民用建築冷卻塔基礎知識

2021-11-29T00:55:40+00:00

冷卻塔中的散熱關係:在濕式冷卻塔中,熱水的溫度高,流過水表面的空氣的溫度低,水將熱量傳給空氣,由空氣帶走,散到大氣中去,水向空氣散熱有三種形式:①接觸散熱、②蒸發散熱、③輻射散熱。冷卻塔主要靠前兩種散熱,輻射散熱量很小,可勿略不計。

冷卻塔中的散熱關係:

在濕式冷卻塔中,熱水的溫度高,流過水表面的空氣的溫度低,水將熱量傳給空氣,由空氣帶走,散到大氣中去,水向空氣散熱有三種形式:①接觸散熱、②蒸發散熱、③輻射散熱。冷卻塔主要靠前兩種散熱,輻射散熱量很小,可勿略不計。

蒸發散熱原理:

蒸發散熱通過物質交換,即通過水分子不斷擴散到空氣中來完成。水分子有著不同的能量,平均能量有水溫決定,在水表面附近一部分動能大的水分子克服鄰近水分子的吸引力逃出水面而成為水蒸氣,由於能量大的水分子逃離,水面附近的水體能量變小,因此,水溫降低,這就是蒸發散熱,一般認為蒸發的水分子首先在水表面形成一層薄的飽和空氣層,其溫度和水面溫度相同,然後水蒸氣從飽和層向大氣中擴散的快慢取決於飽和層的水蒸氣壓力和大氣的水蒸氣壓力差,即道爾頓(Dolton)定律,可用圖1表示此過程。



冷卻水塔的工作原理:

實際上冷卻水塔工作原理就是上述水蒸發熱質交換的運用,即將熱水噴灑在散熱材表面與通過之移動空氣相接觸,此際熱水與冷空氣之間產生濕熱之熱交換作用,同時部分的熱水被蒸發,也即蒸發水汽中其蒸發潛熱被排放至空氣中,最後經冷卻後的水落入水槽內,然後再回到所需設備利用、循環,具體見圖2。

根據熱力學定律,熱水經過冷卻塔時,放出之熱量相等空氣由入口至出口時所吸收之熱量。

L×(t2-t1)=G×(h2-h1)

L/G=(h2-h1)/(t2-t1)=e/R

其質量之傳遞可以下列公式表示:

G×eg=ka(EI—eg)dv -(1)

eg:空氣總質量熱焓;

k:冷卻塔單位面積之熱慣流率係數

a:常數

EI:在一定水溫時飽和空氣熱焓,cal/kg(BTU/Ib)

冷卻塔有效容積(m3、ft3):

圖3為冷卻塔冷卻過程曲線圖,上端之曲線為水的運轉線,起始熱水溫度A點至冷水溫度B點為止;下端以斜線C-D為空氣運轉線,C點位置在相當於入風口濕球溫度之熱焓處,水與空氣比(L/G)等於空氣運轉線C-D之斜率,D點表示出風口空氣溫度,斜率C-D之投影長度為冷卻溫度差,F點表示出風口空氣之濕球溫度。

積分值



為冷卻過程中產生之熱傳遞單位數,其值等於圖3中之ABCD四點構成面積,此值等於冷卻塔之特性值,其值隨水與空氣之比率而變化。

kaV/L=(L/G)n×C

kaV/L:冷卻塔特性質;L/G:水/空氣比;C:試驗常數;N:試驗常數;Ka:填料容積;散質係數;V:填料體積;



冷卻塔性能參數:

1.冷卻效能:

部分人有一個錯誤的概念,就是以冷幅作為冷卻水塔效能的標準,並以著來選擇合適的散熱量,其實冷幅是冷卻水塔運作的反映與效能是沒有直接之關係。

熱量是循環系統內所產生的負荷,它的單位為千卡/小時(Kcal/HR)計算公式如下:熱量=循環水流量×冷幅×比熱係數

熱量負荷和冷卻水塔的效能是沒有直接關係,所以無論冷卻水塔的體積大小,當熱量負荷和循環水流量不變而運作下,在理論上冷幅都是固定的。

若一座冷卻水塔能適合以下之條件而運作:

i)出水溫度為32℃及37℃

ii)循環水流量為 200L/S

iii)環境濕球溫度為 27℃

iv)逼近=32-27=5℃

v)冷幅=37-32=5℃

計算其熱量應為3600000Kcal/HR

此冷卻水塔也能適合以下之條件有效地運作:

i)出水溫度為33℃及43℃

ii)循環水流量為 200L/S

iii)環境濕球溫度為 23℃

iv)逼近=33-23=10℃

v)冷幅=43-33=10℃

計算其熱量應為7200000Kcal/HR

從上述舉例可顯示出相同冷卻水塔可在不同熱量下運作,而熱量的差別示極大,所以不能單靠冷幅來衡量冷卻水塔的效能。

前文提及冷卻水塔的散熱量直接受環境濕球溫度影響,而以上兩列因環境濕球溫度有差別,導致逼近不同,所以同一冷卻水塔能在以上兩條件下運作如常,證明冷卻水塔的效能是直接與逼近有密切關係而不能單以冷幅計算。

2.蒸發耗損量

當冷卻回水和空氣接觸而產生作用,把其水溫降時,部分水蒸發會引起冷卻回水之損耗,而其損耗量和入塔空氣的濕球溫度及流量有關,以數學表達式作如下說明:

令:進水溫度為 T1℃,出水溫度為T2℃,濕球溫度為Tw,則

*:R=T1-T2 (℃)--(1)

式中:R:冷卻水的溫度差,對單位水量即是冷卻的熱負荷或製冷量Kcal/h

對式(1)可推論出水蒸發量的估算公式

*:E=(R/600)×100% --(2)

式中:E--當溫度下降R℃時的蒸發量,以總循環水量的百分比表示%,600--考慮了各種散熱因素之後確定之常數。

如:R=37-32=5℃

則E={(5×100)/600}=0.83%總水量

或e=0.167%/1℃,即溫差為1℃時的水蒸發量

*:A=T2-T1 ℃ --(3)

式中:A--逼近度,即出水溫度(T2)逼近濕球溫度的程度℃,按熱交換器設計時冷端溫度差取值的慣例,宜取A≥3℃(CTI推進A≥5 oF即2.78℃)A<不是做不到,而是不合理和不經濟。

3.漂水耗損量

漂水耗損量的大小是和冷卻水塔(是否取用隔水設施),風扇性能(包括風量、風機及風扇葉角度的調整以及它們之間的配合等),水泵的匹配以及水塔的安裝質量等因素有關,通常它的耗損量是很少的,大約在冷卻器水總流量的0.2%以下。

4.放空耗損量

由於冷卻回水不斷的蒸發而令其變化(使水質凝結)這凝結了的冷卻回水能使整個循環系統內產生腐蝕作用及導致藻類生長,所以部分的冷卻回水要定期排出,以便補充更新,而這排出的冷卻回水量,就稱為〖放空量〗。

通常此放空量控制在冷卻回水總量的0.3%或由其所需要水質的優劣而定。

放空量B=E/(N-1)-C

B --放空量(%,L/min)

E --蒸發量(%,L/min)

N --凝結量

C --漂水量(%,L/min)

5.補充量

上述提及的冷卻塔回水耗損量要不斷補充,而補充量的計算如下:

M=E+C+B

M --補充量

E --蒸發耗損量

C --漂水耗損量

B --放空量

假設:蒸發耗損量=0.83%

漂水耗損量=0.1%

放空耗損量=0.25%

補充量=0.83+0.1+0.25=1.18%

來源:網際網路。

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