冷却塔设计与合理布置

蒸发式冷却塔的合理排布是大型制冷系统设计中一项重要的内容,冷却塔在运行时需要大量空气, 工程设计中既要保证周围有充足的空间来满足冷却塔的热工要求, 又要考虑减小对周边环境的影响, 这两者如何能有机结合是冷却塔设计的关键所在。
工程概况
本工程位于上海市中心, 由两栋超高层塔楼、一栋高层酒店以及配套裙房组成, 裙房共6 层, 连接两栋塔楼。共有14 台蒸发式冷却塔设置在裙房屋面, 单台散热量为1784 kW( 高速) / 1070 kW( 低速) , 排风量为118 m3 /s, 循环水量为300 L/s,设备A 声级噪声为75dB。
冷却塔布置的设计思路
本项目冷却塔系统的特点是:
1) 设备数量众多, 但排布空间有限;
2) 蒸发式冷却塔需要大量进、排风, 为满足制冷效果需减小空气回流的影响;
3) 机组运行噪声高, 需限制其对周边建筑的影响;

4) 排热量高, 需防止产生大量的“白烟”( 飘逸的水汽) 。上述几点之间相互关联又互相制约, 下面就以如何合理解决以上几点的思路来进行论述。

解决空气回流、干扰问题
湿空气对冷却塔的影响分为回流和干扰两部分, 回流是指从冷却塔排出的热湿空气混入冷却塔的进风中, 干扰是指进塔空气中混入部分其他塔中排出的热湿空气。这两种情况都将使进入塔内空气的比焓增加, 冷却塔本身的冷却效果降低。为最大限度地减少回流, 就要综合考虑周围的建筑、机组自身性能和主导风向等多种因素。
1.模型建立
为满足整个项目制冷系统的设计要求, 在工程设计中对屋面冷却塔室内通风速度场分布和室外周边环境进行了CFD 模拟计算, 以保证工艺性通
风设计的合理性。
1. 1 模拟计算选用AirPak 数值软件, 模拟工况分为: 1) 在设计工况下运行时, 冷却塔室内速度场、压力场分布; 2) 室外风环境以及冷却塔所在建筑整体进风和排风是否存在回流、干扰现象。
1. 2 模拟工况模型、模拟参数的设置。图1, 2 为14 台冷却塔参照CAD 图搭建的设计工况下CFD 模拟计算用的物理模型。

表1 为模拟参数, 参照有关冷却塔进、出风口压差计算值, 并考虑消声器、防 “白烟”盘管对冷却塔性能的影响后, 以冷却塔1 为例, 设定进、排风口参数。

2 模拟计算结果
1) 通过对冷却塔室内通风速度场分布进行计算, 在设计工况( 风量118m3 /s) 下, 同时考虑了各种可能的因素对冷却塔性能的影响, 发现冷却塔运行性能可达到设计标准。
2) 在考虑了室外气象条件和建筑周边环境后, 发现由于冷却塔通风系统中排风口( 正压) 与进风口( 负压) 之间存在压力差, 同时受到室外风环境的影响, 在进、排风口之间易发生气流回流现象。气流回流量与进、排风口之间的压差成正比, 与阻力成反比, 即Q = f (△p /λ) 。若压差改变, 或改变风口之间的沿程或局部阻力λ, 气流回流量Q将随之变化。由表2 测试结果可知, 回流量受室外气象条件和建筑周边环境的影响明显, 需要加大出风口的风速和调整出风口风向。

3 改进方法
如果加大出风口的风速, 设备的功率将进一步提高, 消声器也将增大, 这样冷却塔的效率就没法保证; 由于空间有限, 调整出风口风向也较难实现。
最终设计采用了取消进风消声器, 更改出口消声器为锥形出口消声器, 同时再增加一个进风面的方法来解决这一矛盾。进风消声器的取消虽然增大了一些室内场的噪声,但是却使两台设备之间有了更大的进风空间, 从而保证了进风, 同时也避免了进一步增大风机功率。锥形出口消声器使出风更具流线性, 保证排出的空气高于周边建筑和设备, 使回流减至最少。增加一个进风面使得室外场的空
气能更均匀地进入室内场, 减少形成涡流的可能性。图3 是14 台冷却塔改进后CFD 模拟计算用的物理模型。表3 为改进后的边界条件设置。表4 为改进后的测试结果。
4 解决对周边建筑的噪声问题
冷却塔噪声的产生取决于该建筑的空调负荷以及室外的湿球温度,设计选择了上海气象站7月份的气候资料, 此月是温度最高、空调负荷最大的阶段。
4. 1 共有14 台风机, 每台带有3 个双速电动机,依据建筑空调负荷和湿球温度的变化, 有几种高、低速风机的组合方式, 为尽量减少能源消耗和达到较低的噪声级别, 最有效的控制方法是先启动足够多的风机低速运转直到满足要求的回水温度为止,如果温度再升高, 就再开启1 台风机低速运转。当所有风机都低速运行仍然不能满足空调负荷要求时, 则每次转换1 台风机到高速运行, 直到满足要求为止。

4. 2 在按照上述程序操作下, 计算了冷却塔对周边建筑的噪声影响程度, 图4 为冷却塔的整体位置相对于周边建筑的示意图。

4. 2. 1 在白天, 设计分析的是最不利情况( 即所有冷却塔的风扇都高速运行) , 最接近B 点的是8# ,9# , 10# 冷却塔, 其余设备对于A-B 面敏感区域的噪声影响都不大。综合考虑进风面的位置后发现, 9# 冷却塔对A-B 面的影响最大。B 点离冷却塔最近的水平距离为17 m, 当冷却塔全部高速运行时, 到达B 点竖直平面的噪声模拟值见表5。

4. 2. 2 与B 点的研究状况一样, 白天1# , 2# , 3# 冷却塔对D-E 面的影响最大, D 点离冷却塔最近的水平距离为14.5 m, 当冷却塔全部高速运行时, 到达D 点竖直平面的噪声模拟值见表6。

4. 2. 3 上海在7 月晚间的湿球温度为25. 3 ,假定夜间建筑的空调负荷率为83. 1% , 计算可知14 台风机都要运行, 其中1 台高速运行, 其余都低速运行。为了尽量减少夜间噪声, 选择5# 冷却塔高速运转。夜晚到达B点、D 点的噪声模拟值见表7。

根据国家城市区域环境噪声标准, 本项目已达到城市2 类标准的要求, 同时也满足了设计要求。
5 解决防“白烟”问题
所谓“白烟”是由于冷却塔内的空气与冷却水经过热质交换后, 温度和湿度都比较高, 在冬季、雨季和湿度较高的黄梅季节, 高热湿的空气排出塔外时被外界空气冷却, 冷凝而产生很多液滴, 形成白雾( 仿佛是“白烟”) , 大量的白雾出现会使周边人群产生恐慌心理, 更为严重的可能会造成“降雪”。
5. 1“白烟”产生的原因和解决办法“白烟”产生的原理如图5 所示, 1 为外界空气状态点, 2 为冷却塔排出空气状态点, 3 为混合后的状态点。如果点3 出现在饱和区, 则水蒸气冷凝生成白雾, 出现“白烟”现象。若混合过程线不与饱和线相交, 至少应确保点3 与饱和线相切( 如图6 所示) , 则不出现“白烟”现象。为实现这种效果就需要提高点2 的温度, 这就需要在排风处增设加热盘管。

5. 2 防“白烟”的热工计算
模拟计算选择在最不利条件下进行, 室外空气温度tw = 5 ℃ , 相对湿度100% , 室外空气在塔内经过传热传质过程被加热, 成为低温高湿的空气, 此时的空气参数t1=19. 6 ℃, 相对湿度100% 时对应的比焓h1 = 56 kJ/ kg。经模拟计算, 为防止“白烟”现象出现, 需把出风空气温度提高至t2 = 30. 3 ℃ , 当相对湿度为53% 时,比焓h2 = 66. 7 kJ/ kg 。单台冷却塔的排风量118. 3 m3/ s, 模拟计算冷却塔出口空气温升△t= 30. 3 ℃ - 19. 6℃= 10. 7 ℃ , 需要的加热量Q= ( 66. 7 kJ/ kg- 56. 0 kJ/ kg ) × 118. 8 m3 / s×1. 223 kg /m3 = 1 554 kW。项目选用冷却塔的循环水飘逸率控制在0. 001% 以下, 即冷却塔出口含液态水量L = 300 L/ s × 0. 000 01= 0. 003L/ s( 0. 003 kg/ s) 。此部分水量是以液态形式存在的水汽, 在盘管加热升温过程中有液- 气相变,是需要考虑潜热的, 潜热量Q1 = 0. 003 kg / s×2 256 kJ/ kg= 6. 758 kW, 其中2 256 kJ/ kg 为水的汽化潜热, 因此冷却塔出口空气理论温升为△t`= ( Q- Q1 ) / 1. 01G = ( 1 554 kW - 6. 758kW) / [ 118. 3 m3/ s ×1. 223 kg/ m3 × 1. 01 kJ/( kg·℃ ) ] = 10. 59℃。结果显示, 理论计算的温升与模拟计算相吻合。
5. 3 采取防“白烟”措施后的效果加热盘管采用的热源为锅炉房热水, 进/ 出水温度为60℃ / 50 ℃ , 就目前系统运行情况分析, 这部分热量还没有有效的回收方法, 但是考虑到本工程所处地理位置、工程本身的影响力以及“白烟”产生后的不良后果等因素, 在必要的时间段都将开启热盘管。由于热盘管是设在冷却塔的出风口, 所以系统的风阻和风机功率都略有增加, 但从运行效果看, 在避免产生“白烟”现象的同时, 都能满足设计要求。
6 结语
冷却塔的布置对空调系统的运行和周边的建筑都会产生较大的影响,尤其是在大型工程中, 在建筑环境有限的情况下, 需要通过各方面的论证比较, 同时辅以较为详细的计算来达到设计所要求的满意结果。