一种冷却塔出水温度的预测方法

一种冷却塔出水温度的预测方法

摘要：为了寻找一种冷却塔出水温度的预测方法，文章利用的热焓平衡方程简化出一个用以描述冷却塔在不同工况下运行的数学模型，在此模型中输入重庆地区空调季逐时的气象数据，对冷却塔的出水温度进行了模拟，通过对模拟结果进行统计分析，得出了一个冷却塔进水温度、室外湿球温度决定出水温度的关系式。这个关系可以用来预测在不同室外气象条件下冷却塔出水温度。

关键词：冷却塔；热焓平衡方程；出水温度预测

冷却塔是利用水和空气接触,通过蒸发作用散去制冷空调中所产生的热量的一种设备。理想化的冷却塔的最低出水温度等于室外空气的湿球温度,根据湿球温度的定义，湿球温度越低，冷却塔提供的换热面积越大。冷却塔的运行性能也就越好。对不同气象条件下对冷却塔的出水温度进行预测，在空调系统的节能控制中起着非常关键的作用，需要寻找一种简便可行的，满足工程精度需求的冷却塔出水温度的预测方法。

1冷却塔模型建立

由于冷却塔内的热量、质量交换的复杂性，影响冷却塔运行的因素很多，国内外很多研究学者提出了多种计算方法。考虑实际应用中的主要形式，文章主要讨论逆流式冷却塔。1925年，Merkel 首先引用热焓的概念建立了冷却塔的热焓平衡方程，至今它仍是国内外对冷却塔进行热工计算所采用的主要方法，称其为“焓差法”。文章对冷却塔的运行模型就是基于“焓差法”所建立的一个描述冷却塔换热过程的模型，通过输入气象参数，来预测空调季节不同气象条件下冷却塔的运行状态。

由Merkel 的热焓平衡方程最终可以推导出式（1）、式（2），它表达了冷却塔的冷却能力和散热需求之间的匹配关系。

N=■■■ （1）

N’=?茁x■ （2）

N为一个无量纲数，我们通常定义为冷却数，代表着对冷却塔的散热需求。N’被称之为冷却塔特性数，冷却数表示水温从t1降到t2所需要的冷却塔特征数数值，它是由冷却塔的结构特征决定的，代表着冷却塔的冷却能力。冷却塔的运行模型就转化为冷却能力与要求的冷却任务相适应的问题，即冷却塔特性数与冷却塔设计工况下的冷却数相等，即N’=N。由于需经过大量的实验才能获取N’，但是，产品的厂家均给定了冷却能力与一定冷却需求相对应的冷却塔，即利用样本的选型过程，换言之，冷却塔的选型过程，既是N’=N的匹配过程。因此，我们可以将冷却塔运行模型中求解冷却塔的特性系数N’的问题，转换为求解设计

工况下的冷却数N。

2冷却塔特性系数N’的确定

i’’-i与水温t之间的函数关系十分复杂，不能通过积分直接求解，所以考虑采用近似求解方法。在一般的工程应用计算中，精度要求不高，且水在冷却塔内的温降小于15℃时，常用以下两段简化公式计算：

N=■(■+■+■) （3）

i1’’、i2’’、im’’为与水温t1、t2、tm=（t1+t2）/2对应的包和空气焓值，kJ/kg；i1、i2分别为冷却塔中空气进口、出口处的焓，im=（i1+i2）/2。根据空调设计室外气象条件，我们首先对设计状态下的冷却塔特性系数进行计算。根据产品样本，在重庆气象环境下，我们选择一台设计工况为进出水温度37/32℃，干球温度36.5℃，湿球温度27.3℃，大气压力97.32 kPa的冷却塔作为研究对象，根据市场上产品的一般性能，其水汽比?姿为1.1。我们认为所选择的冷却塔特性系数与冷却塔的设计工况下的冷却数与相当，通过计算，可以得到，在设计工况状态下，重庆地区某空调系统冷却塔的特性参数为N’=N=0.707。

3不同工况下冷却塔的出水温度预测

3.1不同工况下冷却塔出水温度的计算

本研究选取了重庆地区空调季节的逐时气象参数，对不同进水温度下，的冷却塔出水温度进行了计算。气象参数选取了重庆6月1日～9月30日的典型气象年的逐时气象数据。由于运算过程复杂且繁琐，所以编制了计算机程序，通过输入不同的气象条件、冷却水在冷却塔的入口温度，进行冷却塔出水温度的模拟计算。

在不同的冷却塔进水温度下，根据重庆典型气象年气象数据，进行的逐时冷却塔出水温度模拟计算。结果可以看出，在29～37℃的进水范围内，冷却塔的出水温度在24.8～33.6℃范围内变化。

3.2冷却塔出水温度的预测

进水温度分别在29、30、31、……、37℃条件下，出水温度和室外空气的湿球温度之间表现出了显著的线性关系，相关系数R2均超过了0.92，在冷却水进口温度t1=29~37℃条件下，冷却塔出口温度t2均可以用室外湿球温度ts表示为：t2=ats+b，其中湿球温度ts=17~31℃。

不同冷却塔进水温度下，冷却塔出水温度和湿球温度关系的回归直线如图1表示。

从以上统计结果可以看出，当进入冷却塔的水温一定时，流出冷却塔水温与

室外湿球温度线性相关。回归方程中斜率a随着进口温度的升高有下降趋势，但斜率a随进口水温的变化率只有0.0038/℃，认为斜率a在空调冷却塔进口水温变化范围内固定不变，取平均值0.350。进口水温与截距b也满足线性关系，相关系数R2为0.9989。可以用b=0.597t1+1.001表示，其中t1=29~37℃。

综上所述，在进一步研究Merkel的冷却塔热焓平衡方程时可以得出这样的结论，在冷却水进口温度t1=29~37℃条件下，冷却塔出口温度t2均可以用室外湿球温度ts和冷却塔进水温度t1表示,其中湿球温度的范围是ts=17~31℃。因此，冷却塔的出口水温t2可由下式表示：t2=0.350ts+0.597t1+1.001。该式子由Merkel 建立的冷却塔热焓平衡方程理论计算分析得出，故也可以看作其推论，用以预测出冷却塔出水温度。在文章中，利用Merkel的焓理论和ε-NTU方法，根据环境空气的湿球温度、质量流量、进水温度等参数模拟迭代出冷却塔在不同工况下的冷却能力，计算结果与文章的研究结果类似。另外将文章的研究结果与冷却塔制造商数据比较，也得到了验证。

4结论

文章得出Merkel冷却塔热焓平衡方程的另外一种应用方式，通过利用数学模型的数据实验，用统计方法得出了用以预测冷却塔出水温度的经验表达式。通过对冷却塔制造商的数据进行比较，结果可以得到验证，说明这样的预测方法可行。

参考文献：

[1] GB/T 50392-2006,机械通风冷却塔工艺设计规范[S].

[2] 李德兴.冷却塔[M].上海:上海科学技术出版社,1981.

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