潛江 丨 第三屆中國高端電子化學(xué)品先進(jìn)技術(shù)與新材料發(fā)展研討會（4月26-28日）

引言

蒸發(fā)式冷卻塔的合理排布是大型制冷系統(tǒng)設(shè)計中一項重要的內(nèi)容，冷卻塔在運行時需要大量空氣，工程設(shè)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(huán)境的影響，這兩者如何能有機(jī)結(jié)合是冷卻塔設(shè)計的關(guān)鍵所在。

1 工程概況

本工程位于上海市中心，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 臺蒸發(fā)式冷卻塔設(shè)置在裙房屋面，單臺散熱量為1784 kW(高速)/1070 kW(低速)，排風(fēng)量為118m ³ /s，循環(huán)水量為300 L/s，設(shè)備A 聲級噪聲為75dB。

2 冷卻塔布置的設(shè)計思路

本項目冷卻塔系統(tǒng)的特點是：1)設(shè)備數(shù)量眾多，但排布空間有限；2)蒸發(fā)式冷卻塔需要大量進(jìn)、排風(fēng)，為滿足制冷效果需減小空氣回流的影響；3)機(jī)組運行噪聲高，需限制其對周邊建筑的影響；4)排熱量高，需防止產(chǎn)生大量的“白煙”( 飄逸的水汽)。上述幾點之間相互關(guān)聯(lián)又互相制約，下面就以如何合理解決以上幾點的思路來進(jìn)行論述。

3 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(jìn)風(fēng)中，干擾是指進(jìn)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(jìn)入塔內(nèi)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筑、機(jī)組自身性能和主導(dǎo)風(fēng)向等多種因素。

3.1 模型建立

為滿足整個項目制冷系統(tǒng)的設(shè)計要求，在工程設(shè)計中對屋面冷卻塔室內(nèi)通風(fēng)速度場分布和室外周邊環(huán)境進(jìn)行了CFD 模擬計算，以保證工藝性通風(fēng)設(shè)計的合理性。

3.1.1 模擬計算選用AirPak 數(shù)值軟件，模擬工況分為：1)在設(shè)計工況下運行時，冷卻塔室內(nèi)速度場、壓力場分布；2)室外風(fēng)環(huán)境以及冷卻塔所在建筑整體進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)是否存在回流、干擾現(xiàn)象。

3.1.2 模擬工況模型、模擬參數(shù)的設(shè)置。

圖1,2 為14 臺冷卻塔參照CAD 圖搭建的設(shè)計工況下CFD 模擬計算用的物理模型。

表1 為模擬參數(shù), 參照有關(guān)冷卻塔進(jìn)、出風(fēng)口壓差計算值，并考慮消聲器、防“白煙”盤管對冷卻塔性能的影響后，以冷卻塔1 為例，設(shè)定進(jìn)、排風(fēng)口參數(shù)。

3.2 模擬計算結(jié)果

1) 通過對冷卻塔室內(nèi)通風(fēng)速度場分布進(jìn)行計算，在設(shè)計工況(風(fēng)量118m ³ /s) 下，同時考慮了各種可能的因素對冷卻塔性能的影響，發(fā)現(xiàn)冷卻塔運行性能可達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

2) 在考慮了室外氣象條件和建筑周邊環(huán)境后，發(fā)現(xiàn)由于冷卻塔通風(fēng)系統(tǒng)中排風(fēng)口(正壓)與進(jìn)風(fēng)口(負(fù)壓) 之間存在壓力差，同時受到室外風(fēng)環(huán)境的影響，在進(jìn)、排風(fēng)口之間易發(fā)生氣流回流現(xiàn)象。

氣流回流量與進(jìn)、排風(fēng)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(fēng)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(jié)果可知，回流量受室外氣象條件和建筑周邊環(huán)境的影響明顯，需要加大出風(fēng)口的風(fēng)速和調(diào)整出風(fēng)口風(fēng)向。

3.3 改進(jìn)方法

如果加大出風(fēng)口的風(fēng)速，設(shè)備的功率將進(jìn)一步提高，消聲器也將增大，這樣冷卻塔的效率就沒法保證；由于空間有限，調(diào)整出風(fēng)口風(fēng)向也較難實現(xiàn)。

最終設(shè)計采用了取消進(jìn)風(fēng)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(jìn)風(fēng)面的方法來解決這一矛盾。進(jìn)風(fēng)消聲器的取消雖然增大了一些室內(nèi)場的噪聲，但是卻使兩臺設(shè)備之間有了更大的進(jìn)風(fēng)空間，從而保證了進(jìn)風(fēng)，同時也避免了進(jìn)一步增大風(fēng)機(jī)功率。錐形出口消聲器使出風(fēng)更具流線性，保證排出的空氣高于周邊建筑和設(shè)備，使回流減至最少。增加一個進(jìn)風(fēng)面使得室外場的空氣能更均勻地進(jìn)入室內(nèi)場，減少形成渦流的可能性。圖3是14臺冷卻塔改進(jìn)后CFD 模擬計算用的物理模型。表3為改進(jìn)后的邊界條件設(shè)置。表4為改進(jìn)后的測試結(jié)果。

4 解決對周邊建筑的噪聲問題

冷卻塔噪聲的產(chǎn)生取決于該建筑的空調(diào)負(fù)荷以及室外的濕球溫度，設(shè)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(diào)負(fù)荷最大的階段。

4.1 共有14 臺風(fēng)機(jī)，每臺帶有3 個雙速電動機(jī)，依據(jù)建筑空調(diào)負(fù)荷和濕球溫度的變化，有幾種高、低速風(fēng)機(jī)的組合方式，為盡量減少能源消耗和達(dá)到較低的噪聲級別，最有效的控制方法是先啟動足夠多的風(fēng)機(jī)低速運轉(zhuǎn)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臺風(fēng)機(jī)低速運轉(zhuǎn)。當(dāng)所有風(fēng)機(jī)都低速運行仍然不能滿足空調(diào)負(fù)荷要求時，則每次轉(zhuǎn)換1臺風(fēng)機(jī)到高速運行，直到滿足要求為止。

4.2 在按照上述程序操作下，計算了冷卻塔對周邊建筑的噪聲影響程度，圖4 為冷卻塔的整體位置相對于周邊建筑的示意圖。

4.2.1 在白天，設(shè)計分析的是最不利情況( 即所有冷卻塔的風(fēng)扇都高速運行)，最接近B點的是8#，9#，10# 冷卻塔, 其余設(shè)備對于A-B面敏感區(qū)域的噪聲影響都不大。綜合考慮進(jìn)風(fēng)面的位置后發(fā)現(xiàn)，9#冷卻塔對A-B面的影響最大。B點離冷卻塔最近的水平距離為17m，當(dāng)冷卻塔全部高速運行時，到達(dá)B 點豎直平面的噪聲模擬值見表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平距離為14.5m，當(dāng)冷卻塔全部高速運行時，到達(dá)D 點豎直平面的噪聲模擬值見表6。

4.2.3 上海在7 月晚間的濕球溫度為25.3℃，假定夜間建筑的空調(diào)負(fù)荷率為83. 1%，計算可知14 臺風(fēng)機(jī)都要運行，其中1 臺高速運行，其余都低速運行。為了盡量減少夜間噪聲，選擇5# 冷卻塔高速運轉(zhuǎn)。夜晚到達(dá)B 點、D點的噪聲模擬值見表7。

根據(jù)國家城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)，本項目已達(dá)到城市2類標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時也滿足了設(shè)計要求。

5 解決防“白煙”問題

所謂“白煙”是由于冷卻塔內(nèi)的空氣與冷卻水經(jīng)過熱質(zhì)交換后，溫度和濕度都比較高，在冬季、雨季和濕度較高的黃梅季節(jié)，高熱濕的空氣排出塔外時被外界空氣冷卻，冷凝而產(chǎn)生很多液滴，形成白霧(仿佛是“白煙”)，大量的白霧出現(xiàn)會使周邊人群產(chǎn)生恐慌心理，更為嚴(yán)重的可能會造成“降雪”。

5.1“白煙”產(chǎn)生的原因和解決辦法

“白煙”產(chǎn)生的原理如圖5 所示，1為外界空氣狀態(tài)點，2 為冷卻塔排出空氣狀態(tài)點，3為混合后的狀態(tài)點。如果點3 出現(xiàn)在飽和區(qū)，則水蒸氣冷凝生成白霧， 出現(xiàn)“白煙”現(xiàn)象。若混合過程線不與飽和線相交，至少應(yīng)確保點3 與飽和線相切(如圖6 所示)， 則不出現(xiàn)“白煙”現(xiàn)象。為實現(xiàn)這種效果就需要提高點2 的溫度，這就需要在排風(fēng)處增設(shè)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(jìn)行，室外空氣溫度tw= 5℃，相對濕度100%， 室外空氣在塔內(nèi)經(jīng)過傳熱傳質(zhì)過程被加熱，成為低溫高濕的空氣，此時的空氣參數(shù)t1=19.6℃，相對濕度100% 時對應(yīng)的比焓h1=56 kJ/kg。經(jīng)模擬計算，為防止“白煙“現(xiàn)象出現(xiàn)，需把出風(fēng)空氣溫度提高至t2= 30.3℃，當(dāng)相對濕度為53%時，比焓h2 = 66.7kJ/kg 。單臺冷卻塔的排風(fēng)量118.3 m ³ /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=(66.7kJ/kg-56.0kJ/kg) ×118.8m ³ /s×1.223kg/m ³ =1554kW。項目選用冷卻塔的循環(huán)水飄逸率控制在0.001%以下，即冷卻塔出口含液態(tài)水量L=300L/s×0.00001= 0.003L/s(0.003kg/s)。此部分水量是以液態(tài)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= 0.003kg/s×2256 kJ/ kg= 6.758kW，其中2256kJ/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=(1554kW-6.758kW)/[118.3m ³ /s×1.223 kg/m ³ ×1.01 kJ/(kg·℃)] = 10.59℃。結(jié)果顯示，理論計算的溫升與模擬計算相吻合。

5.3 采取防“白煙”措施后的效果

加熱盤管采用的熱源為鍋爐房熱水，進(jìn)/出水溫度為60℃/ 50℃，就目前系統(tǒng)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(chǎn)生后的不良后果等因素，在必要的時間段都將開啟熱盤管。由于熱盤管是設(shè)在冷卻塔的出風(fēng)口，所以系統(tǒng)的風(fēng)阻和風(fēng)機(jī)功率都略有增加，但從運行效果看，在避免產(chǎn)生“白煙”現(xiàn)象的同時，都能滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)語

冷卻塔的布置對空調(diào)系統(tǒng)的運行和周邊的建筑都會產(chǎn)生較大的影響，尤其是在大型工程中，在建筑環(huán)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(xì)的計算來達(dá)到設(shè)計所要求的滿意結(jié)果。