【文章內容簡介】 寸 300 450 160 塔組尺寸 300 450 170 小結：根據實際尺寸可以得出單塔的長和寬的比例為 2： 1，因此在選型的時候我們選擇了 300*150，而且為了便于組裝，為了讓模型的體積盡量小但是又能起到實驗的目的，我們選擇了 3 個單個冷卻塔來組成冷卻塔組，總長度為 300*450。在選擇時我們起初選擇盆底距水槽高度為 160mm，但由于在布置管道時管道就占據了 20mm，為了保證進風口風 量大約為 1： 1，于是我們又加大了盆底距水槽高度為 170mm。 冷卻系統(tǒng)的配水 配水均勻是冷卻塔設計的關鍵環(huán)節(jié)之一，直接關系到冷卻塔效率、能耗與投資。但冷卻塔的配水問題并沒有得到普遍重視，缺乏系統(tǒng)的理論研究，因此配水成為冷卻塔設計中被弱視的一個環(huán)節(jié)。 實測表明，在配水不均勻的情況下，最大與最小淋水密度之差達 2～ 4 倍，由于配水不均導致的水溫差達 4～ 5℃的現象也曾有過。因此研究冷卻塔的配水均勻性問題，不僅有技術意義而且有經濟和現實意義。但是國內外尚沒有明確的冷卻塔循環(huán)冷 卻系統(tǒng)實驗裝置的優(yōu)化設計 7 管式配水壓力降和配水均勻性計算方法，本文將 從理論分析入手，對其計算方法進行探討，給出明確實用的管式配水壓力降和配水均勻性計算方法 [13]。 用小孔代替噴頭 在實際的冷卻塔配水均勻問題由兩方面問題組成，一是配水噴頭的選擇與布置，二是配水管道的布置與水力計算。前者要解決的是單個噴頭噴濺范圍內噴灑在淋水填料上的水量均勻與否的問題，后者要解決的是淋水面積內全部噴頭的出水量是否趨同的問題。在實際的應用中，二者是相輔相成，缺一不可的，兩者都處理好才能達到配水均勻的目的。但是由于噴頭的布置是相對于大孔而言的，而且流量小時噴頭濺灑不均，因此在模型的制作 中我們的用小孔代替了大孔，從而省略了噴頭，這樣在配水的均勻性上也就更加合理化了，而且省掉了噴頭的流量特性、噴頭的噴灑范圍（噴灑半徑）、噴頭的噴灑均勻性、噴頭的成組布置及其配水均勻性計算等一系列的大量的計算量及其類型選擇，即節(jié)省了經費也省掉了很多的時間，而且使得模型更加的簡約可靠 [14]。 管道的選擇 冷卻塔氣動與熱力計算理論建立的基本假設條件之一即是配水均勻，可見均勻配水的重要性。研究冷卻塔配水就是為了解決配水均勻性的問題，也是冷卻塔設計的關鍵環(huán)節(jié)，直接關系到冷卻塔效率、能耗與投資，但迄今中外冷 卻塔文獻中均無系統(tǒng)、全面、準確的計算方法，很多設計所追求的配水均勻、合理的配水管徑確定基本靠經驗與試驗。配水管道的布置與水力計算，實現了滿足工程要求的配水均勻性、配水管徑和配水壓力的準確計算。 冷卻塔的配水形式一般有：管式配水系統(tǒng)、槽式配水系統(tǒng)、池式配水系統(tǒng)、槽管混合系統(tǒng)等，因池式、槽式配水占去的擋風面積太大、施工與檢修不方便，且水壓力的調節(jié)性及配水的均勻性差，因此近些年被各種塔型普遍采用的配水方式是管式配水系統(tǒng)，因此本文僅以管式配水所涉及的問題進行討論。冷卻塔管式配水系統(tǒng)由配水干管、配水管及配水噴頭組成 [14]。 配水管管徑選用的原則是：達到冷卻塔配水均勻的配水管管徑即是設計管徑。由于水在管路的流動過程中，會慢慢地變少，為了達到節(jié)能的效果，我們本來打算采用漸縮的管道，但是由于模型的尺寸較小，到小管道時沒有合適的管子，在最后的制作過程中通過上述計算我們選擇了管徑為 10mm 的均勻管路，而沒有采用漸縮管。 溢流槽的設計 由于在運行時時，我們發(fā)現當負荷變小時，流量隨著變小會導致水槽內部布水不均，嚴重時還會出現斷流的現象，這樣會影響水在填料上的換熱效率，降低冷卻循環(huán)冷 卻系統(tǒng)實驗裝置的優(yōu)化設計 8 塔性能，因此在設計時我們采用了溢流槽的設計， 這樣不僅解決了連通管帶來的不便而且很好的解決了配水的均勻性，而且還能進一步縮小兩邊供水管道沿程阻力的不平衡率，這樣能在一定程度時保證配水的均勻性，使配水更加的可靠。 填料的設計 填料是冷卻塔的重要組成部分，塔中的冷卻過程，主要是在淋水填料表面進行的。它的主要作用是為增加塔內氣、水接觸面積和時間而設置的裝置。因此，對于填料的選擇，主要有三大選擇標準。一是填料的單位體積的表面積，足夠大的換熱表面積是冷卻塔換熱性能的保證；二是材料的親水性能，親水性能好的材料能使得水在填料表面形成水膜，使得水緩慢的流下，以 加大換熱面積和換熱時間；三是填料對氣流的影響阻力，對于自然通風冷卻塔這個參數尤為重要，因為這將影響塔內空氣流量，進而影響換熱。當然，填料的價格和耐水性等因素也應予以考慮 [11]。大體來說，填料的類型可以分為薄膜式和點滴式： 點滴式常用水平的或傾斜布置的三角形或矩形板條按一定間距排列而成。在這里，水滴下落過程中水滴表面的散熱以及在板條上濺散而成的許多小水滴表面的散熱約占總散熱量的 60~75％，而沿板條形成的水膜的散熱只占總散熱量的25~30％。點滴式填料由于對橫向氣流阻力小、單位體積耗材少、允許淋水密度大等優(yōu) 點多用于大型橫流冷卻塔當中，常見的有弧形板條， M形板和蜂窩形板等。 薄膜式填料是利用間隔很小的平膜板或凹凸形波板、網格形膜板所組成的多層空心體，使水沿著其表面形成緩慢的水流，而冷空氣則經多層空心體間的空隙，形成水氣之間的接觸面水在其中的散熱主要依靠表面水膜、格網間隙中的水滴表面和濺散而成的水滴的散熱等三個部分，而水膜表面的散熱居于主要地位。由于這種填料的冷卻效能高，因而應用最為廣泛。對于薄膜式填料上發(fā)生的傳熱傳質過程的算法直接影響著冷卻塔技術的發(fā)展水平。 Merkel 算法的控制方程是他于 20 世紀 20 年代首先提 出的 [7]，他認為焓差是冷卻塔填料表面氣液之間的傳熱動力。 1925 年他又相似的提出了橫流冷卻塔的計算方法。為了簡化計算，他對計算條件作出了一些重要的假設。但是正是由于這些假設，使得 Merkel 的計算方法的精確程度下降，對傳熱傳質過程的表達不是十分的精確。 Bourillot 指出，當能夠準確的給出水量蒸發(fā)系數的時候， Merkel 的方法對于計算水溫還是十分準確的 [8]。但是它的不足之處在于無法準確計算離開冷卻塔的空氣的相關參數和由于蒸發(fā)而造成的水流量的變化。但這些參數對于計算冷卻塔的整體耗水量是十分重要的。 Jaber 和 Webb 提出了新的eNTU 法用以對逆流冷卻塔和橫流冷卻塔進行計算 [9]。這種算法和傳統(tǒng)的計算方法相比，它更為簡單。 Poppe 在 20 世紀 70 年代提出了他的算法。他并沒有使用Merkel 的簡化假設。 Poppe 算法在計算的過程中考慮了水的蒸發(fā)量，因此對于研究非飽和、飽和以至于超飽和狀態(tài)的計算都非常有效。基于 Poppe 算法而得出的水的循環(huán)冷 卻系統(tǒng)實驗裝置的優(yōu)化設計 9 蒸發(fā)量和等大模型試驗的結果十分吻合。這種算法還能準確的計算出冷卻塔排出空氣中的含濕量，這對于干濕式冷卻塔的設計是十分重要的。 2021 年， 和 分別對橫流冷卻塔和逆流冷卻塔的計算過程進行了深入的研究。他們分別建立了三種基本算法的數學模型，而后與實際試驗結果進行了對比，得出了重要的結論。 對于橫流冷卻塔來說，與 Merkel 法相比，使用 Poppe 法計算出的預測結果中熱排放率和水分蒸發(fā)量都較高 [15]。而當與 eNTU 法相比時，它得出的所有試驗結果參數都較高。用 Merkel 法得出的熱排放率、水蒸發(fā)量和空氣出口溫度與使用 eNTU 法得到的參數結果是一樣的。這是因為這兩種方法基于的是相同的假設。因此，在設計過程中，對于填料性能的測試和對于冷卻 塔整體性能的測試一定要基于同一種方法，否則，得出的結果就不可信。對于一座冷卻塔來說，換熱傳熱特性是基于某一種計算方法而言的。 Poppe 計算方法相對復雜，但是相較于 Merkel 法和 eNTU 法而言更加精確。如果水的蒸發(fā)量或者空氣出口溫度是需要研究的重點的話，那么 Poppe 法將是更加值得使用的。對于自然通風冷卻塔來說，冷卻塔出口的空氣溫度是需要計算得十分精確的，這事因為冷卻塔自然通風的能力主要取決于填料出口處的空氣溫度。當在設計冷卻塔的過程中，水的填料出口溫度作為需要關注的重要參數指標時， Merkel 法和 eNTU 法就成為較為推薦的計算方法了，因為在這種情況下他們的計算結果與 Poppe 法基本相同而計算過程又精簡了很多。很多研究者也用實驗方法實測了冷卻塔的性能。 Simpson and Sherwood 研究了采用木質填料的機械通風式冷卻塔的換熱性質和壓降特性，并首先指出了填料幾何形狀對冷卻塔性能的影響 [15]。 Bedekaretal 用實驗方法研究了使用薄膜填料逆流冷卻塔的性能，他們在實驗中用冷卻塔效率和出水水溫來作為評價冷卻塔的熱力性能的標準，他們發(fā)現這兩個參數可以用水氣比的函數進行表示。冷卻塔的性能隨水氣比的增加而 下降 [16]。通過試驗數據，他們提出了傳質系數與冷卻塔壓降之間的關系。 Kloppers and Krger 通過對于使用點滴式填料的逆流冷卻塔的試驗研究了填料與冷卻塔效率損失之間的關系 [17]，并給出了效率損失與水和空氣流量之間的關系方程。在另一篇文章中， Kloppers and Krger 研究了開式冷卻塔換熱能力與水流量和水溫以及填料高度的關系。 Elsarrag 通過試驗研究了陶瓷填料的性能，他指出影響傳熱傳質系數的主要因素是水氣比進水溫度以及空氣進口的焓值 [16]。并對 VCP 型填料和 HCP 型填料的性能給出了 特性曲線。 有比較才能鑒別。但是如何進行比較是值得探討的。對待不同的填料，用不同條件、不同塔型所得的填料特性方程作為技術經濟比。 綜上所述我們選擇了： 薄膜式填料 。 循環(huán)冷 卻系統(tǒng)實驗裝置的優(yōu)化設計 10 風機的選型 風機是半集中式空調系統(tǒng)中常用的重要裝置，作用是為風道系統(tǒng)中的空氣提供能量，克服整個風道系統(tǒng)阻力損失。風機的風壓選擇至關重要，決定著風機實際使用中的風量能否達到設計要求，而在選擇風機時，是要求風機出口靜壓滿足系統(tǒng)的阻力損失，還是要求風機出口全壓滿足系統(tǒng)的阻力損失，業(yè)界還存在一些不同看法 。風機葉片將能量供給風道中的空氣，這個 能量表示為空氣全壓的增加，它包括靜壓和動壓。動壓和靜壓相互影響、相互轉化，根據流體力學原理得知，在任何時候，全壓 pq 總是等于靜壓 pj和動壓 pd 之和 [18]。 由于是模型的設計，我們并沒有選擇實際工程的風機，而是選擇了類似于電腦主機的風扇性質的小型風機，因為這樣的風機便于安裝。 風機的 HQ曲線 根據主機給定的負荷量 ，在 PM1238HA2BAL7QH的曲線上確定風機的風量，目前我們選擇的風機的功率為 19w，其風量 風壓（ QH）線圖為： 圖 21 HQ曲線圖 風機的參數簡 介 表 23 風機參數表 電壓 V 電流 A 功率 W 轉速 RPM 風量 CFM 風壓 mmH2O 噪聲 dB 12 12 18 2600 98 循環(huán)冷 卻系統(tǒng)實驗裝置的優(yōu)化設計 11 圖 22 風機尺寸圖 冷卻系統(tǒng)實驗裝置的箱體設計 箱體選材 根據冷卻塔的塔體部分的大小尺寸及重量，充分考慮這次設計的輕便小巧，組裝拆卸方便的原則，通過再三的選擇，選擇了鋁型材這種材料來作為整個循環(huán)冷卻系統(tǒng)實驗裝置的底座。 鋁型材的優(yōu)點： （ 1）抗腐蝕性 鋁型材的密度為 ，約為鋼、銅或黃銅的密度 (分別為 ，)的 1/3。在大多數環(huán)境條件下，包括在空氣、水 (或鹽水 )、石油化學和很多化學體系中，鋁能顯示優(yōu)良的抗腐蝕性。 （ 2）熱導量率 鋁合金的熱導量率大約是銅的 5060%，這對制造熱交換器、蒸發(fā)器、加熱電器、炊事用具，以及汽車的缸蓋與散熱器皆為有利。 （ 3）非鐵磁性 鋁型材是非鐵磁性的，這對電氣工業(yè)和電子工業(yè)而言是一重要特性。鋁型材是不能自燃的，這對涉及裝卸或接觸易燃易爆材料的應用來說是重要的。 （ 4）可機加工性 鋁型材的可機加工性是優(yōu)良的。在各種變形鋁合金和鑄造鋁合金中，以及在這些 合金產出後具有的各種狀態(tài)中，機加工特性的變化相當大，這就需要特殊的機床或技術。 循環(huán)冷 卻系統(tǒng)實驗裝置的優(yōu)化設計 12 （ 5）可成形性 特定的拉伸強度、屈服強度、可延展性和相應的加工硬化率支配著允許變形量的變化。 （ 6）回收性 鋁具有極高的回收性，再生鋁的特性與原生鋁幾乎沒有差別。 綜上，我們可以得出，鋁型材相對于其他的金屬比較輕盈，符合我們這次設計的小巧輕便的思想；同時，其熱傳導率相對而言也比較優(yōu)良，在散熱方面可以起到不錯的效果；選擇它的關鍵還是其優(yōu)良的可加工性，與其他金屬相比較，其可塑性要高出很多，方便我們的切割和加工；并且這次的冷卻塔主體主 要是用有機玻璃作為主要框架結構，重量不會很重，所選擇的鋁型材尺寸為 20 20mm，這個尺寸的鋁型材材質承重約為 15KG 左右。為了日后的拆卸和組裝的便捷，綜合價格等其他因素，選擇性價比比較高的鋁型材。 圖 23 鋁型材尺寸圖 箱體設計 確 定 好選 用 的材 料后 ， 根據 之前 確定 的 冷卻 塔塔 體 的大 小尺 寸 為300*450mm2，選擇一個大小為 330*500mm2 面作為風機主體的承重面。同時為了容納部分電器設備及主要設備，根據所選擇型號的大小我們將這個底座的設計如圖 24 所示 循環(huán)冷 卻系統(tǒng)實驗裝置的優(yōu)化設計 13 圖 24 箱體