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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)計中一項重要的內(nèi)容,冷卻塔在運行時需要大量空氣, 工程設(shè)計中既要周圍有充足的空間來滿足冷卻塔的熱工要求, 又要考慮減小對周邊環(huán)境的影響, 這兩者如何能有機結(jié)合是冷卻塔設(shè)計的關(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 臺蒸發(fā)式冷卻塔設(shè)置在裙房屋面, 單臺散熱量為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 聲級噪聲為75dB。

冷卻塔布置的設(shè)計思路

本項目冷卻塔系統(tǒng)的特點是:

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) 機組運行噪聲高, 需限制其對周邊建筑的影響;

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的思路來進(jìn)行論述。

解決空氣回流、干擾問題

濕空氣對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

為滿足整個項目制冷系統(tǒng)的設(shè)計要求, 在工程設(shè)計中對屋面冷卻塔室內(nèi)通風(fēng)速度場分布和室外周邊環(huán)境進(jìn)行了CFD 模擬計算, 以工藝性通

風(fēng)設(shè)計的合理性。

1. 1 模擬計算選用AirPak 數(shù)值軟件, 模擬工況分為: 1) 在設(shè)計工況下運行時, 冷卻塔室內(nèi)速度場、壓力場分布; 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 臺冷卻塔參照CAD 圖搭建的設(shè)計工況下CFD 模擬計算用的物理模型。

表1 為模擬參數(shù), 參照有關(guān)冷卻塔進(jìn)、出風(fēng)口壓差計算值, 并考慮消聲器、防 “白煙”盤管對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 模擬計算結(jié)果

1) 通過對冷卻塔室內(nèi)通風(fēng)速度場分布進(jìn)行計算, 在設(shè)計工況( 風(fēng)量118m3 /s) 下, 同時考慮了各種可能的因素對冷卻塔性能的影響, 發(fā)現(xiàn)冷卻塔運行性能可達(dá)到設(shè)計標(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法; 由于空間有限, 調(diào)整出風(fēng)口風(fēng)向也較難實現(xiàn)。

終設(shè)計采用了取消進(jìn)風(fēng)消聲器, 更改出口消聲器為錐形出口消聲器, 同時再增加一個進(jìn)風(fēng)面的方法來解決這一矛盾。進(jìn)風(fēng)消聲器的取消雖然增大了一些室內(nèi)場的噪聲,但是卻使兩臺設(shè)備之間有了更大的進(jìn)風(fēng)空間, 從而了進(jìn)風(fēng), 同時也避免了進(jìn)一步增大風(fēng)機功率。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。增加一個進(jìn)風(fēng)面使得室外場的空

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

4解決對周邊建筑的噪聲問題

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 臺風(fēng)機, 每臺帶有3 個雙速電動機,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)機的組合方式, 為盡量減少能源消耗和達(dá)到較低的噪聲級別, 有效的控制方法是先啟動足夠多的風(fēng)機低速運轉(zhuǎn)直到滿足要求的回水溫度為止,如果溫度再升高, 就再開啟1 臺風(fēng)機低速運轉(zhuǎn)。當(dāng)所有風(fēng)機都低速運行仍然不能滿足空調(diào)負(fù)荷要求時, 則每次轉(zhuǎn)換1 臺風(fēng)機到高速運行, 直到滿足要求為止。

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

4. 2. 1 在白天, 設(shè)計分析的是不利情況( 即所有冷卻塔的風(fēng)扇都高速運行) , 接近B 點的是8# ,9# , 10# 冷卻塔, 其余設(shè)備對于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A-B 面的影響。B 點離冷卻塔近的水平距離為17 m, 當(dāng)冷卻塔全部高速運行時, 到達(dá)B 點豎直平面的噪聲模擬值見表5。

4. 2. 2 與B 點的研究狀況一樣, 白天1# , 2# , 3# 冷卻塔對D-E 面的影響, D 點離冷卻塔近的水平距離為14.5 m, 當(dāng)冷卻塔全部高速運行時, 到達(dá)D 點豎直平面的噪聲模擬值見表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% , 計算可知14 臺風(fēng)機都要運行, 其中1 臺高速運行, 其余都低速運行。為了盡量減少夜間噪聲, 選擇5# 冷卻塔高速運轉(zhuǎn)。夜晚到達(dá)B點、D 點的噪聲模擬值見表7。

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

5解決防“白煙”問題

所謂“白煙”是由于冷卻塔內(nèi)的空氣與冷卻水經(jīng)過熱質(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)會使周邊人群產(chǎn)生恐慌心理, 更為嚴(yán)重的可能會造成“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, 2 為冷卻塔排出空氣狀態(tài)點, 3 為混合后的狀態(tài)點。如果點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。若混合過程線不與飽和線相交, 至少應(yīng)確保點3 與飽和線相切( 如圖6 所示) , 則不出現(xiàn)“白煙”現(xiàn)象。為實現(xiàn)這種效果就需要提高點2 的溫度, 這就需要在排風(fēng)處增設(shè)加熱盤管。

5. 2 防“白煙”的熱工計算

模擬計算選擇在不利條件下進(jìn)行, 室外空氣溫度tw = 5 ℃ , 相對濕度100% , 室外空氣在塔內(nèi)經(jīng)過傳熱傳質(zhì)過程被加熱, 成為低溫高濕的空氣, 此時的空氣參數(shù)t1=19. 6 ℃, 相對濕度100% 時對應(yīng)的比焓h1 = 56 kJ/ kg。經(jīng)模擬計算, 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)相對濕度為53% 時,比焓h2 = 66. 7 kJ/ kg 。單臺冷卻塔的排風(fēng)量118. 3 m3/ s, 模擬計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, 在盤管加熱升溫過程中有液- 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, 理論計算的溫升與模擬計算相吻合。

5. 3 采取防“白煙”措施后的效果加熱盤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)運行情況分析, 這部分熱量還沒有有效的回收方法, 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, 在必要的時間段都將開啟熱盤管。由于熱盤管是設(shè)在冷卻塔的出風(fēng)口, 所以系統(tǒng)的風(fēng)阻和風(fēng)機功率都略有增加, 磨頭但從運行效果看, 在避免產(chǎn)生“白煙”現(xiàn)象的同時, 都能滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)語

冷卻塔的布置對空調(diào)系統(tǒng)的運行和周邊的建筑都會產(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, 需要通過各方面的論證比較, 同時輔以較為詳細(xì)的計算來達(dá)到設(shè)計所要求的滿意結(jié)果。

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