循環(huán)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設計

1、循環(huán)冷卻系統(tǒng)實驗裝置的優(yōu)化設計【摘 要】冷卻塔是一種重要工業(yè)循環(huán)用水裝置，它利用不同溫度的空氣和水兩種介質(zhì)通過直接接觸和間接接觸方式來降低水溫以達到循環(huán)用水的目的。在大型中央空調(diào)系統(tǒng)中，由冷卻塔和冷水機組組成的空調(diào)水系統(tǒng)的能耗約占整個空調(diào)系統(tǒng)能耗的55%左右，其中冷卻塔子系統(tǒng)的耗電量占整個系統(tǒng)耗電里的15%左右，而目前的空調(diào)冷卻塔系統(tǒng)的設計是按全年最不利工況進行設計的，如何改善其工作狀況，實現(xiàn)節(jié)能的目的，具有重要意義。由于整個暖通空調(diào)系統(tǒng)是按最大負荷設計，而空調(diào)系統(tǒng)大多數(shù)時間內(nèi)處于部分負荷狀況下運行，如果能根據(jù)負荷在線找出空調(diào)系統(tǒng)的最佳工作點，并通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)能量最佳匹配，將大幅度地降低空調(diào)

2、系統(tǒng)能耗。本文通過分析冷卻塔系統(tǒng)中各個主要設備的能耗特點，提出了對冷卻塔系統(tǒng)節(jié)能的優(yōu)化方案，使得冷卻塔組在任何工況下運行都能保持最佳的運行狀態(tài)，從而起到節(jié)能的效果。本文中通過控制風機臺數(shù)并配以風閥啟閉及變流量下全塔組配水為關鍵的節(jié)能技術，輔以塔體優(yōu)化、設計及檢測等方面的科技進步，以此將成本降到最低并且充分發(fā)揮冷卻水的冷卻潛力提高循環(huán)使用率從而使節(jié)能效益最大化，達到節(jié)能減排的目的。研究出一種控制簡單、能耗小、散熱面積利用充分的冷卻控制方法，通過搭建模型，模擬一臺冷卻塔組來實現(xiàn)上述控制方法。本實驗臺加入了PLC裝置，對當下冷卻塔組進行仿真控制，配合目前流行的自動化設備，通過傳感器的數(shù)據(jù)采集等，對冷

3、卻塔組的整體結構、換熱面積、循環(huán)水流速等相關因素進行設計和改善，真正實現(xiàn)了自動控制。同時進行冷卻塔組實驗平臺的模型搭建、選型，通過更多的實驗數(shù)據(jù)來增強節(jié)能冷卻塔組的說服力。關鍵詞：冷卻塔；節(jié)能；PLC；自動控制系統(tǒng)2【Abstract】Cooling tower is an important industrial water recycling device, two media using different temperatures of air and water through direct contact and indirect contact method to lower t

4、he water temperature to achieve the purpose of circulating water. Air-conditioning water system by the cooling tower and chiller energy consumption accounts for about 55% of the energy consumption of the entire air conditioning system, and cooling tower subsystem power consumption accounted for abou

5、t 15% of the overall system power consumption in a large central air conditioning system while the design of air-conditioning cooling tower system is designed according to theannual most unfavorable conditions, The significance of how to improve their working conditions and to achieve the purpose of

6、 energy saving as great philosophically asit is scientifically. Best match of the entire HVAC system is designed according to the maximum load, while the air-conditioning system is running under partial load conditions most of the time. According to the load-line to find out the optimum operating po

7、int of the air-conditioning systems, and air conditioning energy consumption will be reduced by adjust the system to achieve energywill significantly.Based on the analysis of energy consumption for cooling tower systems in each of the major equipment characteristics, presents system optimized scheme

8、 for energy saving of cooling tower, cooling tower set running under any condition to maintain top running condition, thereby making the energy-saving effect. This article by controlling the fan number and with a tower under wind valve and variable flow water distribution as a key set of energy-savi

9、ng technology, supplemented by Tower optimization, design and testing, the scientific and technological progress, to minimize the cost and fully realize the potential cooling of cooling water increasing the recycling rate in order to maximize energy efficiency, achieve the goal of energy conservatio

10、n and emission reduction. 2Developed a simple control, small power consumption, heat dissipation area full of cooling control method by building a model that simulated a cooling tower set to achieve the control method. The bench joined the PLC device, on the current cooling tower simulation control

11、group, with the current popular automation equipment, via the sensor data acquisition, of cooling tower in the overall structure, heat transfer area, circulating water flow rate and other factors related to design and improve true automation. Parallel model of cooling tower experimental platform con

12、struction, selection, by group of more experimental data to enhance the energy efficiency of cooling towers of persuasion.Key words: Cooling Tower;Energy Conservation;PLC;Automatic Control System目錄1緒論11.1背景及意義11.2冷卻塔21.3優(yōu)化設計內(nèi)容32冷卻系統(tǒng)實驗裝置的設計42.1冷卻塔類型的選擇42.1.1橫流塔與逆流塔的對比42.1.2開式塔與閉式塔的選擇52.1.3小結52.2冷卻塔單個

13、塔體的尺寸選擇62.3冷卻系統(tǒng)的配水62.3.1用小孔代替噴頭72.3.2管道的選擇72.3.3溢流槽的設計72.4填料的設計82.5風機的選型102.5.1風機的H-Q曲線102.5.2風機的參數(shù)簡介102.6冷卻系統(tǒng)實驗裝置的箱體設計112.6.1箱體選材112.6.2箱體設計122.7箱體基本電氣設備選型152.7.1電源152.7.2繼電器162.8本章小結163控制回路的設計183.1進水溫度控制方案的設計183.1.1方案一：利用恒溫混水閥又名恒溫閥/恒溫控制閥183.1.2方案二：利用閥門+遠程控制閥頭193.1.3方案三：利用電加熱棒+混合閥203.1.4方案四：電力調(diào)整器+加

14、熱器21413.1.5小結213.2進出水溫度的測量213.3流量的測量和控制233.3.1水泵的選型233.3.2流量計的選型253.3.3連接273.4溫控儀的選型273.5控制方案的設計293.6控制箱箱體控制設備及電氣設備的布置圖294冷卻水系統(tǒng)模型實驗平臺實驗324.1實驗一變工況性能測試實驗324.1.1流量一定，改變溫度334.1.2溫度一定，改變流量344.1.3流量溫度同時改變344.2實驗二溫度PID控制實驗355結論與展望38致 謝39參考文獻401緒論1.1背景及意義中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗一般占整個建筑耗電量的50%以上，空調(diào)系統(tǒng)是按滿足用戶最大需求而設計的，但是目前實際情

15、況是，我國的暖通空調(diào)系統(tǒng)絕大多數(shù)處在低效的運行狀態(tài)，造成運行效率低，能源嚴重浪費1。近幾年上海技術監(jiān)督局抽查的10幢只能商用大樓，僅有2幢尚且處于較好的運行狀況。在中央空調(diào)控制系統(tǒng)普及率和自動化水平較高的新加坡，2008年統(tǒng)計調(diào)查，其能耗功效比都在1.21.5KW/Ton之間，中央空調(diào)系統(tǒng)功效比理論最低可以達到0.62KW/Ton2。造成這種現(xiàn)象的原因是多方面的。首先，在設計方面，沒有考慮到房間的季節(jié)、時間朝向等因素的冷負荷變化，而是按房間最大冷負荷加上一個較大的安全裕量而進行設計的。實際的最大冷負荷低于設計冷負荷，且機組大部分時間是在部分負荷下運行的，這就導致在大多數(shù)中央空調(diào)水系統(tǒng)中出現(xiàn)大流

16、量、小溫差的運行狀態(tài)，造成二級泵的能量巨大損耗等；其次在控制方面，主機和部分末端裝置有自動控制裝置，但是沒有形成中央空調(diào)系統(tǒng)的集中控制，總的來說就是自動控制水平偏低。當外界環(huán)境產(chǎn)生變換時，沒能及時作出應變，導致很大程度的浪費5。如何使空調(diào)機組連續(xù)、可靠、安全、高效運轉(zhuǎn)已經(jīng)成為符合現(xiàn)代企業(yè)管理要求、提高生產(chǎn)效益、改善生活環(huán)境、適應我國能源政策的主要課題之一。中國是目前世界上第二位能源生產(chǎn)國和消費國，能源供應持續(xù)增長，為經(jīng)濟社會發(fā)展提供了重要的支撐的同時，也付出了巨大資源和環(huán)境被破壞的代價，這兩者之間的矛盾日趨突出，節(jié)能減排越來越受到重視。在民用和工業(yè)生產(chǎn)中，會產(chǎn)生大量廢熱，廢水，但是有時又因為廢

17、水的溫度過高，不能直接應用，我國是淡水資源極為匱乏的國家，人均淡水資源僅為世界人均量的四分之一。嚴重稀缺的水資源，相當脆弱的水生態(tài)環(huán)境，卻支撐著人類歷史上最大規(guī)模的生存與經(jīng)濟活動，水和能源的危機日趨嚴峻，缺水引起的生態(tài)環(huán)境退化、人居環(huán)境惡化等問題日益突出，已成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，直接影響到我國全面建設小康社會的進程，發(fā)展節(jié)水節(jié)能型工業(yè)及農(nóng)業(yè)、建設節(jié)水節(jié)能型社會，是我國目前及今后很長一段時間內(nèi)極為重要的戰(zhàn)略任務，而節(jié)水的最好途徑便是使水能夠循環(huán)利用。國外發(fā)達國家，水的重復使用率達7585。同國際水平相比，我國還有很大差距，工業(yè)用水重復利用率只有2030%，特別是五大高用水工業(yè)（火力發(fā)電、鋼

18、鐵、石化造紙、紡織）水的循環(huán)使用率不高，尚有進一步提升的很大空間。要提高循環(huán)使用率，除國家制定一系列節(jié)水政策外，應進一步深入研究循環(huán)水系統(tǒng)中的節(jié)水技術與設備。冷卻塔是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的關鍵設備，其耗能是循環(huán)冷水系統(tǒng)耗能的重要組成部分，深入研究冷卻塔設計工藝，使其技術先進、經(jīng)濟合理、高效低耗，是提高水的循環(huán)使用效率的行之有效的具體舉措，具有重要的社會意義和經(jīng)濟價值6。1.2冷卻塔冷卻塔是一種將水冷卻的裝置，利用水和空氣的接觸，通過蒸發(fā)作用來散去工業(yè)上或制冷空調(diào)中產(chǎn)生的廢熱的一種設備。其工作的基本原理是：干燥(低焓值)的空氣經(jīng)過風機的抽動后，自進風網(wǎng)處進入冷卻塔內(nèi)；飽和蒸汽分壓力大的高溫水分子向壓

19、力低的空氣流動，濕熱(高焓值)的水自播水系統(tǒng)灑入塔內(nèi)3。當水滴和空氣接觸時，一方面由于空氣與水的直接傳熱，另一方面由于水蒸汽表面和空氣之間存在壓力差，在壓力的作用下產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象，將水中的熱量帶走即蒸發(fā)傳熱，從而達到降溫之目的。水在其中與渡過的空氣進行熱交換、質(zhì)交換，致使水溫下降；它廣泛應用于空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)和工業(yè)用循環(huán)水系統(tǒng)中。在一定水處理情況下，冷卻效果是冷卻塔重要性之一，在選用冷卻塔時，主要考慮冷卻程度、冷卻水量、濕球溫度是否有特殊要求，通常安裝在通風比較好的地方7。冷卻塔屬熱交換設備系統(tǒng)。進行熱交換的二種介質(zhì)即水與空氣無間隔。冷卻塔利用空氣將通過其的水冷卻，傳熱特點是水向空氣傳導熱不須通過

20、壁面，而是在直接接觸過程中進行的。冷卻水塔中，水在填料中形成水膜或水滴，在與空氣直接接觸的過程，同時發(fā)生熱和質(zhì)的傳遞；熱傳是由于水與空氣的溫差，而質(zhì)傳是由于水的表面蒸發(fā)形成的水蒸汽水斷地向空氣中擴散，同時把水汽化潛熱帶入空氣，在熱量與質(zhì)量的傳遞過程，水冷卻的過程叫做蒸發(fā)冷卻過程，因此水在蒸發(fā)冷卻過程中所散發(fā)的熱量是由兩部分所組成，即接觸散熱（傳導和對流）和蒸發(fā)散熱4。使用冷卻塔的目的是達到一定的降溫效果，其主要取決于散熱片、風機風量、冷卻塔使用水量，以及良好的通風條件，安裝位置也有一定的影響。散熱片：是冷卻塔的關鍵部件，小型塔一般采用PVC片材熱壓或熱吸式，大型塔會采用木材，主要目的使空氣與水

21、的須在不影響風阻時，越大越好，同時熱交換率也達到最大，散熱片影響傳熱的效果的兩個參數(shù)，主要是散熱片形狀和高度，在進行水塔安裝，盡是不要損壞散熱片，以免散熱片水流不暢。風機風量：其主要加速塔中空氣流動，加速空氣與水的熱，帶走熱量。影響風機風量主要是風葉形狀即風葉寬長度和本身偏有，風葉轉(zhuǎn)速、安裝角度、轉(zhuǎn)速與電機及傳動比等8。另外，在風量一定的情況下，同種類型塔，冷卻水量小的比冷卻水量大的冷卻效果要好些。熱水自主機房通過水泵以一定的壓力經(jīng)過管道、橫喉、曲喉、中心喉將循環(huán)水壓至冷卻塔的播水系統(tǒng)內(nèi)，通過播水管上的小孔將水均勻地播灑在填料上面；干燥的低晗值的空氣在風機的作用下由底部入風網(wǎng)進入塔內(nèi)，熱水流經(jīng)

22、填料表面時形成水膜和空氣進行熱交換，高濕度高晗值的熱風從頂部抽出，冷卻水滴入底盆內(nèi)，經(jīng)出水管流入主機。一般情況下，進入塔內(nèi)的空氣、是干燥低濕球溫度的空氣，水和空氣之間明顯存在著水分子的濃度差和動能壓力差，當風機運行時，在塔內(nèi)靜壓的作用下，水分子不斷地向空氣中蒸發(fā)，成為水蒸氣分子，剩余的水分子的平均動能便會降低，從而使循環(huán)水的溫度下降。從以上分析可以看出，蒸發(fā)降溫與空氣的溫度（通常說的干球溫度）低于或高于水溫無關，只要水分子能不斷地向空氣中蒸發(fā)，水溫就會降低。但是，水向空氣中的蒸發(fā)不會無休止地進行下去。當與水接觸的空氣不飽和時，水分子不斷地向空氣中蒸發(fā)，但當水氣接觸面上的空氣達到飽和時，水分子就

23、蒸發(fā)不出去，而是處于一種動平衡狀態(tài)。蒸發(fā)出去的水分子數(shù)量等于從空氣中返回到水中的水分子的數(shù)量，水溫保持不變。由此可以看出，與水接觸的空氣越干燥，蒸發(fā)就越容易進行，水溫就容易降低9。1.3優(yōu)化設計內(nèi)容本次畢業(yè)設計將通過建立一個完整的循環(huán)冷卻系統(tǒng)實驗裝置，在原有的冷卻系統(tǒng)模型的基礎上，對冷卻系統(tǒng)進行改造。（1）對原有的冷卻系統(tǒng)模型的大小尺寸進行縮小，尤其是比較“笨拙”的控制箱體進行改造，使其能成為一個可拆卸可重組的小巧輕便的實驗裝置。（2）原有的實驗臺仍然是手動控制，在優(yōu)化的過程中，使整個實驗裝置達到智能化、自動化的目的。（3）在實驗裝置組裝完成之后實驗過程中，使冷卻系統(tǒng)在完成冷卻要求的同時，令整

24、個能耗達到最小，尋找出節(jié)能優(yōu)化的最優(yōu)算法。在傳統(tǒng)冷卻塔的基礎上，循環(huán)冷卻系統(tǒng)實驗裝置冷卻能力將會大大提升，達到真正意義上的穩(wěn)定、經(jīng)濟、節(jié)能、高效。該實驗裝置，也加強了它的可操作性，在裝置的硬件組裝和拆卸方面加強我們工科學生的動手能力。2冷卻系統(tǒng)實驗裝置的設計冷卻塔組的設計步驟：1）確定循環(huán)冷卻系統(tǒng)實驗裝置的形式2）計算出由作用范圍決定的風機負荷決定的供水量3）選擇水系統(tǒng)形式，進行供回水的管線布置4）進行絕熱材料與絕熱層厚度的選擇與計算5）風機的選型6）確定冷卻系統(tǒng)實驗裝置的箱體結構7）冷卻系統(tǒng)實驗裝置的基本電氣設備的選型2.1冷卻塔類型的選擇2.1.1橫流塔與逆流塔的對比1）逆流塔：水自上而下

25、通過配水裝置淋灑在淋水填料上，被填料切割分散成水膜或水滴，在重力作用下自上向下流動，空氣在風機的作用下自下而上通過淋水填料，空氣與水流相逆而行。優(yōu)點：（1）逆流冷卻塔熱力性能好，分三個冷卻段：布水器到填料頂這一空間，此段的水溫較高，所以仍可將熱量傳給空氣。填料水與空氣熱交換段。填料至集水池空間淋水段（北京冷卻塔，水在此段被冷卻稱之為“尾效”）。我國北方水溫可下降1-2。綜上所述，逆流塔比橫流塔在相同的情況下，填料體積小20左右，逆流塔熱交換過程更合理,冷效更高。（2）配水系統(tǒng)不易堵塞、淋水填料保持清潔不易老化、濕氣回流小、 防凍化冰措施更容易。多臺可組合設計，北京冷卻塔在冬季以所需的水溫水量可

26、合并單臺運行或全部停開風機。（3）施工安裝檢修容易、費用低，常用在空調(diào)和工業(yè)大、中型冷卻循環(huán)水中。 主要應用領域：在工程中要求效率高，氣阻力相對大，體積小薄膜式填料。2）橫流塔：水流從塔上部垂直落下，空氣水平流動通過淋水填料，氣流與水流正交的冷卻塔。優(yōu)點：(1）水壓頭較小，耗電少(2）噪聲小(3）水損失較小，更經(jīng)濟，更符合可持續(xù)發(fā)展(4）布水方式合理，采用重力自然落下的布水系統(tǒng)，散水孔不易堵塞，且布水均勻，最大限度地提高了填料性能 (5）模塊組合后，效率不變，而逆流塔效率降低10主要應用領域：填料體積大，但通氣阻力較小的小型系統(tǒng)中。綜合橫流塔與逆流塔的優(yōu)點及其主要的應用領域，在本次的模型設計中

27、我們選擇了橫流式的冷卻塔。2.1.2開式塔與閉式塔的選擇1）閉式冷卻塔（也叫蒸發(fā)式空冷器或密閉式冷卻塔）：將管式換熱器置于塔內(nèi)，通過流通的空氣、噴淋水與循環(huán)水的熱交換保證降溫效果。簡單的說，即：一個內(nèi)循環(huán)、一個外循環(huán)。沒有填料，主核心部分為紫銅管。內(nèi)循環(huán)：與對象設備對接，構成一個封閉式的循環(huán)系統(tǒng)（循環(huán)介質(zhì)為軟水）。為對象設備進行冷卻，將對象設備中的熱量帶出到冷卻機組。外循環(huán)：在冷卻塔中，為冷卻塔本身進行降溫。不與內(nèi)循環(huán)水相接觸，只是通過冷卻塔內(nèi)的紫銅管進行換熱散熱。在此種冷卻方式下，通過自動控制，根據(jù)水溫設置電機的運行。由于是閉式循環(huán)，其能夠保證水質(zhì)不受污染，很好的保護了主設備的高效運行，提高

28、了使用壽命。外界氣溫較低時，可以停掉噴淋水系統(tǒng)，起到節(jié)水效果。隨著國家節(jié)能減排政策的實施和水資源的日益匱乏，近幾年密閉式冷卻塔在鋼鐵冶金、電力電子、機械加工、空調(diào)系統(tǒng)等行業(yè)得到了廣泛的應用11。優(yōu)點：（1）提高生產(chǎn)效率，軟化水循環(huán)，無結垢、無堵塞、無損失 （2）延長設備壽命，保障設備可靠、穩(wěn)定運行，減少故障，杜絕事故 （3）全封閉循環(huán)、無雜質(zhì)進入、無介質(zhì)蒸發(fā)、無污染（4）提高廠房利用系數(shù)，無需水池，減少占地，節(jié)省空間（5）占用空間小，安裝、移動、布置方便，結構緊湊（6）操作方便，運行穩(wěn)定，自動化程度高（7）節(jié)約運行成本，多種模式自動切換，智能控制2）開式冷卻塔：通過將循環(huán)水以噴霧方式，噴淋到玻

29、璃纖維的填料上，通過水與空氣的接觸，達到換熱，再有風機帶動塔內(nèi)氣流循環(huán)，將與水換熱后的熱氣流帶出，從而達到冷卻。優(yōu)點：水質(zhì)要求不是很高、散熱好、成本低、易維護、占地面積少。2.1.3小結經(jīng)過開式塔與閉式塔的對比可知，由于模型對水質(zhì)的要求不是很高，而且經(jīng)費有限，最后我們決定用開式塔。綜合這兩方面的因素我們最終選擇的冷卻塔模型的類型為開始的橫流式冷卻塔。因為橫流塔塔筒內(nèi)是空的,氣流速度可以高一些,因此塔筒直徑可以比同容量的逆流塔小,相應降低了造價。2.2冷卻塔單個塔體的尺寸選擇1）在實際應用中塔體尺寸對應12表2-1實體尺寸型號外形總尺寸冷卻水量m3/h長mm寬mm高mmH400T04880042

30、004635400H500T049600440046855002）根據(jù)實際的塔來確定模型的尺寸表2-2模型尺寸塔型長mm寬mm高mm單塔尺寸300150160單塔尺寸300150170塔組尺寸300450160塔組尺寸300450170小結：根據(jù)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(jù)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

31、距水槽高度為170mm。2.3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24倍，由于配水不均導致的水溫差達45的現(xiàn)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(jīng)濟和現(xiàn)實意義。但是國內(nèi)外尚沒有明確的冷卻塔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。2.3.1用小孔代替噴頭在實際的冷卻塔配水均勻

32、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(nèi)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(nèi)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(jīng)費也省

33、掉了很多的時間，而且使得模型更加的簡約可靠14。2.3.2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(jīng)驗與試驗。配水管道的布置與水力計算，實現(xiàn)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

34、力的調(diào)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。2.3.3溢流槽的設計由于在運行時時，我們發(fā)現(xiàn)當負荷變小時，流量隨著變小會導致水槽內(nèi)部布水不均，嚴重時還會出現(xiàn)斷流的現(xiàn)象，這樣會影

35、響水在填料上的換熱效率，降低冷卻塔性能，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。2.4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(nèi)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

36、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(shù)尤為重要，因為這將影響塔內(nèi)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6075，而沿板條形成的水膜的散熱只占總散熱量的2530。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(wǎng)格形膜

37、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(jīng)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(wǎng)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(zhì)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

38、降，對傳熱傳質(zhì)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(shù)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(shù)和由于蒸發(fā)而造成的水流量的變化。但這些參數(shù)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e-NTU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。

39、基于Poppe算法而得出的水的蒸發(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。2003年，J.C.Kloppers和 D.G.Kroger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(shù)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e-NTU 法相比時，它得出的所有試驗結果參數(shù)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e-NTU 法得

40、到的參數(shù)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e-NTU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(shù)指標時，M

41、erkel法和e-NTU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(zhì)填料的機械通風式冷卻塔的換熱性質(zhì)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(xiàn)這兩個參數(shù)可以用水氣比的函數(shù)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(shù)據(jù)，他們提出了傳質(zhì)系數(shù)與冷卻塔壓降之間的關系。Klo

42、ppers 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(zhì)系數(shù)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(jīng)濟比。綜上所述我們選擇了：薄膜式填料。2.5風機的選

43、型風機是半集中式空調(diào)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(zhuǎn)化，根據(jù)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(zhì)的小型風機，因為這樣的風機便于安裝。2.5

44、.1風機的H-Q曲線根據(jù)主機給定的負荷量，在PM1238HA2BAL-7Q-H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（Q-H）線圖為：圖2-1H-Q曲線圖2.5.2風機的參數(shù)簡介表2-3風機參數(shù)表電壓V電流A功率W轉(zhuǎn)速RPM風量CFM風壓mmH2O噪聲dB1212182600985.642.5圖2-2風機尺寸圖2.6冷卻系統(tǒng)實驗裝置的箱體設計2.6.1箱體選材根據(jù)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2.

45、7g/cm3，約為鋼、銅或黃銅的密度(分別為7.83g/cm3，8.93g/cm3)的1/3。在大多數(shù)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50-60%，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(chǎn)出後具有的各種狀態(tài)中，機加工特性的變化相當

46、大，這就需要特殊的機床或技術。（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(zhì)承重約為15KG左右。為了日后的拆

47、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2-3鋁型材尺寸圖2.6.2箱體設計確定好選用的材料后，根據(jù)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(jù)所選擇型號的大小我們將這個底座的設計如圖2-4所示圖2-4箱體主體結構根據(jù)所要設計的模型的效果圖，我們對整個結構所需零部件做了詳細的報價和清單如表2-4所示表2-4組件及報價品名規(guī)格長度數(shù)量單位單價(元)金額（元）鋁型材20204802支6.3012.602062支2.705.411202支1.583.156202支8.1

48、416.282502支3.286.563305支4.3321.56續(xù)表2-4品名規(guī)格長度數(shù)量單位單價(元)金額（元）專用螺栓M6*1620只1.0020.00專用螺栓M5*108只1.008.00T型螺母M5-208只1.008.00打孔攻絲40只2.0080.00切角8只4.0032.00任意角度連接件20204套8.0032.00角件20284套5.0020.003MM鋁板6303401塊130.45130.455003701塊112.67112.676302202塊84.4184.413402201塊45.5545.55340901塊18.6418.642153401塊44.5244.5

49、2嵌條3個厚板槽6用10米5.0050.00蓋板20202只0.801.60鋁板1項100.00100.00運費55.00總價908.482.7箱體基本電氣設備選型2.7.1電源1）選型要求：體積小巧，重量輕盈，直流輸出電壓24V,電流05.0A2）所選型號及參數(shù)特性型號：DR-120-24生產(chǎn)廠家：臺灣明緯企業(yè)股份有限公司參數(shù)特性：（1）直流輸出范圍：24V,05.0A（2）輸出電壓精度：±1%（3）紋波：80mV（4）效率：84%（5）輸入電壓范圍：由開關選擇90132VAC/180264VAC（6）輸入浪涌電流：冷啟動40A/230V（7）電壓調(diào)整范圍：12V:1214V，24

50、V:2428V，48V:4853V（8）過載保護：過電流點在105%150%時恒流限流自動復原（9）過電壓保護：額定輸出電壓的115%142%時關斷,重啟復位（10）過熱保護：90±5(TSW1檢測功率晶體管散熱器溫度)（11）保護類型:過熱關斷,溫度下降后自動恢復（12）啟動上升保持時間：230VAC滿載時500ms,70ms,36ms（13）工作溫度：-10+60（14）抗震動性：10500Hz,2G 10分鐘/周期,XYZ各軸各60分鐘（15）接線方式：輸入端:3點.輸出端:4點螺絲DIN端子（16）外形尺寸：65.5×125.2×100mm(寬×

51、高×深)3.圖片圖2-5電源正面圖2.7.2繼電器1）所選型號及參數(shù)特性型號：MGR-1 D4840生產(chǎn)廠家：美格爾電子電器有限公司參數(shù)特性：（1）品名：單相固態(tài)繼電器40A（2）控制方式：直流控交流(DC-AC)（3）負載電流：40A（4）負載電壓：24- 480V/DC（5）控制電壓：3-32V/DC（6）控制電流：DC: 3-25mA ；AC:12mA（7）通態(tài)壓降：1.5V（8）斷態(tài)漏電流：5mA（9）斷態(tài)時間：10ms（10）介質(zhì)耐壓：2500V/AC（11）絕緣電阻：500M/500V/DC（12）環(huán)境溫度：-30+75（13）冷卻條件：負載電流1025A;必須安裝散熱器

52、（14）安裝方式：螺栓固定（15）工作指示：LED2）圖片圖2-6繼電器正面圖2.8本章小結本章著重介紹了模型的制作過程及其各部分的選型及其選材。著重從以下幾方面著手對我們的冷卻塔模型進行考慮：（1）在綜合比較閉式逆流塔與開式橫流塔等一系列問題下，結合我們自己的現(xiàn)狀，由于考慮到開式橫流塔的能耗少，制作簡單且性價比較高等一系列的優(yōu)點下我們選擇了開式橫流塔（2）在配水方面的設計時，由于考慮到只安裝管道的配水方案時管路末端會出現(xiàn)斷流的現(xiàn)象，我們又加了單流槽的設計方案，并且在上面加上切換閥門，在模型的實驗過程中能明顯的對比看出傳統(tǒng)的設計與我們設計的差別所在。（3）在配水中我們沒有采用噴頭，而是采用了小

53、孔代替噴頭，又節(jié)約了一部分的經(jīng)費（4）在風機的選型中沒有用工業(yè)中的大型風機，而是選擇了類似電腦主機風扇的小型風機進行配合，這樣即節(jié)約成本，也使得模型更加的輕巧。（5）模型的效果圖如下：圖2-7模型三維效果圖圖2-8塔體尺寸圖3控制回路的設計設計思路：1）本次實驗裝置在控制，熱力等方面的設計理念是自動化、智能化；在傳感器及控制器等器件的選型上充分考慮PLC所能接收的信號及它發(fā)出的信號控制執(zhí)行器的動作2）4個溫度傳感器分別測量進水溫度、出水溫度、濕球溫度、干球溫度將所測得的信息直接傳送到PLC模塊上，由PLC識別信號3）選擇模型的電源、繼電器、控制器、電力調(diào)整器、流量計和水泵等設備都需考慮能否相互

54、配合，相互適用3.1進水溫度控制方案的設計3.1.1方案一：利用恒溫混水閥又名恒溫閥/恒溫控制閥1）DN-15主要技術參數(shù)：工作壓力：0.03-1MPa理想工作壓力：0.1-0.5MPa冷水溫度：5-29 熱水溫度：50-80最高熱水溫度：95 調(diào)溫范圍：35-45溫控精度：±2 出水口流量：1m3/h (壓差0.1MPa)通徑：DN 15（螺紋連接）2）工作原理在恒溫混水閥的混合出口處，裝有一個熱敏元件，利用感溫元件的特性推動閥體內(nèi)閥芯移動，封堵或者開戶冷熱水的進水口。在封堵冷水的同時開啟熱水，當溫度調(diào)節(jié)旋紐設定某一溫度后，不論冷、熱水進水溫度、壓力如何變化，進入出水口的冷熱水比例

55、也隨之變化，從而使出水溫度始終保持恒定，調(diào)溫旋紐可在產(chǎn)品規(guī)定溫度范圍內(nèi)任意設定，恒溫混水閥將自動維持出水溫度。3）特點可以根據(jù)需要自行調(diào)節(jié)冷熱水混水溫度，所需溫度可以訊速達到并且穩(wěn)定下來，保證出水溫度恒定，且不受水溫、流量、水壓變化的影響。4）使用安裝、調(diào)節(jié)及注意事項（1）紅色標記的是熱水進口。藍色標記的是冷水進口。（2）設定溫度后，如時水溫度或壓力有變化，出水溫度變化值在±2。（3）如果冷熱水壓力不一致，應在進水口加裝單向止回閥防止冷、熱水互串。（4）如果冷、熱水壓差比值超過8：1應在壓力大的一側加裝限流減壓閥以保證混合水閥能正常調(diào)節(jié)。（5）在選用及安裝時請注意公稱壓力、混水溫度范圍等要求是否與產(chǎn)品參數(shù)相符。本產(chǎn)品是我公司研發(fā)的專利產(chǎn)品，為方便太陽能熱水器用戶使用，同時開發(fā)了配套的止回上水閥和限流減壓閥，為防止熱水器結水垢，還研制出與之配套的高磁除垢器