙”現(xiàn)象出現(xiàn), 需把出風(fēng)空氣溫度提高至t2 = 30. 3 ℃ , 當(dāng)相對(duì)濕度為53% 時(shí),比焓h2 = 66. 7 kj/ kg ,。單臺(tái)冷卻塔的排風(fēng)量118. 3 m3/ s, 模擬計(jì)算冷卻塔出口空氣溫升△t= 30. 3 ℃ - 19. 6℃= 10. 7 ℃ , 需要的加熱量q= ( 66. 7 kj/ kg- 56. 0 kj/ kg ) × 118. 8 m3 / s×1. 223 kg /m3 = 1 554 kw,。項(xiàng)目選用冷卻塔的循環(huán)水飄逸率控制在0. 001% 以下, 即冷卻塔出口含液態(tài)水量l = 300 l/ s × 0. 000 01= 0. 003l/ s( 0. 003 kg/ s) 。此部分水量是以液態(tài)形式存在的水汽, 在盤(pán)管加熱升溫過(guò)程中有液- 氣相變,是需要考慮潛熱的, 潛熱量q1 = 0. 003 kg / s×2 256 kj/ kg= 6. 758 kw, 其中2 256 kj/ kg 為水的汽化潛熱, 因此冷卻塔出口空氣理論溫升為△t`= ( q- q1 ) / 1. 01g = ( 1 554 kw - 6. 758kw) / [ 118. 3 m3/ s ×1. 223 kg/ m3 × 1. 01 kj/( kg·℃ ) ] = 10. 59℃,。結(jié)果顯示, 理論計(jì)算的溫升與模擬計(jì)算相吻合,。

5. 3 采取防“白煙”措施后的效果加熱盤(pán)管采用的熱源為鍋爐房熱水, 進(jìn)/ 出水溫度為60℃ / 50 ℃ , 就目前系統(tǒng)運(yùn)行情況分析, 這部分熱量還沒(méi)有有效的回收方法, 但是考慮到本工程所處地理位置、工程本身的影響力以及“白煙”產(chǎn)生后的不良后果等因素, 在必要的時(shí)間段都將開(kāi)啟熱盤(pán)管,。由于熱盤(pán)管是設(shè)在冷卻塔的出風(fēng)口, 所以系統(tǒng)的風(fēng)阻和風(fēng)機(jī)功率都略有增加, 磨頭但從運(yùn)行效果看, 在避免產(chǎn)生“白煙”現(xiàn)象的同時(shí), 都能滿足設(shè)計(jì)要求,。

6 結(jié)語(yǔ)

冷卻塔的布置對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行和周邊的建筑都會(huì)產(chǎn)生較大的影響,尤其是在大型工程中, 在建筑環(huán)境有限的情況下, 需要通過(guò)各方面的論證比較, 同時(shí)輔以較為詳細(xì)的計(jì)算來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的滿意結(jié)果。