简介： 利用图形法和EXCEL电子表格编程,对冷却塔冷却效率作出简单直观的判断,既方便又准确,大大简化了计算程序。
关键字：冷却塔 冷却效率 电子表格编程
1前言
冷却塔的热力计算相当复杂，手算程序尤其繁琐，并且还涉及到查表，而目前市场上虽然有一些商业性的，但大部分是针对小型冷却塔设计的，对于大型的工业冷却塔而言，计算起来误差较大，并且使用起来不方便，图形法分析能省去计算，但存在只能定性分析而不能定量分析等缺陷，考虑到焓差法计算是冷却塔热力计算的基础理论，结合冷却塔工艺热平衡图，笔者采用EXCEL电子表格设计了热力计算程序，只需具备EXCEL编辑公式的能力就可直接操作，操作简单，方便实用。非常适合于从事冷却塔设计和运行管理的工程技术人员使用。
2理论分析
………….(1)
Q：冷却水量，m3/h
βxv:容积散质系数，kg/m3h
k:蒸发水量散热系数
i,i”空气焓值，饱和焓值，kJ/kg
Cw:水的比热，kJ/kg℃
式(1)中右边表示冷却塔的冷却任务的大小,称冷却数或交换数。与设计的进出水水温、温差以及大气气象条件决定的 ,左边为选定的淋水所具有的冷却能力，称冷却特性数,与选择的热力性能和气水比有关,对于给定的冷却任务而言,可以选择适当的以及体积来满足冷却任务。（1）式右边可用1所示的冷却塔工艺热平衡形象地表述水与空气之间的关系及焓差推动力。
图1:冷却塔工艺热平衡
图1中AB线为饱和焓曲线，与进出水温度t1和t2有关，CD线为空气操作线，C点对应为进塔空气焓，D点对应为出塔空气焓， CD线与取决于大气条件、气水比λ以及温差。其中
,tm为平均温度，
。
3 评价
结合图1的原理，利用EXCEL编程计算冷却效率，可以简化查表步骤，既方便又快捷。
图6：冷却塔冷却数计算表格的表头制作
首先设计如图6所示的表头，图中B～H项为设计者直接填入数值,I～X项为计算机自动显示值处,下面分步介绍自动计算表格的设计。
1).饱和水蒸汽压力的计算
计算饱和水蒸汽压力
式中T=273+θ（θ为空气温度℃）
Pq˝=98.065×10E（kpa）
则相当于湿球温度τ的水蒸气压力编写方法是用鼠标单击K6处，然后在如图所示的编辑输入=98.065*10^(0.014196-3.142305*(1000/(273+D6)-1000/373.16)+8.2*Lg(373.16/(273+D6))-0.0024804*(373.16-(273+D6))),输完之后单击编辑栏右侧的等于号，待屏幕弹出对话框，再单击“Enter”键，此时相当于湿球温度τ水蒸气压力公式编辑完毕。同理，相当于干球温度θ的水蒸气压力编写方法是用鼠标单击L6处，将上式中的D6改为E6即可。
2）.相对湿度的计算
相对湿度可按
进行计算，
则相对湿度的编写方法是用鼠标单击M6处，然后在如图所示的编辑栏输入=（K6-0.0006628*F6*(E6-D6)）/L6,输完之后单击编辑栏右侧的等于号，待屏幕弹出对话框，再单击“Enter”键，此时相对湿度的公式编辑完毕。
3)湿空气容重的计算
湿空气容重可按
进行计算，
则湿空气容重编写方法是用鼠标单击N6处，然后在如图所示的编辑栏输入= (F6-M6*L6)/0.287/(273+E6)+M6*L6/0.4615/(273+E6)，输完之后单击编辑栏右侧的等于号，待屏幕弹出对话框，再单击“Enter”键，此时湿空气容重公式编辑完毕。
4）气水比的计算
气水比按
进行计算，
则气水比编写方法是用鼠标单击O6处，然后在如图所示的编辑栏输入= N6*H6/1000/G6，输完之后单击编辑栏右侧的等于号，待屏幕弹出对话框，再单击“Enter”键，此时气水比公式编辑完毕。
5）饱和空气焓的计算
为方便统一的公式编辑，同时省去查表的步骤，可引入内田秀雄[1]给出饱和焓与温度的关系式:
,即图中的AB线，此关系式在20～40℃误差仅为1%，因此t1对应的饱和空气焓的编写方法是鼠标单击P6处，然后在如图所示的编辑栏输入= 8.265-0.24*B6+0.0254*B6^2，输完之后单击编辑栏右侧的等于号，待屏幕弹出对话框，再单击“Enter”键，此时t1对应的饱和焓公式编辑完毕。t2、tm对应的饱和焓编写方法同t1对应的饱和空气焓的编写方法，将上式中的B6改为C6、J6即可。
6）进出塔空气焓值的计算
由图1可以看出进塔空气焓可近似等于湿球温度τ对应的饱和空气焓，因此i1编写方法同t1对应的饱和焓，只是将上式中的B6改为D6。空气操作线CD上任意一点可用
求出。因此i2编写方法是鼠标单击T6处，然后在如图所示的编辑栏输入= S6+I6/O6，输完之后单击编辑栏右侧的等于号，待屏幕弹出对话框，再单击“Enter”键，im编写方法是鼠标单击u6处，然后在如图所示的编辑栏输入= (S6+t6)/2。
7）逆流塔冷却数的计算
考虑到计算精度，逆流塔冷却数的计算积分采用辛普逊（Simpson）二段公式作简化计算：
则Ω编写方法是鼠标单击V6处，然后在如图所示的编辑栏输入= I6/6*(1/(P6-T6)+4/(R6-U6)+1/(Q6-S6))，输完之后单击编辑栏右侧的等于号，待屏幕弹出对话框，再单击“Enter”键。
8）横流塔冷却数的计算
先按求逆流塔冷却数的方法求出Ωn,再除以修正系数F0。
F0的编写方法是鼠标单击W6处，然后在如图所示的编辑栏输入= 1-0.106*(1-(Q6-T6)/(P6-S6))^3.5，输完之后单击编辑栏右侧的等于号，待屏幕弹出对话框，再单击“Enter”键。ΩH的编写方法是鼠标单击X6处，然后在如图所示的编辑栏输入= V6/W6，输完之后单击编辑栏右侧的等于号，待屏幕弹出对话框，再单击“Enter”键。此时整个计算程序编写完毕。用此程序校验手算值（上海科学技术出版社1981年出版的《冷却塔》及中国建筑出版社1986年出版的《给水排水设计手册》第4册书中的例题（见表1）。
表1：手算和电算结果对照表
塔型 | 逆流塔（2） | 横流塔（3） | |||
参数 | 气水比λ | 0.5 | 0.6 | 0.9 | 1.0 |
进塔温度（℃） | 40.24 | 40.24 | 40.24 | 45 | |
出塔温度（℃） | 32 | 32 | 32 | 35 | |
干球温度（℃） | 25.7 | 25.7 | 25.7 | 24 | |
干球温度（℃） | 22.8 | 22.8 | 22.8 | 30 | |
大气压力（Kpa） | 99.658 | 99.658 | 99.658 | 99.293 | |
结果 | 手算冷却Ω | 1.024 | 0.861 | 0.692 | 0.613 |
电算冷却Ω | 0.97 | 0.82 | 0.68 | 0.63 | |
差值（%） | 5.56% | 5% | 1.76% | 2.7% | |
从表1可以看出手算和电算值结果相差不大（1.76%～5.56%）,因此采用此程序可信度较高。
下面结合某横流塔几种不同的测试工况，利用此EXCEL程序对其判断（见图7）。
表2：某大型横流塔设计及测试情况
项目 | 设计条件 | 测试工况1 | 测试工况2 | 测试工况3 |
水量（m3/h） | 3300 | 3520 | 3520 | 3150 |
干球温度（℃） | 33 | 32.3 | 36.2 | 31.4 |
湿球温度（℃） | 28 | 29.1 | 26.05 | 26.27 |
进水温度（℃） | 43 | 37.4 | 39.17 | 39.14 |
出水温度（℃） | 33 | 31.8 | 33.16 | 32.11 |
风量（m3/h） | 243000 | 246000 | 242000 | 253000 |
大气压力（Kpa） | 99.96 | 100.9 | 101.42 | 99.96 |
图7：某横流塔冷却数计算结果值
将测试的三个工况的B～F项直接填入表格中,然后用鼠标单击I6处,按住鼠标,按住鼠标左键不放,将鼠标拖至X6处,将鼠标移至X6右下角,待光标变成小“+”时,按住鼠标左键不放,将鼠标移至第9行,就可完成复制工作,在7、8、9行处计算机可以自动显示数值，测试工况1冷却数计算值大于设计值，的容积散质系数比设计值大,能满足冷却任务,而测试工况2、3均低于设计值(工况2是在该冷却塔运行六年后进行测试的，工况3是该冷却塔在更换后进行测试的)，尤其是运行六年后，的容积散质系数下降幅度较大，已不能满足冷却任务的需要。而改造后也未达到设计任务的要求，因此还存在着改造的缺陷。单纯从冷却数的大小不容易看出冷却效率降低多少，可以将不同工况下的冷却数修正到设计条件下，求出出水温度或水量。具体操作步骤见图8、图9。
图8：修正至设计条件下出水水温校核图
将设计条件下的工况复制至第10行处，然后保持水量不变，将出水温度空出，再在空栏处填入出水温度，直至填入的温度满足测试工况条件下的冷却数值。由图可以看出，修正到设计条件下，出水
图9：修正至设计条件下出水水温值
水温为32.5℃时，满足要求，因此该塔的冷却效率为（43-32.5）/（43-33）×100%=105%，同理可将工况2、3修正到设计条件下得到出水温度为33.9℃和33.2℃，因此冷却塔效率分别为91%和98%。分析其改造不成功的原因主要有：
① 片间距过大，水力停留时间短
② 由于横流塔百叶窗的安装角度不合理，同时由于横流塔支撑架多，在安装过程中不可避免地在原百叶窗上开孔，如果对有孔部位不进行修补，横流塔溅水相当厉害，尤其在不开风机时加剧，造成冬季百叶窗易结冰，导致百叶窗及挡水板变形，向外凸出，水直接冲击边层，形成水幕，并且自上而下越来越密，无形中增加了风机的运行阻力，减少了风量，同时水幕对边层具有冲击破坏作用，加剧了的部分垮塌。因此在改造过程中不可忽视，在挡水板凸出处再插入新的挡水板。
③未综合考虑整个气室的配风均匀性，安装没有按照上密下疏的原则，同时安装并未交错安装，影响了的热力性能。
④由于横流塔内部结构本身复杂，支撑架过多，同时每层间安装了框，无疑这些增加了风机的阻力，对于钢筋支撑架而言，要改造已很困难，但可以撤消框架，用相同材质的PVC板代替框架。减少风机的运行阻力。
⑤由于风机的抽吸作用，有部分水飘落在收水器与之间，未经过充分换热，由上自下逐渐增加，因此可考虑略微增加原底部1～2层深度，以保证充分换热。
当然单凭某一工况的测试就对冷却塔的热力效率作出评价，不是非常严谨的，如要对冷却塔作出科学合理的判断，按照NDGJ89-89《工业冷却塔测试技术规定》要求，需对冷却塔进行全面测试，测试项目包括大气参数，进出水温，进塔空气量，出塔空气干湿球温度，塔各部分风阻，风机全压，至少测出15个不同的工况，然后在不同工况下，计算出冷却数Ω及容积散质系数，用最小二乘法，得出式（2）和式（3）
…………（2）
…….（3）
λ：气水比，kg/kg
g:通风密度，kg/m2s
q:淋水密度，kg/m2s
A.B：试验常数
m.n:试验指数
根据此关系校核在设计条件下的出水水温或水量，然后对冷却塔效率高低作一评价。同样可以采取EXCEL方法对其进行编辑,在此不再赘述。
4.结束语
采用EXCEL表格对冷却塔冷却效率进行编程，使得烦琐的计算变得轻松，工作效率大大提高，需要几个工作日时间只需几分钟就可完成，为冷却塔计算提供了方便，对冷却塔的运行状况做到心中有数,为冷却塔改造和开发提供可信的依据。
参考文献：
[1]赵振国.冷却塔.北京：中国水利水电出版社，1997.6
[2]李德兴.冷却塔.上海：上海科学技术出版社，1981.
[3]《给水排水设计手册》第4册.北京：中国建筑工业出版社，1986.