蒸發式冷卻塔的合理排布是大型製冷系統設計中一項重要的內容,冷卻塔在運行時需要大量空氣, 工程設計中既要保證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境的影響, 這兩者如何能有機結合是冷卻塔設計的關鍵所在。
工程概況
本工程位於上海市中心, 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 台蒸發式冷卻塔設置在裙房屋面, 單台散熱量為1784 kW( 高速) / 1070 kW( 低速) , 排風量為118 m3 /s, 迴圈水量為300 L/s,設備A 聲級雜訊為75dB。
冷卻塔佈置的設計思路
本專案冷卻塔系統的特點是:
1) 設備數量眾多, 但排布空間有限;
2) 蒸發式冷卻塔需要大量進、排風, 為滿足製冷效果需減小空氣回流的影響;
3) 機組運行雜訊高, 需限制其對周邊建築的影響;
4) 排熱量高, 需防止產生大量的“白煙”( 飄逸的水汽) 。 上述幾點之間相互關聯又互相制約, 下面就以如何合理解決以上幾點的思路來進行論述。
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風中, 干擾是指進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入塔內空氣的比焓增加, 冷卻塔本身的冷卻效果降低。 為最大限度地減少回流, 就要綜合考慮周圍的建築、機組自身性能和主導風向等多種因素。
1.模型建立
為滿足整個專案製冷系統的設計要求, 在工程設計中對屋面冷卻塔室內通風速度場分佈和室外周邊環境進行了CFD 模擬計算, 以保證工藝性通
風設計的合理性。
1. 1 類比計算選用AirPak 數值軟體, 類比工況分為: 1) 在設計工況下運行時, 冷卻塔室內速度場、壓力場分佈; 2) 室外風環境以及冷卻塔所在建築整體進風和排風是否存在回流、干擾現象。
1. 2 類比工況模型、類比參數的設置。 圖1, 2 為14 台冷卻塔參照CAD 圖搭建的設計工況下CFD 類比計算用的物理模型。
表1 為模擬參數, 參照有關冷卻塔進、出風口壓差計算值, 並考慮消聲器、防 “白煙”盤管對冷卻塔性能的影響後, 以冷卻塔1 為例, 設定進、排風口參數。
2 模擬計算結果
1) 通過對冷卻塔室內通風速度場分佈進行計算, 在設計工況( 風量118m3 /s) 下, 同時考慮了各種可能的因素對冷卻塔性能的影響, 發現冷卻塔運行性能可達到設計標準。
2) 在考慮了室外氣象條件和建築周邊環境後, 發現由於冷卻塔通風系統中排風口( 正壓) 與進風口( 負壓) 之間存在壓力差, 同時受到室外風環境的影響, 在進、排風口之間易發生氣流回流現象。 氣流回流量與進、排風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 測試結果可知, 回流量受室外氣象條件和建築周邊環境的影響明顯, 需要加大出風口的風速和調整出風口風向。
3 改進方法
如果加大出風口的風速, 設備的功率將進一步提高, 消聲器也將增大, 這樣冷卻塔的效率就沒法保證; 由於空間有限, 調整出風口風向也較難實現。
最終設計採用了取消進風消聲器, 更改出口消聲器為錐形出口消聲器, 同時再增加一個進風面的方法來解決這一矛盾。 進風消聲器的取消雖然增大了一些室內場的雜訊,但是卻使兩台設備之間有了更大的進風空間, 從而保證了進風, 同時也避免了進一步增大風機功率。 錐形出口消聲器使出風更具流線性, 保證排出的空氣高於周邊建築和設備, 使回流減至最少。 增加一個進風面使得室外場的空
氣能更均勻地進入室內場, 減少形成渦流的可能性。
4解決對周邊建築的雜訊問題
冷卻塔雜訊的產生取決於該建築的空調負荷以及室外的濕球溫度,設計選擇了上海氣象站7月份的氣候資料, 此月是溫度最高、空調負荷最大的階段。
4. 1 共有14 颱風機, 每台帶有3 個雙速電動機,依據建築空調負荷和濕球溫度的變化, 有幾種高、低速風機的組合方式, 為儘量減少能源消耗和達到較低的雜訊級別, 最有效的控制方法是先啟動足夠多的風機低速運轉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 颱風機低速運轉。 當所有風機都低速運行仍然不能滿足空調負荷要求時, 則每次轉換1 颱風機到高速運行, 直到滿足要求為止。
4. 2 在按照上述程式操作下, 計算了冷卻塔對周邊建築的雜訊影響程度, 圖4 為冷卻塔的整體位置相對於周邊建築的示意圖。
4. 2. 1 在白天, 設計分析的是最不利情況( 即所有冷卻塔的風扇都高速運行) , 最接近B 點的是8# ,9# , 10# 冷卻塔, 其餘設備對於A-B 面敏感區域的雜訊影響都不大。綜合考慮進風面的位置後發現, 9# 冷卻塔對A-B 面的影響最大。B 點離冷卻塔最近的水準距離為17 m, 當冷卻塔全部高速運行時, 到達B 點豎直平面的雜訊模擬值見表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 面的影響最大, D 點離冷卻塔最近的水準距離為14.5 m, 當冷卻塔全部高速運行時, 到達D 點豎直平面的雜訊模擬值見表6。
4. 2. 3 上海在7 月晚間的濕球溫度為25. 3 ,假定夜間建築的空調負荷率為83. 1% , 計算可知14 颱風機都要運行, 其中1 台高速運行, 其餘都低速運行。為了儘量減少夜間雜訊, 選擇5# 冷卻塔高速運轉。夜晚到達B點、D 點的雜訊模擬值見表7。
根據國家城市區域環境雜訊標準, 本專案已達到城市2 類標準的要求, 同時也滿足了設計要求。
5解決防“白煙”問題
所謂“白煙”是由於冷卻塔內的空氣與冷卻水經過熱質交換後, 溫度和濕度都比較高, 在冬季、雨季和濕度較高的黃梅季節, 高熱濕的空氣排出塔外時被外界空氣冷卻, 冷凝而產生很多液滴, 形成白霧( 仿佛是“白煙”) , 大量的白霧出現會使周邊人群產生恐慌心理, 更為嚴重的可能會造成“降雪”。
5. 1“白煙”產生的原因和解決辦法“白煙”產生的原理如圖5 所示, 1 為外界空氣狀態點, 2 為冷卻塔排出空氣狀態點, 3 為混合後的狀態點。如果點3 出現在飽和區, 則水蒸氣冷凝生成白霧, 出現“白煙”現象。若混合過程線不與飽和線相交, 至少應確保點3 與飽和線相切( 如圖6 所示) , 則不出現“白煙”現象。為實現這種效果就需要提高點2 的溫度, 這就需要在排風處增設加熱盤管。
5. 2 防“白煙”的熱工計算
模擬計算選擇在最不利條件下進行, 室外空氣溫度tw = 5 ℃ , 相對濕度100% , 室外空氣在塔內經過傳熱傳質過程被加熱, 成為低溫高濕的空氣, 此時的空氣參數t1=19. 6 ℃, 相對濕度100% 時對應的比焓h1 = 56 kJ/ kg。經模擬計算, 為防止“白煙”現象出現, 需把出風空氣溫度提高至t2 = 30. 3 ℃ , 當相對濕度為53% 時,比焓h2 = 66. 7 kJ/ kg 。單台冷卻塔的排風量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。專案選用冷卻塔的迴圈水飄逸率控制在0. 001% 以下, 即冷卻塔出口含液態水量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℃。結果顯示, 理論計算的溫升與模擬計算相吻合。
5. 3 採取防“白煙”措施後的效果加熱盤管採用的熱源為鍋爐房熱水, 進/ 出水溫度為60℃ / 50 ℃ , 就目前系統運行情況分析, 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”產生後的不良後果等因素, 在必要的時間段都將開啟熱盤管。由於熱盤管是設在冷卻塔的出風口, 所以系統的風阻和風機功率都略有增加, 但從運行效果看, 在避免產生“白煙”現象的同時, 都能滿足設計要求。
6 結語
冷卻塔的佈置對空調系統的運行和周邊的建築都會產生較大的影響,尤其是在大型工程中, 在建築環境有限的情況下, 需要通過各方面的論證比較, 同時輔以較為詳細的計算來達到設計所要求的滿意結果。
4. 2 在按照上述程式操作下, 計算了冷卻塔對周邊建築的雜訊影響程度, 圖4 為冷卻塔的整體位置相對於周邊建築的示意圖。
4. 2. 1 在白天, 設計分析的是最不利情況( 即所有冷卻塔的風扇都高速運行) , 最接近B 點的是8# ,9# , 10# 冷卻塔, 其餘設備對於A-B 面敏感區域的雜訊影響都不大。綜合考慮進風面的位置後發現, 9# 冷卻塔對A-B 面的影響最大。B 點離冷卻塔最近的水準距離為17 m, 當冷卻塔全部高速運行時, 到達B 點豎直平面的雜訊模擬值見表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 面的影響最大, D 點離冷卻塔最近的水準距離為14.5 m, 當冷卻塔全部高速運行時, 到達D 點豎直平面的雜訊模擬值見表6。
4. 2. 3 上海在7 月晚間的濕球溫度為25. 3 ,假定夜間建築的空調負荷率為83. 1% , 計算可知14 颱風機都要運行, 其中1 台高速運行, 其餘都低速運行。為了儘量減少夜間雜訊, 選擇5# 冷卻塔高速運轉。夜晚到達B點、D 點的雜訊模擬值見表7。
根據國家城市區域環境雜訊標準, 本專案已達到城市2 類標準的要求, 同時也滿足了設計要求。
5解決防“白煙”問題
所謂“白煙”是由於冷卻塔內的空氣與冷卻水經過熱質交換後, 溫度和濕度都比較高, 在冬季、雨季和濕度較高的黃梅季節, 高熱濕的空氣排出塔外時被外界空氣冷卻, 冷凝而產生很多液滴, 形成白霧( 仿佛是“白煙”) , 大量的白霧出現會使周邊人群產生恐慌心理, 更為嚴重的可能會造成“降雪”。
5. 1“白煙”產生的原因和解決辦法“白煙”產生的原理如圖5 所示, 1 為外界空氣狀態點, 2 為冷卻塔排出空氣狀態點, 3 為混合後的狀態點。如果點3 出現在飽和區, 則水蒸氣冷凝生成白霧, 出現“白煙”現象。若混合過程線不與飽和線相交, 至少應確保點3 與飽和線相切( 如圖6 所示) , 則不出現“白煙”現象。為實現這種效果就需要提高點2 的溫度, 這就需要在排風處增設加熱盤管。
5. 2 防“白煙”的熱工計算
模擬計算選擇在最不利條件下進行, 室外空氣溫度tw = 5 ℃ , 相對濕度100% , 室外空氣在塔內經過傳熱傳質過程被加熱, 成為低溫高濕的空氣, 此時的空氣參數t1=19. 6 ℃, 相對濕度100% 時對應的比焓h1 = 56 kJ/ kg。經模擬計算, 為防止“白煙”現象出現, 需把出風空氣溫度提高至t2 = 30. 3 ℃ , 當相對濕度為53% 時,比焓h2 = 66. 7 kJ/ kg 。單台冷卻塔的排風量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。專案選用冷卻塔的迴圈水飄逸率控制在0. 001% 以下, 即冷卻塔出口含液態水量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℃。結果顯示, 理論計算的溫升與模擬計算相吻合。
5. 3 採取防“白煙”措施後的效果加熱盤管採用的熱源為鍋爐房熱水, 進/ 出水溫度為60℃ / 50 ℃ , 就目前系統運行情況分析, 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”產生後的不良後果等因素, 在必要的時間段都將開啟熱盤管。由於熱盤管是設在冷卻塔的出風口, 所以系統的風阻和風機功率都略有增加, 但從運行效果看, 在避免產生“白煙”現象的同時, 都能滿足設計要求。
6 結語
冷卻塔的佈置對空調系統的運行和周邊的建築都會產生較大的影響,尤其是在大型工程中, 在建築環境有限的情況下, 需要通過各方面的論證比較, 同時輔以較為詳細的計算來達到設計所要求的滿意結果。