機(jī)械通風(fēng)逆流冷卻塔節(jié)能降耗設(shè)計(jì)實(shí)例

1、機(jī)械通風(fēng)逆流冷卻塔節(jié)能降耗設(shè)計(jì)實(shí)例 唐燕忠(中國石化集團(tuán)南京設(shè)計(jì)院,江蘇南京210048)摘要:在能源比較緊缺的今天,循環(huán)水站冷卻塔的節(jié)能降耗設(shè)計(jì)顯得十分重要。結(jié)合化工廠循環(huán)水站冷卻塔的設(shè)計(jì),介紹了通過對機(jī)械通風(fēng)逆流冷卻塔的熱力和通風(fēng)阻力的計(jì)算,求得冷卻塔的最佳工藝參數(shù),在滿足正常生產(chǎn)要求的情況下,達(dá)到節(jié)能節(jié)電、取得較好的經(jīng)濟(jì)效益的目的。關(guān)鍵詞:機(jī)械通風(fēng)+逆流冷卻塔;節(jié)能;設(shè)計(jì);熱力;通風(fēng)阻力;計(jì)算中圖分類號: TQ051. 502 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號: 1009 -1904 (2006) 01 -0044 -04 根據(jù)化工工藝提供的水量和當(dāng)?shù)貧庀鬁夭?查找對應(yīng)的冷卻塔樣本選出

2、合適的冷卻塔。如果工程所在地氣象參數(shù)與樣本上的參數(shù)相差不大,則冷卻塔的和焓差動力法兩種方法,目前世界各國工程技術(shù)人員及相關(guān)規(guī)范規(guī)定中,均推薦采用焓差法。應(yīng)用較廣的焓差計(jì)算法又分為三種: 平均焓差法(對數(shù)均值法) ,一般中、小型冷卻塔溫差為615 時(shí),多采用此法計(jì)算; 二次拋物線倒數(shù)積分法; 辛普森近似積分法,當(dāng)大型冷卻塔溫差為6 15 或各種型式的冷卻塔溫差大于15 時(shí),多采用辛普森近似1概述在能源比較緊缺的今天,循環(huán)水站冷卻塔的節(jié)能降耗設(shè)計(jì)顯得十分重要。通常,冷卻塔的選型是選型一般能滿足設(shè)計(jì)要求。但是,如果當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)與樣本上的參數(shù)相差很多,則冷卻塔冷卻能力不夠或者冷卻能力超富余都會造成能量

3、浪費(fèi)。主要問題出在什么地方呢? 原來樣本上成品冷卻塔的運(yùn)行參數(shù)是在標(biāo)準(zhǔn)氣象參數(shù)(干球溫度= 31. 5 ,濕球溫度= 28 ,大氣壓p = 1. 004 ×105 Pa)下,結(jié)合冷卻塔結(jié)構(gòu)、填料的熱力特性和阻力性能,以及配水系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)的選型等綜合情況計(jì)算編制而成的。如果當(dāng)?shù)氐臍庀髤?shù)與樣本上的參考參數(shù)相差懸殊,則選出的冷卻塔就達(dá)不到節(jié)能降耗的目的了。筆者認(rèn)為,要解決這類問題,可以與制造廠聯(lián)合設(shè)計(jì)。首先,我們根據(jù)工藝要求限定塔體的結(jié)構(gòu)、大致尺寸和組合形式;然后制造廠采用工程所在地的氣象參數(shù)、工藝要求的水量及進(jìn)出冷卻塔的溫度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),并做出多種方案;最后,我們對制造廠設(shè)計(jì)的冷卻塔尺

4、寸、構(gòu)造、配用風(fēng)機(jī)、上塔揚(yáng)程等參數(shù)進(jìn)行評估,選擇合適的設(shè)計(jì)方案,并通過熱力和通風(fēng)阻力計(jì)算,來驗(yàn)證所選冷卻塔是否滿足設(shè)計(jì)要求,以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。2冷卻塔驗(yàn)證的基本方程及參數(shù)2. 1熱力計(jì)算 1 、 2 逆流冷卻塔的熱力計(jì)算方法歷來有壓差動力法積分法。平均焓差法由于計(jì)算較簡單,而且精度又能滿足計(jì)算要求(溫差小于15 時(shí), 不超過3% 3. 5%),實(shí)際使用比較普遍。筆者也選用此法進(jìn)行計(jì)算。1、基本方程基于麥克爾焓差方程式基礎(chǔ)上的逆流冷卻塔熱力計(jì)算基本方程如下: XVV1= (1)QKtt12icw-dti令N = K 1 tt12 cwdti-i (2) N =XV V /Q (3) N 稱為

5、交換數(shù)或冷卻數(shù),說明冷卻任務(wù)的大小,與外界氣象數(shù)有關(guān); N 稱為冷卻塔的特性數(shù),表示冷卻塔本身所具有的冷卻能力。當(dāng)N = N 時(shí),即冷卻塔的設(shè)計(jì)能力與生產(chǎn)上所要求的冷卻任務(wù)相匹配,說明選用的冷卻塔是最經(jīng)濟(jì)、合理的。2、冷卻數(shù)N 蒸發(fā)水量帶走的熱量系數(shù)K2 又可表示為cw t2K =1-(4) rt2 當(dāng)焓差i-i取平均值im,冷卻塔進(jìn)、出水溫差t = t1-t2,則(12) 濕球溫度已知?dú)庀髤?shù)如下: 淋水裝置的散熱能力,XV 愈大說明冷卻塔散熱愈干球溫度30. 3 好,塔的體積可以縮小。23. 6 =Agmk qn 可表示為= A gm k qn XV 大氣壓p氣91. 1 kPa ( it

6、1-it2 ) + (i1-i2 )im = (5)it1-i -it22. 3lg it2-i -it1 公式(2)可近似地表示為N = ( 1 / K) (cwt /im ) (6) 冷卻塔進(jìn)、出口空氣的焓的關(guān)系如下: i2= i1+ cwt/ (K) (7) 其中 =3. 6gk/ q (8) 濕空氣的焓計(jì)算公式如下: i= cg+ 0. 622 ( r0+ cq) pq/( p氣-pq) (9) 其中,飽和蒸汽分壓力pq 按下式計(jì)算求解: lgpq =2.0057173-3.142305 (1000/ T -1 000/373. 16) + 8. 2lg(373. 16/ T) -0.

7、0024804 (373.16-T) (10) 相對濕度計(jì)算公式如下: = p -0. 000 662p氣(-) /p (11) 3、特性數(shù)N 淋水裝置的容積散質(zhì)系數(shù)XV 反映了單位體積填料區(qū)以外的部分阻力p2: p2= HZ-p1 風(fēng)機(jī)實(shí)際工況下的全壓p全應(yīng)等于塔總阻力HZ,即p全= HZ,風(fēng)機(jī)實(shí)際工況下的全壓p全與標(biāo)準(zhǔn)工況下的全壓p0 關(guān)系為: p全/m= p0 /0 (18) 風(fēng)機(jī)實(shí)際工況下的風(fēng)量G 與標(biāo)準(zhǔn)工況下的風(fēng)量G0 關(guān)系為: Gm= G00 (19) 3工程設(shè)計(jì)實(shí)例筆者曾經(jīng)做過貴州某大型硫酸裝置一個(gè)清凈循環(huán)水站設(shè)計(jì),其最大水量3 300 m3 /h 。為便于調(diào)節(jié), 運(yùn)行經(jīng)濟(jì),如冬

8、季只開一臺風(fēng)機(jī),設(shè)計(jì)為兩臺塔組合,單塔設(shè)計(jì)冷卻水量是1 650 m3 /h 。塔體梁柱和維護(hù)面板均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),另外由于場地較緊,冷卻塔尺寸要求盡可能小。則特性數(shù)N N hF qF =B gk q m (13) 將式(8)代入式(13)得N =A m (14) 計(jì)算冷卻塔的特性數(shù)N 可采用式(3) 或式(14)均能得到理想的結(jié)果。2. 2通風(fēng)阻力計(jì)算 2 當(dāng)然,在考慮填料熱力性能時(shí),還應(yīng)統(tǒng)籌考慮冷卻塔的阻力性能,以達(dá)到節(jié)能的目的。冷卻塔的通風(fēng)阻力計(jì)算可按下式: H =mv2m/2 (15) 當(dāng)計(jì)算全塔總阻力時(shí), vm 為淋水填料計(jì)算斷面的平均風(fēng)速;當(dāng)計(jì)算冷卻塔的局部阻力時(shí), vm 為該處

9、的計(jì)算風(fēng)速。進(jìn)冷卻塔空氣密度1 可按式(16)計(jì)算2 : 1 = (0. 003 483p氣-0. 001 316pq) /(273+) (16) 冷卻塔阻力系數(shù)一般采用與所設(shè)計(jì)的冷卻塔相同的原型塔的實(shí)測數(shù)據(jù)或相似的模型塔的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。另外,填料的通風(fēng)阻力(包括噴淋區(qū)和尾冷區(qū)) 可根據(jù)填料阻力性能表達(dá)式計(jì)算: p1= hm vm (17) 已知工藝參數(shù)如下: 進(jìn)塔水溫t1 40 出塔水溫t2 32 單塔冷卻水量Q 1 650 m3 /h 3. 1冷卻數(shù)N 的計(jì)算根據(jù)已知?dú)庀蠛凸に噮?shù),計(jì)算出與N 相關(guān)的參數(shù)如下: K0. 945 i1 75. 6kJ/kg 1 1. 035 kg/m3 it1

10、180. 6 kJ/ kg 0. 58 it2 119. 3 kJ/ kg p 4. 36 kPa im 147. 0 kJ/ kg p 2. 94 kPa 當(dāng)氣水比 =0. 4、0. 5、0. 6、0. 7時(shí),計(jì)算的相應(yīng)N 值如下: =0. 4N =1. 363 =0. 5 N =0. 958 =0. 6 N =0. 822 =0. 7 N = 0. 751 3. 2特性數(shù)N 計(jì)算根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求,筆者選擇了A、B、C三個(gè)冷卻塔制造廠家的產(chǎn)品方案,單塔的相關(guān)參數(shù)見表1。根據(jù)表1 分別計(jì)算出三個(gè)廠家冷卻塔的特性數(shù),見表2。硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程46 S P & BMH RELATED EN

11、GINEER ING 2006 年第1期C 1. 076 1. 209 1. 33 1. 441 繪在同一坐根據(jù)三個(gè)冷卻塔制造廠家的參數(shù)計(jì)算出其冷卻塔的相關(guān)參數(shù)見表3: 標(biāo)圖上,即可得到N N 3. 3N N 曲線圖表3計(jì)算所得的冷卻塔的相關(guān)參數(shù)表1廠家提供的冷卻塔的相關(guān)參數(shù)廠家項(xiàng)目名稱A BC 冷卻塔平面尺寸/m 9.5 ×9.5 9.4 ×9.4 11 ×11 淋水面積/m2 90. 25 88. 36 121. 0 淋水密度/m3 m-2 h-1 18. 28 18. 67 13. 64 填料名稱復(fù)合波斜波雙重波填料高度h /m 1.5 1.0 1.5 XV

12、 = XV = N = 填料熱力特性1 754g 0k. 55 q 0. 42 2180g 0k. 39 q 0.62 1.7350. 521 塔總阻力系數(shù)/1 48 51 52 風(fēng)機(jī)葉輪直徑/m 6.0 6.0 7.0 設(shè)計(jì)風(fēng)量/m3 h-1 65.4 ×104 90. 0 ×104 100. 0 ×104 電動機(jī)功率/kW 45 45 75 表2三個(gè)廠家冷卻塔的特性數(shù)N 的計(jì)算值1 廠家/1 0.4 0.5 0.6 0.7 A 1. 455 1. 656 1. 841 2. 032B 0. 956 1. 048 1. 115 1. 183圖3C廠冷卻塔的N N

13、 曲線根據(jù)設(shè)計(jì)風(fēng)量、工作點(diǎn)氣水比及空氣和水的計(jì)算密度計(jì)算出冷卻水量如下: 廠家氣水比冷卻水量A 0. 395 1 713. 6 m3 / h B 0. 480 1 940. 0 m3 / h C 0. 435 2 379. 0 m3 / h 3. 4通風(fēng)阻力的計(jì)算以為基礎(chǔ),把計(jì)算得到的N 和N 曲線圖。N、N 兩條曲線的交點(diǎn)G即為該塔的工作點(diǎn)。A、B、C三家廠的冷卻塔N N 曲線圖分別見圖1、圖2、圖3。圖1A廠冷卻塔的N N 曲線廠家ABC 填料斷面平均風(fēng)速/ms-1 2.01 2.83 2.30 塔總阻力/Pa 100. 4 211. 3 142. 4 風(fēng)機(jī)實(shí)際工況下全壓/Pa 100.

14、4 211. 3 142. 4 風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)工況下全壓/Pa 116. 5 245. 0 165. 1 風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)工況下風(fēng)量/m3 h-1 56.4 ×104 77. 6 ×104 86. 3 ×104 根據(jù)淋水密度q = 18. 28 m3 / (m2 h)和A廠提供的相關(guān)系數(shù),計(jì)算出 = -2. 0893 ×10 -4 q 2 + 3. 628 ×10 -2 q + 0. 538 = 1. 132 = -9. 3561 ×10 -4 q 2 -7. 3379 ×10 -3 q + 1. 953 = 1. 505 從而可計(jì)算出填

15、料的通風(fēng)阻力p1 = 49. 25 Pa, 占塔總阻力HZ 的42. 2%,滿足了一般填料通風(fēng)阻力(包括噴淋區(qū)和尾冷區(qū))占塔總阻力40% 70% 的要求。3. 5分析比較從上述計(jì)算結(jié)果可知,如果不考慮通風(fēng)阻力因素而僅從熱力學(xué)角度來說,A 、B、C三個(gè)廠家的單臺冷卻塔的冷卻水量均大于1 650 m3 /h, 符合設(shè)計(jì)要求,且A廠冷卻水量最接近設(shè)計(jì)值。但只有A、C兩家廠的冷卻塔風(fēng)機(jī)能夠同時(shí)滿圖2B廠冷卻塔的N N 曲線足風(fēng)量和風(fēng)壓的要求。而B 廠冷卻塔的風(fēng)機(jī)只能滿足風(fēng)量而無法滿足風(fēng)壓的要求,其原因是風(fēng)量和風(fēng)速設(shè)計(jì)過大,阻力太大,因而不符合設(shè)計(jì)要求。進(jìn)一步比較A 廠和C廠的冷卻塔參數(shù)可知, C 廠的

16、冷卻塔冷卻水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)值,塔的體積也偏大,不適合在場地較緊的地方布置,同時(shí)也不節(jié)能,因此不予考慮。通過初步比較,筆者傾向選擇A 廠冷卻塔。當(dāng)然,選冷卻塔時(shí)考慮的因素還有很多,如塔內(nèi)配水系統(tǒng)、上塔揚(yáng)程大小等。A 廠的冷卻塔采用管槽結(jié)合配水系統(tǒng),上塔揚(yáng)程比B、C廠的低2 3 m , 可節(jié)省一部分循環(huán)水泵的能耗。且A 廠冷卻塔配水系統(tǒng)噴頭是上噴的,這樣可以使噴出的水滴在塔內(nèi)停留足夠的時(shí)間與冷空氣進(jìn)行充分的接觸和熱交換,同時(shí)也減小了對氣流的阻力。A廠冷卻塔采用雙面進(jìn)風(fēng),進(jìn)風(fēng)口不設(shè)百葉窗, 減小了氣流阻力;進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為3. 6 m / s,填料斷面平均風(fēng)速為2. 01 m / s, 進(jìn)風(fēng)深度與進(jìn)風(fēng)高

17、度比為1. 8,符合要求(小于2. 0) 。為防止水滴過多地被風(fēng)吹出塔外,在進(jìn)風(fēng)口的兩側(cè)、集水池的頂部設(shè)有1. 5 m寬的回水臺;在集水池的中部平行于兩邊進(jìn)風(fēng)口設(shè)鋼筋混凝土隔墻,隔墻高度從集水池底延伸至填料支撐梁底。這樣,不僅有利于布風(fēng)的均勻性,同時(shí)也有利于塔體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為了讓冷卻水在集水池內(nèi)自由流動,隔墻底部開有長方形人孔,便于塔內(nèi)檢修。通過綜合比較,筆者最終選擇了A 廠冷卻塔, 該塔目前已成功運(yùn)行,各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,現(xiàn)場反映良好。4結(jié)束語通過對機(jī)械通風(fēng)逆流冷卻塔的熱力和通風(fēng)阻力的計(jì)算,求得冷卻塔的最佳工藝參數(shù),優(yōu)化設(shè)計(jì),在滿足正常生產(chǎn)要求的情況下,達(dá)到節(jié)能節(jié)電、取得較好的經(jīng)濟(jì)效益

18、的目的。同時(shí),通過以上計(jì)算分析,筆者感到,雖然計(jì)算過程很繁瑣,遠(yuǎn)不如計(jì)算機(jī)軟件快,但基本上可提供設(shè)計(jì)參考,希望能起到拋磚引玉的作用;同時(shí)為廣大的冷卻塔制造、維護(hù)、管理人員提供參考,并在實(shí)踐中不斷提高冷卻塔的設(shè)計(jì)、制造水平,為經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供更好的服務(wù)。符號說明A、A 、B、m、m 、n與淋水裝置結(jié)構(gòu)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)常數(shù), 1; cg 干空氣的比熱容,可取1. 005 kJ / ( kg) ; cq 蒸汽的比熱容,可取1. 846 kJ / ( kg) ; cw 循環(huán)水的比熱容, kJ / ( kg) ; F淋水面積, m2 ; gk 空氣質(zhì)量流速, gk =m vm , kg/ (m2 s) ; G風(fēng)機(jī)

19、實(shí)際工況下的風(fēng)量, m 3 /h; G0 標(biāo)準(zhǔn)工況下的風(fēng)機(jī)風(fēng)量, m 3 /h; h填料高度, m; H冷卻塔的通風(fēng)阻力, Pa; HZ 塔總阻力, Pa; i1 冷卻塔進(jìn)口空氣焓, kJ / kg; i2 冷卻塔出口空氣焓, kJ / kg; it1 、it2 水溫為t1、t2 時(shí)的飽和空氣焓, kJ /kg; i空氣溫度為時(shí)的濕空氣的焓, kJ /kg; im 平均焓差, kJ / kg; i-i焓差, kJ / kg; K蒸發(fā)水量帶走的熱量系數(shù), 1; N 冷卻塔的冷卻數(shù), 1; N 冷卻塔的特性數(shù), 1; p0 風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)工況下的全壓, Pa; p1 填料的通風(fēng)阻力, Pa; p2 填料區(qū)以外的通風(fēng)阻力, Pa; p全風(fēng)機(jī)實(shí)際工況下的全壓, Pa; p氣大氣壓力, kPa; p空氣溫度為時(shí)的蒸汽分壓, k